超高層建筑動態特性監測方法研究

王天應，徐亞明

(1. 廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060； 2. 武漢大學，湖北 武漢 430079)

超高層建筑動態特性監測方法研究

王天應1，徐亞明2

(1. 廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060； 2. 武漢大學，湖北 武漢 430079)

圍繞超高層建筑動態特性監測方法展開研究，重點解決超高層建筑施工控制網豎向傳遞傾斜偏差改正這一關鍵性技術難題。結果表明，數字正垂儀法、CCD法、傾斜儀法均可準確獲取超高層建筑的周日擺動規律，為投點時機選擇和投點糾偏提供決策支持。

超高層建筑；動態特性監測；傾斜偏差改正；數字正垂儀；CCD；傾斜儀

超高層建筑是人類現代社會中偉大的人造景觀，是一個國家、城市在經濟實力、科技水平和生產力等多方面強大的標志，同時也是現代化城市重要的表現元素之一。近年來，國內涌現了一大批以廣州西塔、廣州東塔、廣州電視觀光塔等為代表的超高地標性建筑。

超高層建筑施工測量難度較大，屬于特高等級精密工程測量范疇，傳統的基于全站儀的施工測量方法因仰角太大無法滿足其施工精度要求。此外，主要表現在兩點：一是依據相關規程其全高垂直度允許偏差不得超過H/1000且≤30 mm[1]；二是塔體受日照、風、施工震動等多因素影響，處于運動狀態，這種動態特性直接影響到激光投點的準確性[2]。施工部門的現行做法是將施工控制網從首層分段向上傳遞：設置轉換層，每樓層預留孔形成通道，借助激光垂準儀向上投點，將首層的施工控制網(包括內控網和外控網)在轉換層之間分段進行傳遞引測，從而進行分段控制。上述做法的前提是塔體處于靜止狀態，當塔體發生擺動而存在傾斜時，利用激光垂準儀向上投點，將產生一定程度的傾斜偏差。

本文圍繞超高層建筑動態特性監測方法展開研究，重點解決超高層建筑施工控制網豎向傳遞傾斜偏差改正這一關鍵性技術難題。

1 動態特性監測方法

鑒于目前激光垂準儀投點時對塔體擺動影響關注不夠，塔體周日擺動監測方法內外業一體化、自動化采集及實時表達等方面有待提高的現狀，本文針對數字正垂儀法、CCD法、傾斜儀法展開了研究。

1.1 數字正垂儀法

數字正垂儀由武漢大學研制(專利號為ZL97209451.2)，精度指標：①測量范圍：Y方向80 mm，X方向120 mm；②測量精度：0.1 mm；③分辨率：0.025 mm；④采集速率：100次/s，通常用于大壩安全監測[3]。如圖1所示，數字正垂儀監測系統由正垂線儀(數據采集系統)、數據傳輸系統、數據處理系統組成，正垂線儀由重錘、傳感器的線圈和柵格板組成，線圈安裝在重錘的下方，柵格板安置在觀測點上。

圖1 數字正垂儀系統

由于系統有很高的采樣速率，在很短的時間內，即可獲得垂線的觀測數據。在短時間內認為垂線的擺動是一個非衰減的自由擺，它的擺動方程為

xi=Acos(2πti/T+θ)+X

(1)

式中，xi為線圈中心相對于二維柵格的平面位置；A為垂線的擺幅；T為垂線的擺動周期；ti為時間；θ為垂線的擺動初相角；X為垂線的擺動平衡值。在方程中有4個未知參數(A，T，θ，X)，只要觀測4組數據(xi，ti)就可求解出唯一的解，采用最小二乘平差方法可求得多組觀測值下的參數最大或然值，從而得到精確的垂線中心位置。

根據數字正垂儀系統的特點，可利用超高層建筑樓層預留孔作為其安裝通道，同時采用特殊手段屏蔽施工因素及風力對垂線的影響，獲取塔體周日擺動規律。

1.2 CCD法

CCD法主要利用樓層預留孔形成傳輸通道，垂準儀向上垂直發射激光束，采用CCD相機拍攝激光準直儀發射出來的激光光斑，數據采集卡對其進行采集、緩存，并通過USB 2.0接口將視頻流數據輸送到計算機，基于“自適應閾值激光光斑中心定位算法”[4]，如圖2所示，軟件系統實時對數據進行處理、運算，獲取激光束中心實時位置。

CCD系統主要由硬件和軟件兩部分構成，硬件部分包括垂準儀、接收靶及工業相機等(如圖3所示)，軟件部分包含了光環中心自動提取軟件與數據處理軟件。

1.3 傾斜儀法

傾斜儀法通過監測傾斜角變化反映超高層建筑物的周日變化規律。傾斜儀監測系統安裝需保持上下兩臺傾斜儀安裝方位一致，安裝更為簡便。

傾斜儀監測原理如圖4所示，其中，S為塔體偏移的相對位移，ΔH為檢測塔體的相對高度，H1和H2分別為檢測點的高度，ΔH可以分為n段(n為傾斜儀個數)，假設每段的長為Li，而且每段Li所對應的傾斜角度為dθi(i=1,2,…,n)，則所檢測塔體的傾斜位移為

S=L1×dθ1+L2×dθ2+…+Li×dθi+…+Ln×dθn(i

(2)

圖2 自適應閾值激光光斑中心定位算法

圖3 CCD系統組成及精度指標

2 實例與結果分析

2.1 數字正垂儀法在廣州西塔施工監測中的應用

本文首次將數字正垂儀法應用于廣州西塔(地上103層，430 m，廣州市地標性建筑)的施工監測中，在主塔樓轉換層50—70層(高度約94.5 m)之間安裝數字正垂儀系統，為了屏蔽風力及施工因素的影響，在轉換層的預留孔之間安裝防風管，然后進行正垂儀的安裝。數據采樣率設置為1 Hz，采集數據時間為24 h 10 min，監測數據處理結果如圖5所示。

圖4 傾斜儀監測原理

圖5 數字正垂儀法獲得的數據處理結果

從監測結果分析可得：

(1) 70層相對于50層東西方向最大擺幅為2.1 mm，南北方向最大擺幅為2.5 mm，點位最大擺幅為3.2 mm。根據施工方要求和超高層建筑施工放樣精度要求，樓體傾斜偏差小于4 mm，不需要投點改正。

(2) 建筑物夜晚擺動小于白天，建議投點選擇在風力較小的夜間進行，避開風力、日照和溫度等因素對投點的影響。

2.2 CCD法和傾斜儀法在廣州東塔施工監測中的 應用

本文首次將CCD法應用于廣州東塔(地上111層，530 m，廣州市地標性建筑)的施工監測中，在主塔樓轉換層57—89層之間(高差約為134.2 m)安裝CCD系統，將垂準儀安置在57層，精密接收儀安置在89層，調整其與垂準儀光斑的相對位置，使得光斑落在接收靶中間區域較好，整平精密接收儀。數據采樣率設置為1 Hz，采集數據時間為19 h 10 min。數據處理主要包括數據預處理、數據擬合等內容，監測數據處理結果如圖6所示。

圖6 CCD法獲得的數據處理結果

為了驗證CCD法，采用兩臺Nivel 210傾斜儀，自主研發數據處理軟件，在相關環境安裝在廣州東塔57層、89層同一結構柱上，采樣頻率和觀測時間與CCD法均相同，監測數據處理結果如圖7所示。

圖7 傾斜儀法獲得的數據處理結果

從監測結果分析可得：

(1) CCD法的基本原理為CCD相機拍攝激光準直儀發射出來的激光光斑，對激光光斑圖像進行處理，最終得到超高層建筑物的周日變形規律，傾斜儀法通過監測傾斜角變化反映超高層建筑物的周日變形規律，CCD系統與傾斜儀監測系統在塔內位置相同，數據采樣率都為1 Hz，采集數據時間相同。

(2) 由CCD法監測結果分析可知，塔體(89層相對于57層)在東西方向相對中心位置最大偏移量約為2.06 mm，在南北方向相對中心位置最大偏移量約為1.29 mm。由傾斜儀法監測結果分析可知，塔體(89層相對于57層)在東西方向相對中心位置最大偏移量約為0.98 mm,在南北方向相對中心位置最大偏移量約為0.82 mm。兩種方法點位變化趨勢與變化量是基本吻合的，由此可以判斷這兩種方法均可獲取實時準確的塔體周日變化規律。

3 結 論

數字正垂儀法、CCD法、傾斜儀法均可準確獲取塔體的周日擺動規律，為投點時機選擇和投點糾偏提供決策支持，有效解決了超高層建筑施工控制網豎向傳遞傾斜偏差改正這一關鍵性技術難題，具有一定的科學意義和較重大的工程意義。

(1) 將數字正垂儀法創新性地應用于超高層建筑施工監測項目中，拓寬了其應用領域。

(2) CCD法基于“自適應閾值激光光斑中心定位方法”，融合了傳感器技術、圖像識別技術及計算機網絡技術，可認為是數字正垂儀的進一步發展。該系統用激光束代替鋼絲，通過激光的發射、成像、識別來代替重錘的擺動感應，因此只要保證激光束的傳輸路徑通暢(只要預留孔即可)而不用安裝防風管，從而更加簡便；與傾斜儀方法相比，CCD法更加穩定可靠，可有效消除風震、施工震動等短周期因素的影響。

(3) 通過與CCD法的比較研究，傾斜儀法可獲取實時準確的塔體周日變化規律，并且不需要依靠激光傳輸路徑(如預留孔、電梯井)進行安裝，安裝方法更為簡便。

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Research on Dynamic Characteristic Monitoring Methods for Super High-rise Building

WANG Tianying1，XU Yaming2

(1. Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute, Guangzhou 510060,China; 2. Wuhan University, Wuhan 430079, China)

In this paper, the dynamic characteristics monitoring methods of super high-rise building are studied, the crucial technical problem of tilt deviation correction of vertical transmission of construction control network is resolved. The results show that the digital vertical meter method, CCD method, inclinometer method can obtain accurate daily deformation monitoring for high-rise building. Decision support is provided for the timing of the casting and the rectification of the points.

high-rise building;the dynamic characteristics monitoring;slope deviation correction;digital vertical meter;CCD;inclinometer

王天應，徐亞明.超高層建筑動態特性監測方法研究[J].測繪通報，2017(4)：89-92.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0127.

2016-07-29

國家自然科學基金(41474005)；湖北省自然科學基金(2015CFB501)；廣州市科技計劃項目(11G0041)

王天應(1982—)，男，碩士生，高級工程師，主要研究方向為精密工程測量。E-mail：17084983@qq.com

P258

A

0494-0911(2017)04-0089-04