GPS應用于建筑物變形觀測的探討

黃家弟

（貴州省有色金屬和核工業地質勘查局三總隊 遵義 563000）

引言

建筑變形監測是對建筑變形的及時、準確的監測，為掌握建筑物的穩定性和安全運行的診斷提供必要的信息，便于及時發現問題并采取措施。通過對建筑變形的實際監測現象和數據，了解建筑變形的原因，改進工程設計理論，對建筑設計進行反饋，建立有效的變形預測數據庫。改革開放30年來，中國建設了大量的水利、工業、交通、城市高層建筑和許多地下空間工程設施，安裝了一批大型精密機械設備和科學實驗設備以確保其安全可靠的運行，造福人民。

1 建筑物變形監測內容及現狀

在運行過程中，建筑物由于受到各種因素的影響，會出現一定的變形。變形在允許的限度內，是正常現象；但如果變形程度嚴重，會影響建筑物的正常使用，危及建筑物的安全，甚至可能造成建筑物倒塌等嚴重事故，對人民的生命財產造成嚴重損失。因此，在工程建筑的施工和運行過程中必須進行安全監測，即建筑物的變形監測。變形監測的主要內容包括：垂直位移監測、水平位移監測、傾斜監測、裂縫監測、擺動監測和旋轉監測。建筑物的變形監測具有監測時間長的特點，需要反復監測，測量儀器和成果的精度要求高，數據處理要求嚴格，不同工程的特點不同。

一般地說，建筑物變形觀測的基本觀測點應設置三種測量點，即基準點、工作點和觀察點，應在結構和基礎上選擇一定數量的有代表性的觀察點。目前，我國對建筑物變形監測的關注還不夠，設計部門在設計圖紙時，對變形監測沒有提出明確的要求和標簽，觀測點也沒有按照規定制定和實施。

2 GPS定位技術概述及其特點

GPS的全稱是全球定位系統，是一種具有全定向、實時、高精度三維導航定位功能的衛星導航和定位系統。GPS定位技術，以其全天候、高效率、低要求的優勢，在各行各業應用率較高，得到用戶的認可和廣泛應用。特別是在大型建筑物變形監測中，避免了傳統的常規測量技術必須要求能見度、多站誤差的累積性，測量精度受到環境影響比較大的不足，顯示出其無可比擬的優勢。

GPS系統具有全覆蓋連續導航定位、高精度三維定位、實時導航定位、被動全天候導航定位、抗干擾性能好、保密性強等特點。相比于傳統的常規水平比觀測方法和沉降位移變形監測法，GPS技術更適合應用于大型建筑物的變形監測。傳統的常規變形監測技術在理論和技術水平上都非常成熟，但由于其工作量大，監測周期長，無法實現實時動態監測，運行成本高，效率低，使其開發空間和市場將越來越小。GPS定位技術利用其可實時、動態、連續的觀測精度優勢，正在逐步取代部分傳統的變形監測技術，并隨著科技的進步，早期部分投入成本較高、信號差和低精度的缺點將被逐一克服，這將大大提高GPS應用于變形監測的效率和精度。

3 GPS定位系統在建筑物變形監測工作中的應用

GPS定位系統可以監控三維位置、速度和準確時間。由于其三維定位精度較高，逐漸成為一種非常有效、常用的建筑變形監測方法。

（1）GPS靜態絕對定位法經過10多年的研究發展，其絕對定位處理系統已基本成熟。很多建筑物其變形過程是非常緩慢的，有的幾個月，有的幾年甚至幾十年，在一定的相對時期內，可以認為它是穩定的，傳統的監測技術對這種建筑物變形監測通常需要浪費大量的人力物力，以及大量的時間。GPS靜態絕對定位法，是在接收機天線處于靜止狀態下，確定測站的三維地心坐標，它定位所依據的觀測量，是根據相關測距原理測定的衛星與測站之間的微距。

（2）GPS定位系統也廣泛應用于高層建筑的變形監測。傳統的監測方法有懸索線下降法、激光鉛法、經緯儀交叉觀測法等。在實際觀測工作中，受環境氣象因素和建筑本身高度的影響較大，人為因素也占很大比例。通過建設基準站和移動站，GPS定位系統將得到接收到的GPS信號的差分改正數和已知點的坐標，并發送到移動站，移動站將糾正數據并將其傳送到監控中心。這種監測方法人工干預較少，整個過程中數據自動處理，減少了人為造成的誤差，大大減少了工作量，使監測數據更加準確。

（3）傳統的測量建筑物水平和垂直位移的方法通常是三角測量或水平交會測量。由于這些傳統的測量方法是在外部環境進行的，而且大部分建筑工地環境復雜，各種儀器和設備的施工過程都缺乏足夠的能見度，這些因素進一步加劇了常規變形監測工作的難度，難以實現對大型建筑物水平或沉降位移的實時監測，給建筑物安全運行帶來了隱患。然而，GPS定位技術的應用可以很好地解決這一問題，其定位精度也在逐步提高。例如，沉降位移監測可以獲得不超過±10mm的精度，水平位移觀測可以達到小于±2mm的精度。目前一些項目利用GPS技術實現了對大型建筑物水平和垂直位移的精確實時監測，建立了能夠進行實時數據采集、處理、分析、存儲管理、預測的建筑物變形監測系統，能夠對水平和垂直位移變形數據自動采集、處理、分析，并根據預置的變形閾值報警，實現對大型建筑物變形的自動監測和預警。

4 GPS定位技術在某大型建筑變形監測中的應用實例

案例項目是一座100m高的住宅建筑。在重力、風力等外力作用下，建筑的水平方向容易偏移、傾斜、沉降、開裂等問題，嚴重影響建筑物的安全使用和使用壽命。因此，在主體結構的施工過程中，不僅需要準確地確定承載結構的安裝位置和垂直度，而且要全過程監控建筑物的變形，并確定實時位移和垂直度，為建筑物的順利施工、竣工及運行提供安全保障。

首先，工程人員使用徠卡GX1230 GPS接收機對公司頂層平臺的建筑變形監測系統進行測試，數據處理軟件采用徠卡地理辦公組合軟件。在樓頂控制點安裝GPS接收機，在項目運行過程中GPS接收機固定。此外，GPS接收器天線被放置在一個平臺的頂部，可以在東、西、北和南四個方向移動。該平臺具有測微儀，可準確測定天線的位移，精度可達0.1mm。可以認為，天線的運動量是已知的。GPS定位結果每5h、2h、1h測量一次，每組進行10次，應用該軟件進行處理后，計算三組GPS測量天線的偏移量。通過計算結果可以看出，測量角度誤差變化在5h、2h和1h時分別達到±0.4mm，±0.6mm和±1.0mm，可以滿足國家規范的要求。

5 結語

由于建筑傳統的變形監測方法往往受到外部環境的較大影響，且大型建筑施工現場環境復雜，監測點之間的視覺環境不佳，進一步加重了變形監測的難度和工作量。隨著GPS定位技術的迅速發展，其在大型建筑變形監測中的應用已為從業人員所認識，其精度也逐漸接近于傳統的常規測量方法，甚至在某些領域也優于傳統的測量技術，而GPS技術具有全天候、動化程度高、實時、高精度、動態、自不受能見度條件影響等優點，在建筑變形監測領域逐步取得長足進展，其精度也逐漸達到了相應措施的要求，具有廣泛的應用前景。