超高層建筑結構健康監測控制點的選擇

梁強武 周澤宇

1. 廣州大學土木工程學院 廣東 廣州 510006；2. 深圳市華陽國際工程設計股份有限公司廣州分公司 廣東 廣州 510080

當前，世界各國城市相繼興建了大量的超高層與高聳結構。而200 m以上的超高層建筑，由于地球運動作用，我們不能再視其是靜止的；同時加上外力作用，超高層建筑也一定是動態的。對于超高層建筑，當水平變形超過電梯的容差，可能導致電梯無法安裝或無法正常運行。同時，上部樓層的水平變形使質心偏離塔樓的剛心產生附加彎矩，對超高層建筑的P－Δ效應有放大的作用，對塔樓的整體穩定有不利影響[1]。

為保證這種超高層復雜建筑的安全使用，就必須進行長期的精密變形監測，以確保其變形形態在允許范圍內。而在建筑施工過程中，進行精密的變形監測，更可以及時了解塔樓在施工條件下的變形情況，供施工單位決策是否需要調整、怎么調整提供技術支持[2-4]。

對于用地面控制網不能監測到核心筒或是玻璃幕墻已經遮擋的監測點，可以在樓上架設全站儀，采用后方交會法或內導線法。但對于在運動中的塔樓而言，使用后方交會法或內導線法，兩者的監測精度有很大的差異。為了能夠獲得更加精確的監測數據，必須探討在運動的塔樓中如何架設全站儀、同時又能獲得精確數據的方法。本文以南寧某寫字樓為例，進行探索和分析。

1 工程概況

南寧某寫字樓是集商業、辦公和酒店于一體的超高層綜合體，總占地面積7 030 m2，總建筑面積約為278 000 m2，地上247 000 m2，地下3層，地上裙房4層；塔樓84層，連屋頂幕墻構架建筑高度402.6 m。本塔樓為帶加強層的鋼筋混凝土核心筒＋鋼管混凝土框架混合結構。塔樓核心筒豎向分3次向北收進，塔樓南側框架柱整體向北2°。

2 地面控制網的建立

2.1 選用坐標體系

由于本工程位于南寧市青秀區，為了與總包單位的測量放線數據和鋼構單位等的放線能夠形成對比校核，本工程和總包單位同樣選取南寧市當地坐標體系。由本坐標體系，X軸正方向向北，Y軸正方向向東。

2.2 建立地面控制網

當監測單位進場時，施工單位向監測單位提供現場測量樁的技術交底，高程點不少于2個，平面點不少于3個，并提供測量成果報告[5-6]。

根據現場及周邊環境的實際情況，先是選定能夠對建筑物進行觀測的控制點（該點為監測時架設全站儀），該點不能有遮擋，與建筑的距離要適當，以盡可能看到多個被監測點；并且該點要能夠與整個控制網的相鄰2個控制點相互觀測，以便使用全站儀將該點的坐標測出以及定期的控制網坐標復核。

根據現場環境的實際情況，選取整個控制網的控制點（圖1）。為計算更加準確，監測時盡量使用3個后視點，即全站儀盡量架設在控制點上，再加上2個后視棱鏡點。在圖1中，加粗的點位置為將來架設全站儀的點，其他點為小黑圈。監測時，全站儀架設在加粗的有數字標識的控制點上，2個后視棱鏡分別架設在相鄰的2個控制點上。

圖1 地面控制網點的大致位置

在進行監測前，先由業主或是總包單位提供當地的大地坐標點資料，根據本坐標控制點，采用全站儀四等精度導線測法控制網進行引測，形成閉合、平差，得出每個控制點的大地坐標，給出控制網大地坐標信息表[7]。

3 使用地面控制網的監測分析

3.1 地面架設全站儀能夠對監測點進行監測的部分

按照設計院提出的監測點位置，在監測樓層設置了用于安裝棱鏡的彎鉤。為提高監測精度，本工程使用瑞士徠卡全站儀TM30，水平定位精度為3 mm＋0.3×10-6D（D為測量距離） ppm，垂直為5 mm＋0.3×10-6D，測角精度為0.5"，測距精度為0.6 mm＋1×10-6D，使用配套的徠卡360°棱鏡。

為提高測量精度和方便使用三維變形監測程序，我們將全站儀架設在控制網點上，再加上2個架設在控制網點上的后視徠卡圓棱鏡。3個點的坐標，待外業監測完，使用徠卡三維變形軟件，手動輸入相應控制網點的坐標，便可得出每個被監測點的大地坐標。首次監測時，可利用三維變形監測軟件的學習功能，先進行學習測量，然后整個監測測量6個測回，每個測回中，每個監測點測10次取平均值。再次監測時，由于全站儀架設在固定的控制點上，可以利用學習測量的方法，調出本設站點的學習信息，除了新增的監測點，便可以不用再次學習即可監測。

3.2 地面架設全站儀不能對監測點進行監測的部分

由于施工中外框架的鋼梁吊裝后會遮擋核心筒上的監測點，或是玻璃幕墻安裝到該樓層時，從外控制網就無法對監測點進行監測，只能采用在樓上架設全站儀的方法。

當全站儀架設在樓上時，使用后方交會法，由于樓上沒有控制網點，故此時的全站儀是自由設站。每次監測均由地面架設在控制網點的2個棱鏡作為后視點，提供坐標來反算被監測點的大地坐標（圖2）。

由于篇幅限制，這里僅以最新的5期（第四～八期）偏差值數據為例展開分析（表1）。

圖2 監測點布置位置

表1 31層監測點監測數據偏差（mm）

據表1，在第四、六期的數據中，最大的偏差值都達到了5 cm以上，第六期的05號點X軸更是達到了5.87 cm。而采用有限元模擬對應此時的施工情況，核心筒的最大水平位移為2.50 cm，柱的最大水平位移2 cm。比較可知，外框柱的數據相對比較可靠，但是核心筒的數據相差就過大，精度不能夠滿足要求。而此時，外框柱采用的是用地面控制網的外控法，核心筒是在樓上架設全站儀的后方交會法。由此說明，在復雜的施工現場條件下，在樓上架設全站儀的方法有所不妥，必須找出一種可靠的方法。

3.3 核心筒數據誤差過大的原因分析

外框柱使用外控法監測的數據和有限元模擬對比相差在可接受范圍內，而核心筒的數據精度已不滿足要求。

經分析，當全站儀架設在樓上時，由于施工現場各種施工機械的振動、塔吊起吊重物、施工電梯等，整個樓面的振動很大，全站儀的調平難度很大，可以認為已經超出全站儀自帶的自動安平范圍。此時，架設在地面的2個棱鏡受周圍環境的影響較小，誤差在允許范圍內，而全站儀卻是隨時晃動的，此時測出來的數據當然是不理想的。

4 將控制網引到樓上的監測分析

4.1 探討解決方案

為解決施工振動難題，我們提出將控制網引測到樓面上的內控法。為驗證其合理性，在使用此方法之前，先做了一些小實驗。首先，將控制網點引測到樓面，得出樓面上每個控制點的大地坐標，樓上控制點大致位置見圖2。在引測到樓面上的控制點架設2臺后視棱鏡，然后分為2種方式：打開全站儀的自動安平功能；關閉全站儀的自動安平功能。最后測出來的結果顯示，關閉全站儀的自動安平功能得出的結果更加可靠。

分析以上得出的結果，我們認為，當沒有將控制網引測到樓上時，架設在地面的2個棱鏡是穩定的，而全站儀不管是否打開自動安平功能，都不能將塔樓晃動帶來的誤差抵消；在將控制網點引測到樓面上時，由于塔樓的晃動，帶動樓面上的物體同時運動，此時若是將全站儀的自動安平功能打開，那么就相當于人為地使全站儀不同步于塔樓和2個后視棱鏡（沒有自動安平功能）的運動，相對來說，就是人為地形成一個角度差；而如果關閉全站儀上的自動安平功能，那么整個塔樓晃動時，帶動樓面上的后視棱鏡及全站儀同時運動，這個角度差相對來說就比較小。因此，當關閉自動安平功能時，得出的結果更加可靠。

4.2 將控制網點引測到樓面

地面的控制網點定期復核，確認坐標值可靠，可以使用。每次監測時，對于能夠用地面控制網點監測的外框柱上的被監測點，盡量用地面控制點。在對核心筒監測之前，先將控制網點引測到樓上，形成一個閉合網，經過平差得出每個控制點的坐標，然后在該控制網點上架設后視棱鏡和全站儀。每次監測時，由于相較于上一次的監測，塔樓又有水平位移，所以，每次在樓上架設儀器監測前，先將控制網點引測到樓上。

4.3 監測數據的使用

將控制網點引測到樓上后，在樓上架設儀器，每次監測完后，如同在地面架設儀器監測，同樣是使用三維變形軟件，輸入2個后視棱鏡架設點和全站儀架設點的本期實際坐標值，即可得到被監測點的大地坐標值。

5 數據分析

5.1 沒有將控制點引測到樓面上的數據分析

通過分析表1，核心筒第四期最大值是5.11 cm，甚至還有－2.88 cm，而外框柱在同一期的最大值是1.75 cm，因為整個塔樓的結構是往北偏心（塔樓的北面柱的豎向，南面是向北傾斜2°，48層以上，特別是71層以上，核心筒向北收進），所以整個塔樓模擬結果是向北運動。而第四期和第五期監測數據都不同程度出現比較大的負值。在第六期中，核心筒的04、05號點的偏差值分別是5.21 cm、5.87 cm。而在同一期的有限元模擬中是2.50 cm，此時外框柱使用外控法監測出來的最大值是2.93 cm，有限元模擬是2 cm，可見外框柱的監測數據是可靠的。同時，對比前六期數據，核心筒的數據較外框柱離散度大，而外框柱的離散度較小，相對穩定（因為第六期之前施工還沒到斜墻，沒有往北收筒，偏心較小）。在第五、第六期的監測中，各個點的偏差值離散度也很大，并沒有有限元模擬得出向北傾斜的情況，而是雜亂無章的狀態。

5.2 將控制點引測到樓面上后的數據分析

表1中的第七、第八期皆是將控制網點引測到樓面上后監測的數據，從這個表中的數據可以看出，沒有出現過大偏差數據，相對前面的數據也比較平穩，與有限元模擬的數據相比，誤差在可接受范圍之內。

從第七、第八期數據也可以看出，每個監測點的偏差值都在X軸上方，也就是表明塔樓是在向北傾斜，這符合有限元模擬的結果，而且在當期的所有監測點的數據，相對來說也比較平穩、集中，未出現過大的混亂狀態。

6 結語

在施工現場中，作為施工監測的施工方案，要考慮到現場的實際，選擇合適的方案，方可得出理想的結果。

在本工程中，在樓上架設全站儀，同時在地面控制點架設后視棱鏡的方法，由于此時塔樓的晃動，帶動全站儀晃動，監測的數據誤差大。在將控制網點引測到樓面上，并將全站儀的自動安平功能關閉后，由于塔樓的晃動，同時帶動全站儀和后視棱鏡，此時可以認為它們之間是相對靜止的，所以監測出來的數據相對來說比較可靠，與有限元模擬數據比較吻合。