雷帆

（山東建筑大學(xué)鑒定檢測中心有限公司，濟(jì)南 250013）

1 引言

在城市化建設(shè)持續(xù)深入的當(dāng)下，為提高城市空間利用率，高層建筑數(shù)量較以往有所增加。高層建筑往往耗資巨大且施工復(fù)雜，同時，易受環(huán)境因素影響，一旦出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形，將有較大概率形成建筑結(jié)構(gòu)裂縫或承載力失效，嚴(yán)重影響房屋建筑的安全性和宜居性?；诖?，需對高層建筑結(jié)構(gòu)實施變形監(jiān)測，對施工過程進(jìn)行指導(dǎo)，使工程施工更安全可靠。

變形監(jiān)測對測量、計算等要求較高，加之相關(guān)技術(shù)發(fā)展時間較短，因此，針對高層建筑結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的研究相對較少，直到20 世紀(jì)中后期，國外土木工程領(lǐng)域才開始使用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，并將其應(yīng)用在橋梁監(jiān)測中。我國相關(guān)技術(shù)研究起步較晚，早期建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測主要依賴人工完成，由經(jīng)驗豐富的工程師負(fù)責(zé)。20 世紀(jì)末開始對相關(guān)技術(shù)展開研究，目前，研究已取得較為矚目的成績，如一些學(xué)者針對工程監(jiān)測體系加以優(yōu)化，將監(jiān)測、施工和管理相結(jié)合，構(gòu)建統(tǒng)一的安全管理系統(tǒng)，并對施工數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，有效提高了工程建設(shè)質(zhì)量。

本文結(jié)合實際情況，對兩種建筑結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測情況展開分析，指出在監(jiān)測過程中充分利用信息技術(shù)，不僅能對建筑結(jié)構(gòu)變形加以測量，同時能對結(jié)構(gòu)的沉降情況展開系統(tǒng)、深入的分析，使監(jiān)測數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、有效。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)檢測鑒定中變形監(jiān)測技術(shù)

為進(jìn)一步提升房屋建筑結(jié)構(gòu)檢測鑒定水平，實踐中應(yīng)持續(xù)探索與創(chuàng)新，并對先進(jìn)技術(shù)有效運(yùn)用。

2.1 智能型全站儀

高精度智能型全站儀能測量建筑結(jié)構(gòu)的水平及垂直距離、高差等相關(guān)數(shù)據(jù)，通常只需安裝一次便能完成對整體建筑結(jié)構(gòu)多種數(shù)據(jù)的監(jiān)測工作[1]。其工作原理如下：首先是測角。全站儀通過內(nèi)置高精度角度傳感器測量目標(biāo)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間水平角、 垂直角的變化。用可見光或紅外線激光器作為輔助引導(dǎo)，通過光電傳感器接收反射光，測量光束的角度變化，確定目標(biāo)點(diǎn)、儀器之間的角度差，從而實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)測量。其次是測距。全站儀利用激光技術(shù)或電磁波技術(shù)測量距離。激光測距技術(shù)中，先通過全站儀向目標(biāo)點(diǎn)發(fā)射激光束，再通過測量激光束從發(fā)射到接收所需的時間，計算與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離。電磁波測距技術(shù)中，先通過全站儀發(fā)送電磁波信號，測量接收信號所需的時間，然后將接收時間轉(zhuǎn)換為距離，通過測量儀器發(fā)射和接收信號的時間差，計算目標(biāo)點(diǎn)與儀器之間的距離。最后是數(shù)據(jù)處理。全站儀內(nèi)置計算機(jī)系統(tǒng)具備實時處理、分析測量數(shù)據(jù)的功能，測量過程中，儀器會自動采集并保存觀測數(shù)據(jù)，包括角度、距離和高程等，根據(jù)要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和校正，生成對應(yīng)的測量結(jié)果。用戶可以通過觸摸屏或其他操作界面查看、導(dǎo)出測量數(shù)據(jù)，并完成進(jìn)一步的分析。

進(jìn)行變形分析時，對智能型全站儀設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)展開對比與分析，通過坐標(biāo)差得到監(jiān)測位置的水平位移情況，從而有效判斷結(jié)構(gòu)變形情況。通過以下公式計算監(jiān)測點(diǎn)變形后的坐標(biāo)：

式中，xp、yp為監(jiān)測點(diǎn)變形前的坐標(biāo)；x0和y0分別為監(jiān)測點(diǎn)原始狀態(tài)下的坐標(biāo)；s為監(jiān)測點(diǎn)變形后與原點(diǎn)之間的距離，mm；α和β 分別為變形監(jiān)測點(diǎn)的豎直角和水平角讀數(shù)，（°）。

2.2 GPS 建筑物監(jiān)測

GPS 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠通過載波相位雙差數(shù)學(xué)模型解決衛(wèi)星信息接收中產(chǎn)生的誤差，從而提高數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性[2]。在該技術(shù)應(yīng)用過程中，應(yīng)構(gòu)建相應(yīng)的觀測站與觀測點(diǎn)，并依照各觀測站的基準(zhǔn)線構(gòu)建坐標(biāo)，結(jié)合不同觀測點(diǎn)坐標(biāo)加以整合，以減少測量過程中的誤差。該技術(shù)在測量過程中的精度見表1。

表1 靜態(tài)測量下GPS 測量精度

使用GPS 監(jiān)測房屋建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)包括：一是高程測量精度可達(dá)5 mm±1 km×10-6。二是整體觀測時間較短，通常能夠在30 min 內(nèi)完成，短距離定位監(jiān)測時，僅需15～20 min。三是監(jiān)測過程中，可以借助測得的數(shù)據(jù)，在計算機(jī)中構(gòu)建相應(yīng)的三維坐標(biāo)，從而使后續(xù)的計算分析效率明顯提升。

2.3 三維激光掃描

1950 年，三維激光掃描技術(shù)正式應(yīng)用于測繪領(lǐng)域，該技術(shù)能最大限度地還原整體建筑的全方位數(shù)據(jù)，并結(jié)合計算機(jī)構(gòu)建建筑的3D 模型，便于監(jiān)測人員展開后續(xù)的模擬與分析，從而使工程測量監(jiān)控效率得到明顯提升。該技術(shù)的數(shù)據(jù)采集效率相對較高，在建筑結(jié)構(gòu)變形測量過程中，能快速處理測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常情況時，第一時間生成該區(qū)域的不同方向截圖，以便進(jìn)行深度分析及監(jiān)測，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)建筑變形區(qū)域，提高實際變形監(jiān)測效果。

3 房屋建筑結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測應(yīng)用

以某市超高層建筑為例，該建筑總占地面積為75 512 m2，總建筑面積為272 982 m2，整體建筑高度為530 m，地上結(jié)構(gòu)共有100 層，地下結(jié)構(gòu)3 層。建筑集多種功能于一體，其中，6層、44 層、45 層、71 層、72 層為設(shè)備層和避難層。建筑的主要施工面包括鋼結(jié)構(gòu)面、 豎向墻體結(jié)構(gòu)與核心筒結(jié)構(gòu)。在施工過程中，由于要先構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)與核心筒結(jié)構(gòu)，需保障其垂直度符合標(biāo)準(zhǔn)，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形，影響整體工程建設(shè)質(zhì)量。

3.1 測量精度控制

結(jié)合工程情況，為確保工程建筑結(jié)構(gòu)變形測量結(jié)果具有實際意義，在實際測量作業(yè)過程中，應(yīng)加強(qiáng)精度控制[3]。

1）合理選擇測量儀器。本工程采用GPS 測量技術(shù)、智能型全站儀測量技術(shù)和激光技術(shù)，通過3 種方法的有機(jī)結(jié)合，取長補(bǔ)短，全面提高對建筑結(jié)構(gòu)變形的識別效果。準(zhǔn)備儀器設(shè)備時，應(yīng)結(jié)合不同技術(shù)使用的設(shè)備情況，明確不同設(shè)備的型號、數(shù)量和精度要求，見表2。

表2 測量設(shè)備信息

2）優(yōu)化測量總體布局。測量前應(yīng)對工程的測量控制網(wǎng)加以劃分，本工程使用三級布網(wǎng)的方式，以提高相關(guān)技術(shù)的實際測量精準(zhǔn)度。在選擇網(wǎng)點(diǎn)時，為確保衛(wèi)星對其展開持續(xù)性監(jiān)測，盡量避免建筑物受到環(huán)境遮擋，確保衛(wèi)星高度保持在15°左右。設(shè)置觀測站時，應(yīng)確保200 m 范圍內(nèi)不存在強(qiáng)烈電磁波干擾源。觀測過程應(yīng)符合表3 要求。

表3 GPS 測量要求

3.2 建筑測量方法

由于建筑結(jié)構(gòu)為核心筒結(jié)構(gòu)，因此，在變形測量過程中應(yīng)對建筑的核心筒垂直度進(jìn)行測量監(jiān)控，一旦核心筒的垂直度出現(xiàn)偏差，說明建筑結(jié)構(gòu)存在變形情況，需盡快處理。以全站儀測量為例，在使用智能型全站儀測量前，先要確定參考線?？茖W(xué)設(shè)置參考線有利于測量數(shù)據(jù)的整合，明確測量前后不同視點(diǎn)之間的坐標(biāo)關(guān)系，從而使平面直角坐標(biāo)系的構(gòu)建精度得以提高。設(shè)置參考線后，測量人員可以自由設(shè)站，將測量的數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)系統(tǒng)，構(gòu)建明確的坐標(biāo)系。測量并計算每層核心筒結(jié)構(gòu)的垂直度，統(tǒng)計并分析結(jié)果，得到最大的偏差層以及偏差值數(shù)據(jù)，并將其與相關(guān)工程建筑施工規(guī)范對比，分析結(jié)果是否符合建設(shè)要求。

3.3 建筑變形

定期對建筑結(jié)構(gòu)展開測量，整合建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)并上傳至計算機(jī)中，對建筑監(jiān)測數(shù)據(jù)加以分析，構(gòu)建相應(yīng)的監(jiān)測分析模型。常見的監(jiān)測模型包括：回歸分析模型、時間序列模型、卡曼濾波模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色系統(tǒng)分析模型。

以灰色系統(tǒng)分析模型為例，該模型能對建筑地上部分的變形情況和地下結(jié)構(gòu)的沉降情況進(jìn)行全面的分析預(yù)測。其原理是利用監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建灰色微分預(yù)測模型體系，在此基礎(chǔ)上，對建筑發(fā)展規(guī)律及后續(xù)發(fā)展情況進(jìn)行合理預(yù)測和分析。模型所包含數(shù)據(jù)信息會在監(jiān)測過程中逐漸完善，相應(yīng)的，模型預(yù)測準(zhǔn)確率也會得到提升。使用模型時，不僅要將原始監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建為數(shù)據(jù)生成包（原始數(shù)據(jù)見表4），同時，還要完善數(shù)據(jù)運(yùn)算過程和模型精度，最后根據(jù)模型完成建筑結(jié)構(gòu)變形情況的分析工作。

表4 建筑監(jiān)測點(diǎn)J01 不同時期的監(jiān)測數(shù)據(jù)

使用MATLAB 軟件的灰色GM（1,1）理論對數(shù)據(jù)加以分析，形成相應(yīng)的運(yùn)行系統(tǒng)，對建筑不同監(jiān)測期數(shù)下的監(jiān)測值進(jìn)行預(yù)測，與真實值對比，形成相應(yīng)的對比圖，如圖1 所示。

圖1 J01 點(diǎn)的實測值與預(yù)測值對比圖

分析圖1 可知，預(yù)測值與真實值之間的差距不大，這說明灰色預(yù)測模型的構(gòu)建具有較強(qiáng)的參考性。實際工作中，可以通過調(diào)整預(yù)測模型的精度等級，提高對數(shù)據(jù)的預(yù)測和分析效果，同時降低誤差影響，使建筑變形監(jiān)測效率達(dá)到理想水平。

4 結(jié)語

綜上所述，以某超高層建筑為例，通過不同方式對目標(biāo)建筑物結(jié)構(gòu)的垂直度展開分析，得出了以下結(jié)論：

1）智能型全站儀技術(shù)、GPS 測量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)在實際的測量中均有良好的使用效果；

2）結(jié)合項目建設(shè)要求，對施工現(xiàn)場進(jìn)行布網(wǎng)，并采取多種技術(shù)綜合測量的方法，能有效提高實際的測量效果；

3）建筑結(jié)構(gòu)變形測量時，可通過對核心筒的測量和預(yù)測，了解當(dāng)前核心筒的垂直度，并對建筑結(jié)構(gòu)變形情況加以預(yù)測。