基于GIS的建筑物沉降觀測數(shù)據(jù)的三維分析

劉勇，余代俊

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川成都 610059)

1 引言

隨著社會的不斷進(jìn)步，物質(zhì)文明的極大提高及建筑設(shè)計施工技術(shù)水平的成熟完善，同時也因土地資源日漸減少與人口增長之間日益突出的矛盾，高層及超高層建筑物越來越多。工程建筑物的興建，改變了地面原有的狀態(tài)，并且對于建筑物的地基施加了一定的壓力，這就必然會引起地基及周圍地層的變形。為了保證建構(gòu)筑物的正常使用壽命和建筑物的安全性，并為以后的勘察設(shè)計施工提供可靠的資料及相應(yīng)的沉降參數(shù)，建筑物沉降觀測的必要性和重要性愈加明顯。沉降觀測實測資料是反映地基基礎(chǔ)工程質(zhì)量的重要依據(jù)。而以往沉降監(jiān)測結(jié)果多用數(shù)據(jù)和圖表，本文通過成都來福士廣場為例，以GIS軟件為平臺，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析，實現(xiàn)沉降數(shù)據(jù)的三維可視化來直觀的表達(dá)建筑物的變形情況。可以更好指導(dǎo)工程施工，為決策提供有力的支持。

2 來福士廣場沉降監(jiān)測工程概況

成都來福士廣場工程位于成都市人民南路與一環(huán)路交叉口的東南角，由5棟塔樓、地上3層中心裙房及4層地下室組成，總建筑面積約為31萬平方米。施工期間監(jiān)測內(nèi)容主要包括兩方面:①地上主樓以及地下底板的沉降監(jiān)測。②后澆帶兩側(cè)的差異沉降監(jiān)測。建筑物樓層不同可能存在不均勻沉降，并存在后澆帶問題，本文主要用地下觀測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行整理和分析。

2.1 沉降觀測點的布設(shè)

觀測點的布設(shè)是沉降觀測的基礎(chǔ)，根據(jù)《建筑變形測量規(guī)程》的技術(shù)要求來布設(shè)基準(zhǔn)點和沉降觀測點。基準(zhǔn)點應(yīng)選設(shè)在變形影響范圍以外且穩(wěn)定、易于長期保存的地方。為此，在該樓群下沉影響區(qū)域以外布設(shè)了5個基準(zhǔn)點(BM1～BM5)，并構(gòu)成基準(zhǔn)網(wǎng)并采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行往返觀測，所得的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過平差處理后作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。沉降監(jiān)測測點的布置應(yīng)以能全面反映建筑物地基變形特征并結(jié)合地質(zhì)情況及建筑結(jié)構(gòu)特點確定［1］。且根據(jù)工程設(shè)計圖紙，在最下層地下室的筏板表面或墻柱根部共布設(shè)119個沉降觀測點(J1～J119)，根據(jù)建筑物的布局和施工進(jìn)度將沉降觀測點組成若干閉合環(huán)以便進(jìn)行測量。沉降監(jiān)測點布設(shè)如圖1所示。

圖1 沉降觀測點布置圖

2.2 觀測周期

(1)首先對基準(zhǔn)點的聯(lián)測，判定其穩(wěn)定后作為工程的基準(zhǔn)點長期在工地觀察使用。根據(jù)工程進(jìn)度，每半月或一個月聯(lián)測一次。

(2)荷載變化期間:①建筑物每增加兩層，觀測一次，直至主體封頂。②回填土及結(jié)構(gòu)安裝等增加較大荷載前后應(yīng)進(jìn)行觀測。③地面荷載突然增減、基礎(chǔ)四周大量積水、長時間連續(xù)降雨等情況，增加觀測次數(shù)。④出現(xiàn)不均勻沉降時根據(jù)情況增加觀測次數(shù)。

(3)結(jié)構(gòu)封頂及工程竣工后:建筑物封頂竣工后，一般每月觀測一次，如果沉降速度減緩，改為2月～3月觀測一次，直至沉降穩(wěn)定為止。

3 基于GIS的沉降數(shù)據(jù)分析與可視化

對沉降數(shù)據(jù)的可視化分析主要體現(xiàn)在生成沉降曲線圖和生成沉降三維模擬圖，本文主要利用ArcMap和3D分析模塊來實現(xiàn)效果的表達(dá)。ArcGIS 3D Analyst能夠?qū)Ρ砻鏀?shù)據(jù)進(jìn)行高效率分析和處理，能為三維可視化、三維分析以及表面生成提供高級工具的擴(kuò)展模塊，生成的三維模擬能顯示出數(shù)據(jù)的格局和趨勢，可以從不同的視點觀察表面、查詢表面，確定從表面上某一點觀察時其他地物的可見性［2］。數(shù)據(jù)處理和分析過程如下:

3.1 沉降監(jiān)測結(jié)果三維模型的建立

(1)打開ArcMap，建立polyline和Point數(shù)據(jù)層，畫出監(jiān)測點邊框，如圖2所示。

圖2 邊框數(shù)據(jù)層和點數(shù)據(jù)層

(2)打開 ArcMap，［Tools］－［Add XY］－［Data］－［Data Export Data］，生成沉降監(jiān)測點。

(3)運行［3D Analyst］－［Interpolate to raster］－［Inverse Distance Weighted］，利用內(nèi)插點生成 DEM。生成的DEM如3圖所示:

(4)打開［ArcScene］，將監(jiān)測點和生成的DEM添加到視窗內(nèi)，［Layer Properties］－［Base H eights］，改變相應(yīng)屬性O(shè)btain heights for layer From surface Unit Conversion來設(shè)置三維模型的參數(shù)。

圖3 累計沉降DEM

3.2 沉降監(jiān)測結(jié)果三維模擬成果

數(shù)字高程模型是描述地表起伏形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)模型，由地面規(guī)則格網(wǎng)點的高程值構(gòu)成的矩陣，形成柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集［3］。它是數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model，DTM)的一個分支，是一種對空間起伏變化的連續(xù)表示方法.數(shù)字高程模型DEM是表示區(qū)域上的三維向量有限序列，用函數(shù)的形式描述為:

其中 Xi，Yi為平面坐標(biāo)，Zi為(Xi，Yi)的對應(yīng)高程［4］。

建立DEM是通過內(nèi)插高程點生成的，即根據(jù)所采集的不規(guī)則排列的原始數(shù)據(jù)高程求出待定點的高程。GIS常用的插值方法，有距離加權(quán)倒數(shù)(IDW)法、自然近鄰法、反距離權(quán)重、樣條插值和克里格法等方法［5］。任意一種方法都是基于原始表面起伏變化的連續(xù)光滑性，與臨近的數(shù)據(jù)點有很大的關(guān)系，所以內(nèi)插的中心問題是臨域的確定和選擇適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)。而距離倒數(shù)法的特征之一是要在格網(wǎng)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生圍繞觀測點位置的圖層，可以很容易看出各個觀測點位的數(shù)據(jù)變化情況，基于此本文采用距離加權(quán)倒數(shù)法來建立DEM。其方法是一種局部插值方法，它假設(shè)未知值的點受較近控制點的影響比較遠(yuǎn)控制點的影響更大，影響的程度或權(quán)重用點距離乘方的倒數(shù)表示。其公式如下:

式中Z是估計值，Zi為控制點i的Z值;Di是控制點i與點0的距離，K為制定的冪［6］。ArcGIS中K的默認(rèn)值為2。

根據(jù)沉降變形專題圖生成的沉降結(jié)果三維模擬如圖4所示。初始狀態(tài)建筑物沒有沉降，平面格網(wǎng)圖呈水平狀態(tài)，高程值Zi都相等。沉降后各個監(jiān)測點的沉降幅度不同，形成沉降面的起伏變化。沉降量越小的點，高程越大，距初始面的距離越小，其水平坐標(biāo)(Xi，Yi)都沒有變化。三維模擬圖可一目了然的看出各監(jiān)測點的沉降趨勢，結(jié)合沉降監(jiān)測點布置圖(圖1)分析，J66、J91、J102、J112 區(qū)域無沉降，J14、J15、J21、J57、J58區(qū)域沉降較大，其他區(qū)域各有不同沉降。

圖4 累計沉降三維模擬圖

在ArcGIS中，可以將多次觀測的沉降數(shù)據(jù)生成三維模擬進(jìn)行疊加對比，根據(jù)不同時期的三維模擬圖變化情況，可以判斷沉降是穩(wěn)定還是繼續(xù)變化。見圖5，相同時間間隔(大致為1個月)的4個三維模擬圖沉降面進(jìn)行疊加，鑒于各個塔樓的樓層和工程進(jìn)度的不同，從圖中可以看出除少部分區(qū)域沉降變化較大以外，總體上沉降面變化趨勢是沉降量漸小，推斷在臨近工程封頂前沉降總體上是趨于穩(wěn)定的。

圖5 多次沉降監(jiān)測結(jié)果三維模擬圖

3.3 生成建筑物沉降等值線圖

(1)建立步驟

在生成的DEM基礎(chǔ)上提取等值線并賦予沉降值，過程如下:［3Danalyst］－［Surface Analysis］－［Contour］。

(2)等值線圖的顯示和分析

建筑物的等值線圖反映了平面上觀測點各個區(qū)域的變化，更好的呈現(xiàn)建筑的總體和局部沉降變化狀態(tài)，和生成的三維模擬對比如圖6所示。

圖6 建筑物沉降等值線圖

4 結(jié)語

鑒于以往沉降結(jié)果多是數(shù)據(jù)和圖表的形式表現(xiàn)，分析結(jié)果較單一。本文利用ArcGIS軟件的三維分析和空間分析模塊，生成觀測數(shù)據(jù)的DEM，使沉降數(shù)據(jù)實現(xiàn)三維模擬和沉降曲線圖，實現(xiàn)沉降數(shù)據(jù)的可視化。對決策者和施工人員來說更便于直觀和立體的來分析和利用沉降信息，為他們提供有利的參考依據(jù)。

［1］JGJB－2007.建筑物變形測量規(guī)范［S］.

［2］Steve Bratt，Bob Booth.ArcGIS三維分析使用手冊 1［PDF］.

［3］湯國安.數(shù)字高程模型教程［M］.北京:科學(xué)出版社，2010

［4］李志林，朱慶.數(shù)字高程模型［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2001

［5］趙海衛(wèi)，王芹，劉照永等.基于ArcGIS的建筑物沉降觀測數(shù)據(jù)分析及三維模擬［J］.城市勘測，2010(05):47～50

［6］閻冬.基于GIS的建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的三維可視化分析［J］.城市勘測，2007(01):84～86