◇銀川市勘察測繪院 李濤

老舊建筑物加固改造是城市建設和文明傳承的重要手段。對建筑隔震加固技術墻柱進行托換抗震加固施工過程中，對建筑物沉降進行全面、自動化監(jiān)測是建筑施工安全的重要保障。根據老舊建筑加固改造施工中建筑物沉降自動化監(jiān)測需求，本文設計了一套建筑物沉降遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)，利用磁致伸縮靜力水準儀配合無線數據采集儀對建筑物沉降進行遠程自動監(jiān)測，將沉降位移量監(jiān)測數據及時提供給施工部門。通過實例檢驗了建筑物沉降遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，并對其特性和適用條件進行了分析。

1 前言

城市老舊建筑物是城市文明的重要組成部分，很多老舊建筑仍然為醫(yī)院、學校、社區(qū)等單位提供服務。如果拆除重建會因為規(guī)劃紅線的退讓，無法在原地建設。要想延長老舊建筑物的使用壽命、增加電梯等功能，需要對其承重柱梁和基礎等進行加固改造，增加建筑物抗震等級。加固改造后的老舊建筑，便既能滿足人們的需要，又可保證改造后的安全使用，進而取得良好社會和經濟效益。

老舊建筑物加固改造過程中，保持建筑物穩(wěn)定性是施工安全的重要保障，因此，必須對建筑物內部和周邊進行全面沉降監(jiān)測。鑒于建筑物內部及周邊結構的復雜性及水準測量觀測的通視要求，水準測量難以保障實時自動化監(jiān)測需求。為了能夠在施工期和運營期準確掌握建筑物的變形情況，及早發(fā)現問題，處理問題，合理指導施工工序，利用傳感器技術、信號采集傳輸技術以及網絡技術和軟件技術，設計與開發(fā)建筑物沉降自動監(jiān)測系統(tǒng)、并實施沉降觀測遠程自動監(jiān)測十分有必要。建筑物沉降遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)將宏觀、微觀相結合，全方位監(jiān)測被測結構的各種關鍵技術指標，記錄時序監(jiān)測數據，分析變形發(fā)展走勢，以便輔助業(yè)主單位及政府進行決策，提升房屋結構變化預測和預報水平，有效防范和遏制不可逆轉的事故發(fā)生。

2 建筑物沉降自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成及工作原理

建筑物沉降自動化監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測區(qū)傳感器、數據采集裝置、監(jiān)測區(qū)信號采集發(fā)射接收及處理裝置、監(jiān)測計算機管理系統(tǒng)、數據庫在線系統(tǒng)、手機在線和監(jiān)測預報預警系統(tǒng)組成。自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以對實時監(jiān)測數據進行處理、分析、預測以及分級報警，從而實現自動化監(jiān)測與管理。

建筑物沉降自動監(jiān)測的工作原理如下：將磁致伸縮式靜力水準儀安裝到各個監(jiān)測點位上，往各靜力水準儀內注入防凍液，采用連通管把它們連接起來，利用磁致伸縮式液位傳感器將沉降監(jiān)測數值實時通過無線數據采集儀發(fā)送到云平臺監(jiān)測管理軟件上，第三方監(jiān)測單位可實時通過監(jiān)測管理軟件查看監(jiān)測數據信息及沉降變形趨勢信息。依托時序的歷史沉降數據，自動化監(jiān)測系統(tǒng)可建立預警分析模型，當發(fā)生異常沉降時，及時自動發(fā)布預警消息到監(jiān)測管理人員，啟動相應應急預案。

2.1 液位傳感器工作原理

根據建筑物沉降觀測規(guī)范和要求，選取符合精度指標、分辨率高的磁致伸縮式靜力水準儀用于沉降觀測。靜力水準儀采用磁致伸縮液位計作為基本傳感器，通過測量電子倉內部發(fā)射部位到浮球的距離，推算出浮球所在液面的液位變化量，進而求取沉降位移量。該液位傳感器是利用磁致伸縮原理研發(fā)出的一種新型高精度液位傳感器，兼有非接觸式、使用壽命長、穩(wěn)定性好、精度高、重復性好等眾多特點。

2.2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)結構原理

系統(tǒng)依據連通器原理，將被測沉降點及基準點用導壓連通管串連，并在連通管內充入導壓液體，通過測量各沉降點與基準點之間的液面變化量，即可計算出各測點的沉降量。本系統(tǒng)對各測點的容器埋設高程有一定要求，各測點容器高程差不應過大。測點容器由上下端蓋及有機玻璃罩組成，上端蓋安裝一個磁致伸縮式液位傳感器，當測點容器相對于基準容器和基準傳感器或任意測點容器之間產生沉降或隆起變化時，整個系統(tǒng)水平面會有所改變。自動化監(jiān)測系統(tǒng)通過接入標準信號測量模塊獲取監(jiān)測數據，再利用計算模塊求得各沉降監(jiān)測點與基準點的相對沉降量。

2.3 靜力水準的觀測計算

圖1 沉降量計算示意圖

各觀測點沉降或抬高的變化量△Hi(mm)可按下列公式計算：

其中，△hj表示靜力水準儀基準點液位變化量(mm)，△hi表示靜力水準儀各觀測點液位變化量(mm)。

靜力水準儀基準點液位變化量△hj(mm)可按下列公式計算：

其中，Kj-靜力水準儀基準點傳感器系數(mm/F)；Fj-靜力水準儀基準點的當前讀數(F)；Foj-靜力水準儀基準點的初始讀數(F)。

靜力水準儀各觀測點液位變化量△hi(mm)可按下列公式計算：

其中，Ki-靜力水準儀觀測點傳感器系數(mm/F)；Foi-靜力水準儀觀測點的初始讀數(F)；Fi-靜力水準儀觀測點的當前讀數(F)。

由此，式（1）亦可按下列公式計算：

注：①計算的物理量符號，正值為液位上升，負值為液位下降。②△Hi為正值表示測點上浮，負值表示測點沉降。③單支傳感器參數如K值等，詳見傳感器說明書。④計算時，請注意統(tǒng)一各參數的數量級、單位。

3 工程實例

某市醫(yī)院建設項目的科學教研、行政綜合樓及北側與門診樓相連的連廊進行建筑隔震加固技術墻柱托換抗震加固施工，為保證建筑物的安全施工，根據國家相關規(guī)范和建筑設計要求，對施工期間的建筑物進行沉降觀測。

3.1 基準點布設

基準點是測定觀測點沉降的基礎。除考慮到基準點穩(wěn)定性、長期性、使用方便的特點之外，基準點必須選擇在建筑物基礎壓力擴散影響之外的區(qū)域，即沉陷區(qū)之外進行布設。結合本工程的具體情況，項目在該市醫(yī)院建設工程施工區(qū)外設置一個基準點，采用一個磁致伸縮靜力水準儀安裝于穩(wěn)定建筑物的柱體上作為監(jiān)測基準點。

3.2 變形監(jiān)測點的設置

為監(jiān)測建筑物變形情況，項目參照設計圖紙確定出具體能反映出建筑物變形特征、便于觀測的監(jiān)測點位置。在實際安裝過程中，沉降監(jiān)測點要符合各施工階段的觀測要求，要特別注意裝修裝飾階段因墻或柱飾面施工而破壞或掩蓋觀測點的情況。設備的安裝應避開如雨水管、窗臺線、暖氣片、暖水管、天然氣管等有礙設標志及觀測的障礙物，設備安裝完畢后施工方應全力配合變形監(jiān)測，并對變形監(jiān)測點加以保護，嚴禁碰撞和人員踩踏，以保持變形監(jiān)測的數據的連續(xù)和穩(wěn)定。

3.3 建筑物沉降成果的分析報告

建筑物的沉降觀測自2021年8月7日6時開始，至2021年11月27日19時，歷時113天，監(jiān)測期次從1期到18期。沉降觀測數據采用磁致伸縮式靜力水準儀自動采集，每天兩次，分別為早七點、晚七點。根據設計要求及甲方意見，以周為數據采集周期進行數據分析。本示例數據分析選取每個觀測周期晚七點所采集的數據進行數據分析。以下數據（表1、表2）為此次監(jiān)測的相關數據及沉降分析圖（圖2、圖3）。

表1 沉降量統(tǒng)計數據表

表2 沉降數據統(tǒng)計表

圖2 沉降過程曲線

圖3 沉降速度曲線

根據沉降數據分析表明，從數據采集11月27日，累計沉降量最大的為4.950mm（CJ10，18期），最大累計沉降速度：0.044mm/d（CJ10，18期），平均累計沉降速度0.030mm/d；最后一期最大沉降量-0.310mm（CJ8，第18期），最后一期最大沉降速度-0.044mm/d（CJ8，第18期），最后一期平均沉降速度-0.015mm/d。根據《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ8-2016）中規(guī)定，建筑工程建筑物最后100天，沉降速率小于0.01-0.04mm/d，可認為建筑物目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

根據沉降過程線組合圖可以明顯地看出兩個沉降階段:第一階段從2021年08月07日至2021年08月20日，設備處于調試階段，圖形變化幅度較大。第二階段從2021年08月21日至11月27日，設備正常觀測中，圖形變化較平緩，基本無明顯變化。從以上監(jiān)測期各數據分析情況可以看出，在設備調試階段，數據變化明顯屬正?，F象，后期數據正常采集階段各監(jiān)測點的沉降速率相對穩(wěn)定、最大沉降在規(guī)范允許范圍內，各項數據指標均符合規(guī)范相關要求，說明該建筑物未出現明顯沉降情況。在工程監(jiān)測中，每一項監(jiān)測項目都應該根據工程的實際情況、周邊環(huán)境和設計書等事先確定相應監(jiān)控報警值，用以判斷支護結構受力情況、位移是否超過允許范圍，進而判斷建筑物安全性，決定是否對設計方案和施工方法進行調整，并采取有效及時的處理措施。因此，實際工作中一定要保證觀測儀器穩(wěn)定性，安裝靜力水準儀時，一定要固定穩(wěn)固，并采用隔熱棉和鐵皮箱進行保護。往靜力水準儀內注入防凍液時一定不能摻水，否則容易產生氣泡，造成觀測數據錯誤。

4 自動化監(jiān)測系統(tǒng)特性分析與適用條件

進行自動化監(jiān)測建筑物，必須在施工前就要把儀器設備提前安裝好，整個系統(tǒng)調試穩(wěn)定大約需要1周左右的時間，觀測期間要派專人每天觀察靜力水準儀和連接管處是否存在氣泡，儀器和連接管是否完好，并進行記錄。實際監(jiān)測工作中，應采用水準測量或三角高程測量配合自動化監(jiān)測系統(tǒng)完成共同監(jiān)測。出現監(jiān)測數據異常時，應加大觀測次數，進行兩組數據對比，配合自動化監(jiān)測系統(tǒng)共同完成數據分析。如果觀測期間發(fā)生數據變化異常，需要立即通知施工單位。

靜力水準儀全自動監(jiān)測也存在一定局限性，靜力水準儀和連接管內的液體會產生粘滯，當內部的連通液高度發(fā)生變化時，需經一段時間的流動才能重新達到平衡狀態(tài)，所以靜力水準儀全自動化監(jiān)測系統(tǒng)不適合高速沉降變化量的監(jiān)測。

5 結束語

實際測量工作中常規(guī)測量手段無法滿足測量需求時，需要結合項目和相關規(guī)范規(guī)程的技術及精度要求，采用新型自動化測量儀器來完成工作。對精度要求高的建筑物改造、地鐵、大壩及隧道等沉降監(jiān)測項目中，可以采用靜力水準儀全自動監(jiān)測系統(tǒng)進行實時遠程觀測，采用恰當的觀測方法和準確、快速的數據處理方法，得到可靠的觀測數據，合理、科學、準確地反映、分析、預測出變形體的整體沉降狀況，根據項目監(jiān)控報警值判斷監(jiān)測點的受力情況、位移是否超過允許的范圍，進而判斷建筑物的安全性，并采取有效及時的處理措施。