高層建筑物變形監測數據處理與分析

袁松

（核工業華東二六七工程勘察院，江西 九江 332000）

1 引言

高層建筑從施工準備起，到全部工程竣工后的一段時間內，應按施工與設計的要求，進行沉降、位移和傾斜等變形觀測。一般分兩部分：一部分是觀測高層建筑施工造成周圍鄰近建(構)筑物和護坡樁的變形以及日照等對建筑物施工影響的變形，以保證安全和正確指導施工，這是直接為施工服務的變形觀測；另一部分是在整個施工過程中和竣工后，觀測高層建筑各部位的變形，以檢查施工質量和工程設計的正確性，并為有關地基基礎與結構設計反饋信息。在監測過程中需要對相關的數據進行科學的處理與分析，然后根據實際變形情況采取有效的防治措施。本文主要就水岸蓮華一期二標段18#、19#樓以及41#樓地下車庫的沉降變形監測過程進行研究，重點分析了高層建筑物變形監測數據處理技術。

2 高層建筑變形監測的基本方法

為了保證變形觀測成果的精度，除按規定時間一次不漏地進行觀測外，在觀測中應采取“一穩定、四固定”的基本方法。

2.1 一穩定

一穩定是指變形觀測依據的基準點和工作基點，其點位要穩定。基準點是變形觀測的基本依據，每項工程至少要有3個穩固可靠的基準點，并每半年復測一次，工作基點是觀測中直接使用的依據點，要選在距觀測點較近但比較穩定的地方。對通視條件較好或觀測項目較少的高層建筑，可不設工作基點，而直接依據基準點觀測。變形觀測點應設在被觀測物上最能反映變形特征，且便于觀測的位置。

2.2 四固定

四固定是指：①所用儀器、設備要固定；②觀測人員要固定；③觀測的時間要固定；④觀測的路線、鏡位、程序和方法要固定。

3 高層建筑變形監測數據的處理和分析

監測數據的處理方式主要分為兩種：一種是內部監測數據，另一種是外部測量數據。在監測數據處理過程中，通常都要制定相應的步驟，每一個步驟中的計算工作都應該做到分毫不差，否則就會對最終的數據處理結果造成嚴重影響。

在處理數據時，應該先對外部影響因素的數據進行處理，這樣有利于消除相關影響因素，進而專門處理內部監測數據。在實際處理過程中，工作人員應該先將豎直方向與水平方向的基線變化情況記錄下來，并制作數據處理表。之后將不同觀測時間內豎直方向和水平方向的原基線與基線增量進行記錄，以便于在進行處理時能夠相互對照。最后可以繪制一張相鄰時間段的基線變化曲線圖，進而使相關人員更加直觀地觀察不同觀測過程中基線增量的變化情況。

上述分析方法是相對傳統的數據分析法，目前，許多單位開始應用不同的新方法進行建筑變形監測數據處理，例如，最大間隙法與平均間隙法等。此外，有的工作單位還使用卡爾曼濾波法，這是目前應用最多同時也是效果最佳的方法，卡爾曼濾波中最關鍵的組成部分是狀態估計，通過對觀測數據的隨機量進行定量推斷可以估計出建筑物的變形情況，所以這種方法對建筑物變形數據處理工作有一定的幫助。

4 實例研究

4.1 工程概況

本工程位于九江市長虹西大道，其中18#、19#樓分別是三十三層與二十九層的高層住宅樓，這兩座建筑的總高度分別為96.1m與84.5m。地下車庫總建筑面積約為7.56萬平方米，地下一層，層高3.7m。兩座主樓的基礎為樁基+筏板，主體為剪力墻結構；41#樓地下車庫基礎為樁基+筏板結構，地下車庫為框架結構。

4.2 觀測方案

①基準點和觀測點的布設。為提高觀測準確性并且為了工作方便，本工程使用獨立高程系統，分別在長虹西大道的馬路旁電線桿和周邊布設2個基準點。首次觀測要用往返觀測的方式對基準點閉合環進行觀測，進而保證基準數據的可靠性。觀測點應設置于距外墻墻體平面上部0.5m處，且保證距觀測點至少2米以內不得有障礙物。觀測點應設置在承重墻外，并保證其具備良好的通視條件。沉降縫或伸縮縫兩側、山墻中部、高低建筑物及建筑物的沉降縫兩側都要設置相應的觀測點。觀測時，各觀測點要組成一個水準閉合環，再與2個基準點組成水準閉合環，同時檢驗基準點的穩定情況。

②使用儀器與觀測。建筑沉降觀測工作的精度要求非常高，所以為了確保觀測結果的精準性，通常情況下的測量誤差應小于變形值的到。為此，高層建筑變形監測工作應該使用S1或S05級的精密水準儀，同時還要使用受環境及溫差變化影響小的高精度銦合金水準尺。本工程主要采用天寶DSO5高精密電子水準儀及一對2m銦鋼尺和0.5s拓普康全站儀。

本次觀測采用集合水準方法，按國家三等水準測量的技術要求進行。每次觀測時，首先要對建筑物的2個起算基準點進行監測，基準點間的高度差不能大于0.3mm。每次觀測結束后，用微機程序按經典的嚴密方法進行平差計算，求出每個觀測點的平差后高程和點位高程中的誤差。最后填制《沉降觀測記錄表》。

4.3 觀測點的設置和觀測周期

①觀測點的設置。為了精確地反映出建筑物的沉降趨勢，觀測點需要根據現場及地基基礎的情況而設置。主樓：18#、19#樓分別布設10個點共20個沉降點。41#樓地下車庫：共布設33個沉降觀測點。

②觀測周期的設置。根據建筑物所在位置的地質情況、地基處理情況和上部結構情況，確定變形觀測周期。主體建筑物建設到正負零時，布設觀測點，設置好觀測點后，進行第一次觀測，確定基準值。地下停車庫以每個建筑單元為單位劃分，樁基柱子澆筑完成后，布設觀測點，進行第一次觀測，確定基準值。

主樓：每兩層觀測一次，直至主體完工；故18#樓共觀測16次，19#樓共觀測14次。如有異常，還需增加觀測頻率。

1#樓地下停車庫：觀測工作分施工期和竣工后兩時段，施工期是在基礎或地下室底板施工完成后即開始觀測，可根據施工進度和相關要求進行，竣工后的觀察要求在第一年內每隔2至3個月觀測一次，以后每隔4至6個月觀測一次。具體觀測周期可根據建筑物變形情況并按規范規定進行適當調整。

4.4 變形觀測數據的處理與分析

①二維曲線數據處理。本工程的變形監測自第1次實施觀測到第26次完成,整理觀測數據成果得到一條雙縱軸繪制的沉降觀測點總體變化曲線。通過該曲線可以看出監測點總體呈緩和下降趨勢,至19#樓觀測開始時,沉降情況逐漸發生變化，致使多數點都有較大的沉降變化量,部分點還出現沉陷反彈、抖動等現象。

②變形螺旋曲線法。在對變形數據曲線的繪制過程中,通過分析注意到一種能夠較好反映出變形過程特性的曲線。該曲線形狀上類似于數學中的函數螺線,故將其命名為變形螺旋曲線。該曲線的優點在于,它反映出了變形體變化的整體過程。當建筑物的荷載漸進增加階段,沉降變形量便隨之不斷加大,此時的變形曲線將以較大的角度向內側圓周收縮;在建筑物的荷載進入穩定階段后,沉降變形量慢慢減少,此時變形曲線沿著某一固定圓周延伸。

③三維模型數據處理。為了能更直觀明了地顯示變形監測數據的特點,利用Surfer三維模型對變形數據進行處理是一種很好的方式。該軟件通過數據插值網格化后繪制的測區三維立體線框模型,形象地展現了各觀測點間的高程落差和點位的分布情況。

5 結語

高層建筑的沉降變形是一個動態且十分緩慢的過程，相關工作人員在數據監測過程中應該具備足夠的耐心，同時，觀測點的選擇與觀測點的布置也是變形監測工作中非常重要的部分。