灰色預測在高層建筑物沉降監(jiān)測中的應用

羅靖唯

摘 要：高層建筑物在施工中，主體荷載不斷增加會導致建筑物下沉。如果沉降不穩(wěn)定，則會在施工階段造成人員傷亡影響正常的工作計劃，同時也會影響建筑物的安全使用。該文通過工程實例，將灰色系統(tǒng)預測應用在高層建筑物沉降中，并建立兩種非等間隔灰色系統(tǒng)GM（1，1）模型對沉降數(shù)據(jù)進行處理及預測，選出最優(yōu)模型進行分析。

關(guān)鍵詞：灰色預測 GM（1，1） 沉降觀測 數(shù)據(jù)分析

中圖分類號：P258 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（a）-0043-03

隨著中國城市化的進程加快，建筑施工技術(shù)的日益提高，高層建筑物逐年增多，住房壓力增大，對高層建筑物的安全監(jiān)測也成為時下一個熱門問題。較普通多層建筑而言，高層建筑物的沉降觀測更不容忽視。在施工應用中不僅對建筑物進行長期的觀測起到一定作用，同時應用數(shù)學模型對建筑物后期的變形進行預測也發(fā)揮了巨大作用，將高層建筑物沉降觀測與灰色系統(tǒng)預測相結(jié)合，對高層建筑物進行實際應用。

1 非等間隔灰色系統(tǒng)GM（1，1）模型的建立

1.1 非等間隔灰色系統(tǒng)GM（1，1）模型

灰色系統(tǒng)理論是由鄧聚龍教授于1982年創(chuàng)立的，是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息、不確定性問題的新方法，高層建筑物沉降變形影響因素很多，如地質(zhì)條件，樓層荷載等，因此可以視其為一個灰色系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的GM（1，1）模型為基本模板，由于各方面的影響，沉降數(shù)據(jù)的實際獲取時間間隔有所不同，在使用等間隔GM（1，1）的相關(guān)理論之前，需要將非等間隔序列轉(zhuǎn)換為等間隔的序列[1-2]。目前使用較為廣泛的非等間隔GM（1，1）模型有兩種：等間隔轉(zhuǎn)換后套用GM（1，1）模型和對數(shù)據(jù)加權(quán)處理并建立的非等間隔GM（1，1）模型[3]。兩種模型的相關(guān)計算公式請參照相關(guān)文獻[4-6]。

1.2 精度檢驗

2 工程實例

2.1 工程概況

根據(jù)實際工程對12#樓進行沉降觀測。由該工程項目部提供的3個基準點J1、J2、J3分別位于12#西面所臨街道對面，與12#號樓相距200 m，3個基準點間隔60 m呈‘一字形近似南北方向排開。由基準點向施工區(qū)內(nèi)引入4個工作基點分別為G1、G2、G3、G4，圍繞20#號樓形成閉合環(huán)。觀測時間按每棟樓加蓋結(jié)構(gòu)層2層觀測一次直至竣工，竣工后應按前期沉降觀測成果合理安排后期沉降觀測周期直至沉降穩(wěn)定。

2.2 觀測過程

（1）基準點測量。

首先對基準點進行檢驗。進行往返觀測按二級變形測量相關(guān)技術(shù)指標，視線長度小于50 m，前后視距差小于2 m，前后視距累積差不大于3 m，視線高度不小于0.2 m，基輔讀數(shù)差小于0.5 mm，基輔高差之差小于0.7 mm，路線閉合差小于1.5 mm，n為測站數(shù)。再將基準點與工作基點聯(lián)測，監(jiān)測所測高差與以往所測值是否有巨大變化，確定基準點穩(wěn)定可靠后方可進行沉降觀測。

（2）沉降監(jiān)測點的測量。

根據(jù)沉降觀測點總平面布置示意圖的觀測點的分布，由臨近的工作基準開始依次對沉降監(jiān)測點進行觀測。以12#樓為例，由相近的工作基點G3開始對沉降點進行觀測，按樓層數(shù)進行觀測，每加蓋兩層觀測一次，從2012年8月15日進行第一次觀測開始到2014年1月2日結(jié)束共觀測20次。觀測數(shù)據(jù)整理后如表2所示。

3 沉降監(jiān)測成果分析

3.1 下沉量分析

每次觀測完成獲取數(shù)據(jù)之后對數(shù)據(jù)進行整理，計算出沉降觀測點的高程，本次下沉量以及累計下沉量。將所有觀測點數(shù)據(jù)整理后總結(jié)其下降趨勢，看是否與正常變化趨勢相一致，對有疑點或變化數(shù)值較大的數(shù)據(jù)進行復測，根據(jù)沉降監(jiān)測成果表繪制出沉降監(jiān)測下沉曲線圖（圖1）。

從沉降數(shù)據(jù)成果表（表2）以及沉降曲線圖（圖1）可以看出，所有監(jiān)測點都處于下沉狀態(tài)，其中12-2號點下沉量最大為-4.26 mm，12-6號點下沉量最小為-3.56 mm，相差0.7 mm。最大下沉點和最小下沉點相差數(shù)值不是很大，建筑物下降比較平穩(wěn)。將當期樓層數(shù)對當期沉降量進行參照，在建筑物建設(shè)階段沉降變化較大，特別是在加蓋17層之后，由于荷載量不斷增加，沉降數(shù)值較大。封頂之后沉降趨于緩和但仍有沉降發(fā)生。

3.2 下沉速度分析

在施工期間，由于荷載量不斷增加，各階段的下沉速度也不相同，各觀測點雖然下沉量不同，但差值都不大，根據(jù)上面成果表可以推算出所有觀測點中，有點12-2與12-3兩個觀測點的平均最大日下沉速度為0.008 7 mm/d，其余點平均日下沉速度都在0.005 mm/d。在5～15層之間，沉降數(shù)值有明顯變化，期間的下沉速率也達到最大。各點的下沉差異隨之減小。封頂之后對建筑物仍進行了六次觀測，沉降趨于平穩(wěn)。根據(jù)《規(guī)程》要求，沉降速度在0.01～0.04 mm/d，可認為沉降基本趨于穩(wěn)定[8]。

4 沉降預測

對觀測數(shù)據(jù)進行處理，并根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)對建筑物未來時期內(nèi)的沉降狀況作出預計，是沉降觀測工作中必不可少的部分，直接關(guān)系到建筑物后期的安全使用。根據(jù)沉降數(shù)據(jù)可知對建筑物封頂后半年內(nèi)進行了兩次觀測，兩次沉降都比較均勻。現(xiàn)采用2種非等間隔模型GM（1，1）進行分析。

4.1 模型預測

此次采用12-2號點最后6期觀測數(shù)據(jù)，對觀測數(shù)據(jù)建立非等間隔GM（1，1）模型并解算得到非等間隔模型及加權(quán)處理模型。求得表3數(shù)據(jù)，并繪制數(shù)據(jù)對比圖2。

4.2 模型檢驗與對比分析

由原始觀測數(shù)據(jù)求得原始數(shù)據(jù)的均值=4.09 mm及方差=0.02 mm2，進一步求得模型殘差平均值及方差，對比精度檢驗等級表分得到兩模型的等級，如表4。

根據(jù)GM（1，1）模型的應用范圍，對于以上兩種模型的a值大于-0.3，所以此模型適用中長期階段，對沉降觀測完成5個月進行預測，得12-2號點還會繼續(xù)下降0.24 mm，下沉速度小于施工期間下沉速度，預測表明建筑物處于穩(wěn)定階段。

等時距變換的非等間隔GM（1，1）模型在生成各時段的差值序列時，雖然將間隔時段做了調(diào)整，但數(shù)據(jù)的特征總體上沒有變化，因此整體的沉降趨勢也保持不變；而加權(quán)處理的非等間隔GM（1，1）模型，在的波動大時，甚至會造成數(shù)據(jù)的失真[9-10]。根據(jù)分析及精度結(jié)果，在精度和預測準確度方面，等時距變換的非等間隔GM（1，1）模型好于加權(quán)處理的非等間隔GM（1，1）模型。

5 結(jié)語

（1）此次沉降觀測提供的數(shù)據(jù)準確，為項目部在施工期間提供了正確的參考依據(jù)和施工建議，確保工程建設(shè)安全有序地進行。同時證明此次沉降觀測的方法過程是正確可靠的。（2）在停止監(jiān)測的情況下通過灰色系統(tǒng)理論預測建筑物在未來幾個月內(nèi)的沉降變化，為建筑物在后期的管理與安全使用提供了有力的數(shù)據(jù)，預測表明，建筑物在封頂之后一年左右（即觀測完畢后5個月）建筑物基本穩(wěn)定。（3）灰色系統(tǒng)理論預測適用于建筑物的沉降數(shù)據(jù)的預測，且采用等數(shù)據(jù)變換的非等間隔GM（1，1）模型要優(yōu)于加權(quán)處理的非等間隔GM（1，1）模型。前者能更好地預測建筑物的沉降發(fā)展趨勢。灰色系統(tǒng)理論在沉降數(shù)據(jù)的處理方面具有廣泛的應用前景。

參考文獻

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