郭樹森，黃新民，鄧建林，胡伍生

(1.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096；2.如皋市勘測院有限公司，江蘇 如皋 226500；3.如皋市基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 如皋 226500)

0 引 言

高層建筑物是指建筑層數(shù)達到10層以上、建筑高度不低于24 m的住宅建筑物或不低于28 m的其他民用性建筑物[1]。自21世紀以來，我國基建發(fā)展迅速，高層建筑物在全國各地立地而起。高層建筑物的大量興建給人民帶來便利、快捷的生活的同時也隱含了一定的安全風險。在多種內(nèi)外因素影響下，建筑物會發(fā)生以沉降、傾斜為主的變形，當建筑物變形量超過規(guī)定的設(shè)計限值時，會對建筑物自身的結(jié)構(gòu)和居民的生命、財產(chǎn)安全帶來巨大的危害。而導致建筑物變形的原因中，不均勻沉降不僅危害最大，而且也是導致傾斜與裂縫產(chǎn)生的主要原因?，F(xiàn)今，建筑物正朝著樓層高、體積大、重量大、結(jié)構(gòu)復雜等方向發(fā)展，因此非常有必要在建筑物施工建設(shè)與運營管理期實施定期的沉降監(jiān)測，從而確保建筑物的安全。

建筑物沉降監(jiān)測是根據(jù)建筑物地理位置與周邊環(huán)境情況，結(jié)合國家和地方標準與規(guī)范，設(shè)置一系列水準點與沉降監(jiān)測點對建筑物進行周期性觀測，通過數(shù)據(jù)表達其沉降程度[2]。而沉降監(jiān)測成果可視化是借助圖形化手段，對沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行圖形、圖像以及動態(tài)表達，清晰快速地向施工與建設(shè)單位傳達建筑物的沉降情況。當前，建筑物沉降監(jiān)測成果可視化大多采用表格、曲線圖、條形圖等可視化方法形成監(jiān)測報表綜合表達建筑物沉降情況。這些方法雖然能較為全面地反映建筑物沉降情況，但可視化效果一般。本文將圍繞某市某高層建筑物的沉降監(jiān)測成果研究沉降成果可視化表達的幾種方法及其內(nèi)涵。

1 工程概況

1.1 建筑物建設(shè)情況

A#大樓位于某市市區(qū)C小區(qū)內(nèi)，于2013年4月開始施工。A#大樓建設(shè)樓層高度68 m，地下1層，地上23層。2015年12月，施工單位開始對已封頂?shù)腁#大樓進行高精度變形監(jiān)測，分析其在施工后期的變形情況。沉降監(jiān)測采用一等精密水準測量，沿用A#大樓的獨立高程系統(tǒng)建立高程監(jiān)測控制網(wǎng)。沉降監(jiān)測點共布設(shè)10個，點間距8～15 m，均在地基以上0.5～0.8 m(圖1)。沉降監(jiān)測時間為2015.12.11～2019.11.9，觀測時長1 430 d，觀測次數(shù)為599次，平均觀測周期為2.4 d/次。

圖1 A#大樓沉降監(jiān)測點布設(shè)圖

1.2 可視化需求

可視化是運用計算機圖形學與圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形、圖像，通過在顯示器屏幕上顯示，并進行交互處理的理論、方法與技術(shù)。自1987年2月美國國家科學基金會“科學計算之中的可視化”研討會中將可視化正式定義為一門研究學科以來，可視化技術(shù)迅速發(fā)展，國內(nèi)外計算機軟件公司出品了一批商業(yè)化的可視化軟件、系統(tǒng)以及具有可視化功能的數(shù)據(jù)分析軟件。另外也有不少的學者將可視化技術(shù)應(yīng)用于建筑物變形監(jiān)測監(jiān)測中：陳曉龍[3]運用OpenGL軟件實現(xiàn)對大型橋梁變形監(jiān)測成果的三維動態(tài)可視化表達；馬路濱[4]就建筑物基坑監(jiān)測開發(fā)了基于GIS平臺的基坑變形監(jiān)測三維可視化模擬系統(tǒng)；丘穎新[5]運用BIM技術(shù)對高速鐵路變形監(jiān)測進行三維可視化表達。在本文中，我們運用可視化軟件Matlab與可視化庫Highcharts分別實現(xiàn)A#大樓沉降監(jiān)測成果的二維、三維及動態(tài)可視化表達。

2 二維可視化表達

2.1 沉降曲線圖

曲線圖是變形監(jiān)測成果分析中最常見的二維可視化方法，結(jié)構(gòu)簡潔，信息表達直觀明了，能有效表達各種變形信息。曲線圖主要分為單縱軸曲線圖與雙縱軸曲線圖，而后者是前者的改進，能同時展示不同類型的信息。我們根據(jù)A#大樓的沉降觀測成果運用自編軟件繪制時間-荷載-沉降量曲線圖(雙縱軸)(圖2)。

如圖2所示，A#大樓各沉降監(jiān)測點在大概在750 d后沉降速率減小，趨于平緩。而在900 d后各沉降監(jiān)測點沉降速率趨近于0，沉降曲線趨近于水平線。根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》5.5.5規(guī)定，可以認為A#大樓在沉降監(jiān)測后期處于穩(wěn)定階段。時間-荷載-沉降量曲線，可以較直觀地反映建筑物不同時期內(nèi)的沉降情況。

圖2 A#大樓時間-荷載-沉降量曲線圖

2.2 沉降量等值線圖

等值曲線圖是工程建設(shè)行業(yè)上應(yīng)用最廣泛、信息表達最形象的可視化方法之一。等值曲線圖是以數(shù)值相等的各點連成曲線，投影到平面上表示被攝對象的外表特征的二維圖像。在測繪、地理信息與土木行業(yè)上，等值曲線圖常采用的形式為等高線圖，并且有很多繪圖軟件具有繪制等值曲線的功能。繪制等值曲線圖的關(guān)鍵在于如何根據(jù)給定的三維地理數(shù)據(jù)，選擇合適的插值與離散算法，從而得到既符合實際、又直觀形象的等值曲線圖。在本小節(jié)中，我們將根據(jù)A#大樓2019年11月9日的沉降監(jiān)測成果，運用數(shù)學軟件Matlab繪制A#大樓的“沉降量等值線圖”(圖3)。

圖3 A#大樓沉降量等值線圖

根據(jù)圖3，可以看出在2019年11月9日，A#大樓南部沉降量普遍大于北部沉降量，南部沉降量最大的地方分別位于東南角與西南角，整棟大樓東西兩端沉降量大，中部沉降量小。根據(jù)某一時刻的建筑物等值沉降曲線圖，可以更直觀、清楚的觀察到該時刻建筑物各部分的沉降情況。

3 三維可視化表達

三維可視化是借助三維立體技術(shù)，根據(jù)被攝對象的數(shù)據(jù)建立三維模型，將被攝對象立體化呈現(xiàn)的可視化方法。與二維可視化相比，三維可視化不僅具有立體感、更真實、形象的表達效果，而且還能載負、表達更多被攝對象特征信息的優(yōu)點。近十幾年來，隨著計算機技術(shù)與圖形設(shè)備的發(fā)展，二維可視化無法滿足測繪、土木等工科行業(yè)的需求，三維可視化由此嶄露頭角，并快速發(fā)展為一個研究方向。我們沿用A#大樓沉降觀測成果，運用Matlab繪制A#大樓沉降三維曲面圖。三維曲面圖的繪制原理、方法與等值曲線圖一致，只是無須將建立的三維模型調(diào)整為二維俯視視角。A#大樓三維曲面如圖4所示。

圖4 A#大樓三維曲面圖

根據(jù)圖4，可以看出截至2019年11月9日，A#大樓南部沉降量普遍大于北部沉降量，并且大樓東西兩端的沉降量大，中部沉降量少。整幢大樓西南角沉降量最大，正北處沉降量最小。與圖3等值曲線圖相比，三維曲面圖能更明顯、形象地反映建筑物各部分的沉降情況。

4 動態(tài)可視化表達

動態(tài)可視化是對被攝對象的數(shù)據(jù)進行處理，將其靜態(tài)圖表、圖像動態(tài)化，從而實現(xiàn)自動更新的可視化方法。動態(tài)可視化作為當今可視化領(lǐng)域的一個新穎的研究方向，與三維可視化相比，具有自動更新、更加形象的特點。特別是在計算機信息技術(shù)領(lǐng)域中，衍生一批直接用于動態(tài)可視化的商業(yè)軟件與開源可視化庫，為各行各業(yè)的報表數(shù)據(jù)提供了動態(tài)可視化的實現(xiàn)可能。近幾年來，動態(tài)可視化也在測繪、土木等工程建設(shè)行業(yè)中興起，更有一些研究機構(gòu)嘗試三維與動態(tài)可視化結(jié)合的實現(xiàn)，但是動態(tài)可視化發(fā)展時間較短，發(fā)展方向較窄，實現(xiàn)成本普遍高于三維可視化，因此工程建設(shè)行業(yè)在可視化上的研究重心仍然是以三維可視化為主。我們根據(jù)沉降觀測成果，運用可視化庫Highcharts繪制A#大樓動態(tài)沉降態(tài)曲線圖(圖5)。

圖5 A#大樓動態(tài)曲線截圖

Highcharts是挪威Highsoft公司開發(fā)的基于JavaScript編程的可視化庫。Highcharts提供了大量的可視化模板與對應(yīng)的源代碼，操作用戶可以根據(jù)自己的需求選擇可視化模板與源代碼并進行編輯修改。運用Highcharts繪制動態(tài)曲線的原理主要分為數(shù)據(jù)格式的調(diào)整、程序代碼的編寫、程序讀取數(shù)據(jù)，生成動態(tài)曲線、根據(jù)可視化成果修改程序代碼并調(diào)試4個環(huán)節(jié)。

5 結(jié) 語

(1)曲線圖、等值線圖等二維可視化方法、表格再加上必要的文字闡述所組成的變形監(jiān)測成果報表雖然存在可視化效果一般的缺點，但仍能全面、直觀地反映被監(jiān)測對象的變形情況，并且實現(xiàn)效率高，基本滿足工程建設(shè)行業(yè)的實際需求。

(2)動態(tài)可視化作為當今可視化領(lǐng)域的一個新穎的研究方向，具有更加形象直觀的特點。本文運用可視化庫Highcharts實現(xiàn)了A#大樓動態(tài)沉降態(tài)曲線圖，應(yīng)用效果更好。