自動化監測技術在歷史建筑改造工程中的應用

周向陽 況中華 沈志勇

上海建工集團股份有限公司 上海 201114

隨著社會的進步，城市發展開始進入新模式，有不少老舊建筑漸漸跟不上時代發展的潮流而將面臨淘汰。然而一些具有重要歷史意義的建筑仍需我們悉心呵護，因此歷史建筑的保護與再利用在城市發展歷程中具有重要意義。

為了保證歷史建筑在修繕改造工程中的結構穩定與安全，對影響結構安全穩定的因素進行全過程實時監控顯得尤為重要[1-5]。本文以某大學歷史保護建筑加固改造修繕工程為例，對自動化監測技術在工程中的應用進行研究。

1 工程背景

背景工程位于某大學校園內中西部，該樓建造于1922年，后經過1947年、1963年、1984年3次修繕改造。現對此樓將再一次進行修繕改造。

修繕改造項目分2個部分，即原歷史保護建筑南堂修繕加固保護項目及北堂新建項目（圖1）。南堂主體為木屋架、混凝土框排架組成的混合結構體系，其中結構柱、結構梁、樓板均為鋼筋混凝土，1層結構為混凝土框架結構，2層結構接近混凝土排架結構，修繕后整個建筑面積為1 777 m2。

新建北堂基坑緊鄰優秀歷史建筑南堂北側，基坑南側過于靠近南堂（僅距4.5 m），新建的北堂三軸攪拌樁施工時外邊線幾乎緊貼南堂北立面室外樓梯。南堂基礎和地面受北堂基坑開挖時大型機械設備、車輛、材料堆放帶來的荷載影響較大，抵抗基礎沉降、結構變形程度有限。因此，對南堂進行全方位、全天候實時監控很有必要。

圖1 項目改造完成效果圖

2 自動化監測技術原理及特征

自動化監測系統由現場采集模塊、存儲模塊、遠程傳輸模塊（DTU）以及遠程監控顯示平臺組合而成。

其工作原理為：系統前端為多種類型的傳感器及其采集存儲模塊，數據以有線的方式傳遞到DTU，通過DTU超遠距離傳輸功能將數據傳輸到云服務器，通過軟件程序監聽串口，在云服務器端進行數據的解析入庫等操作，遠程監控平臺調取數據庫數據關聯至Revit模型，經輕量化處理后發布至Web頁面（圖2）。

與傳統監測手段實時性差、監測頻率低、監測工作量大、精度差以及人工成本高相比，該系統具備數據采集速度快、頻率高、精度高以及節省人力成本的優點，同時能夠全天不間斷實時采集，確保數據的完整性、連續性，能夠及時顯示結構的整體狀態，滿足各方對數據關注的需求。

3 自動化監測實施

圖2 監測系統工作原理

南堂為歷史保護建筑，墻體及屋架的安全和穩定是修繕加固施工過程中首先要解決的問題，而對墻體及屋架進行實時監測是確保安全的一個有效手段。

此工程施工內容涉及局部拆除、基礎加固、結構加固、水電風安裝、室外室內保護性修繕復原。通過對改造影響較大的主要結構構件進行自動化監測，了解結構構件因荷載增加而發生的變形情況[3]，根據監測數據進行分析，實時將結構的狀態反映給施工管理人員，確保整個施工過程安全可控。

3.1 監測網建立

南堂木構架的損壞主要包括木柱糟朽，柱身劈裂、折斷，檁條彎垂、腐朽，木屋架斷裂、傾斜以及早期加固不到位等情況。年久失修、木材材質劣化、結構性能持續惡化，使得結構對外界環境影響、人為擾動和施工荷載均比較敏感，故需要建立科學有效的變形監測網點，以實現全方位、全天候實時修繕施工的精確控制。

3.2 監測內容

監測內容根據結構自身性質、地基情況以及施工工況決定。利用專用儀器設備，采用特定方法，對結構變形進行持續觀測、分析和預測。通過科學的監測，可以確定結構在各種荷載和外力作用下的受力反應，為結構修繕施工安全控制提供必要的信息，及時發現問題并采取相應措施。

本監測項目主要包含以下3個方面：

1）外立面墻體結構以及屋架結構的傾斜變形：外立面墻體結構及屋架結構在施工過程中因北堂基坑開挖和南堂內部結構修繕導致的平面外傾覆引起的豎向位移。

2）外立面墻體與屋架結構的位移變形：施工過程中，監測墻體內側與屋架橫梁之間的相對位移變化。

3）外立面基礎沉降變形：外地面基礎因北堂基坑開挖和南堂內部結構修繕所引起的沉降變形。

3.3 測點布設

為保護墻體及屋架在施工過程中的安全，通過監測外墻及屋架的傾覆變形、外墻與屋架橫梁之間的相對位移以及基礎的不均勻沉降，來判定墻體及屋架結構的穩定性，保證施工安全進行。

3.3.1 傾斜測點布置

對墻體及屋架結構傾斜進行監測，采用精密傾角儀進行測量，在靠近北堂基坑側內墻上部及屋架頂部按三軸位置布置傾角儀。三軸共計部署6套傾角儀，對應編號為QX1～QX6（圖3）。

圖3 傾斜測點布置示意

3.3.2 位移測點布置

對墻體與屋架橫梁之間相對位移進行監測，采用精密位移計進行測量，在南北兩側外墻內側上部與橫梁之間按三軸位置相對布置位移計。三軸共計部署6套位移計，對應編號為WY1～WY6（圖4）。

圖4 位移測點布置示意

3.3.3 沉降測點布置

對基礎不均勻沉降進行監測，采用靜力水準儀進行測量，在建筑四周角落及三軸北堂基坑側位置處布置靜力水準儀。共計部署7套靜力水準儀，各套之間通過水管進行連接，對應編號為CJ1～CJ7（圖5）。

圖5 位移測點布置示意

3.4 監測設備

設備選型需具備滿足監測需求、可靠耐用性以及可操作性等功能。

1）監測需求：設備的各項參數應該滿足監測所需。儀器的測量范圍應該可以覆蓋參數的變化范圍，并留有部分余量；儀器的精度及分辨率要足夠高，使得監測對象的測量值足夠精確并有足夠高的信噪比。

2）可靠耐用性：設備應具備很好的穩定性和可靠性。由于該項目監測周期較長，在整個期間儀器要保持良好的工作性能。

3）可操作性：該系統要求儀器設備安裝方便，使施工過程中損壞的設備易于更換。

最終選定的監測設備的具體信息如表1所示。

表1 監測設備類型匯總

4 監測結果及數據分析

選取監測期間8—10月份的數據進行分析（圖6～圖8）。

圖6 位移變形數據趨勢

圖7 沉降變形數據趨勢

圖8 傾斜率數據趨勢

由數據趨勢可知，在南堂修繕工程中，位移變形、不均勻沉降、傾斜變形受內部修繕及北堂基坑開挖影響均較小，整體趨勢變化均較小。位移變形受影響最大的點為WY3點，最大位移變形為3.5 mm；不均勻沉降受影響最大的點為CJ7點，最大相對變形為6 mm（以CJ6為參照不動點）；墻體及屋架傾斜變形受影響最大的點為QX1點，最大傾斜率為－0.07%。

5 結語

通過采用自動化監測技術，實現了對建筑結構的全天不間斷實時監控，降低了人工成本及消除了人為誤差，大大提高了數據的準確性、連續性。自動化監測系統具有高度自動化以及網絡化功能，把各種類型的高精度精密傳感器通過通信及計算機網絡技術手段，實現了數據轉化，把數據實時顯示出來，使現場人員能夠通過互聯網實時查看結構狀態數據，為施工安全提供有效保證。

監控數據結果反映出南堂在修繕過程中結構受施工影響的變化趨勢，通過對結構位移、傾斜及沉降的實時數據結果分析，及時掌握了建筑結構的狀態，為后續施工提供了有力的數據支撐，保證了施工的穩定安全。自動化監測技術在工程施工中具有重大的意義，是新時代工程發展的必然趨勢。