超高層建筑物變形檢測技術在保利琶洲眼項目中的應用

王齊林，宿勇軍

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

隨著國內城市建設的發展，涌現出許多地標性建筑物，在高度和建造規模上你追我趕，如何對超高層建筑物進行有效的變形檢測和第三方施工檢測成為各個測繪單位需要突破的技術難點。超高層建筑物第三方檢測的主要內容包括：控制點檢測、軸線檢測、核心筒和電梯井偏差檢測、垂直度測量、高程檢測和地面沉降監測等，在廣州保利琶洲眼項目中主要利用測量機器人，激光垂準儀和CCD相機系統等多種測量手段實現對超高層建筑物的檢測工作，獲得了超高層建筑物核心筒垂直度變化趨勢、電梯井偏差和塔體48小時動態擺動軌跡等成果，實踐證明各種設備在檢測工作中能有效地反映建筑物的變形情況，并能對施工質量進行全過程監督，保障了超高層建筑物結構的安全健康，掌握其變形規律。

2 多種測量手段在超高層建筑變形檢測中的應用

超高層建筑的施工環境復雜多變，傳統人工監測方法和設備很難滿足超高層建筑變形檢測的需要，故有必要采用新的技術手段建立一套切實可行的超高層建筑施工監測體系[1]。傳統的超高層建筑對各層的施工質量監測工作還是通過核心筒預留孔來量取墻體厚度，進而實現對施工質量的監測，這種手段不能全面反映超高層建筑的施工質量，本項目采用激光垂準儀和測量機器人相結合的方式實現了毫米級的控制點投遞，對各層核心筒及其中心點的偏差進行測量，準確反映超高層建筑的施工質量；傳統的超高層建筑物變形監測主要通過安裝在外部基準點的全站儀對變形體上的目標點進行監測，從而得到變形體的水平位移情況，其受到觀測間隔和人員安排的限制，只能得到變形體的離散變形軌跡，無法反映超高層建筑物的動態實時變化規律，本項目采用CCD相機監測系統實現了對塔體擺動的動態特性監測。

2.1 利用激光垂準儀實現控制點的高精度傳遞

控制點投遞一直是超高層建筑物施工監測的難點，琶洲眼項目第三方監測方案中施工控制網需要從首層分段向上傳遞，具體做法是每隔10層設置1個轉換層，借助高精度的激光垂準儀向上投點，將首層的施工控制網(包括內控制網和外控制網)在轉換層之間分段進行傳遞引測，從而進行分段控制，控制點投遞誤差就成了影響控制網精度的重要因素，因此在施工監測中需要盡可能地減少投遞誤差[2]。本項目采用標稱精度1/200000的激光垂準儀。

由儀器標稱精度計算每50 m傳遞理論誤差為：

m儀=50×1000/200000=0.25 mm

對中誤差和人工描點誤差可以估算為：

m對中=m描點=1 mm

因此每次投點誤差：

2.2 測量機器人在第三方監測中的應用

2.3 基于CCD相機的超高層建筑動態特性監測與分析

超高層建筑物塔體受日照、地球自轉、風力、溫差等多種動態因素的影響較大，處于不斷運動的狀態[3]。為了分析塔體的運動規律從而保證施工以及后期運營階段的建筑安全，本項目采用CCD相機進行48小時不間斷的塔體動態特性監測并分析出了在外部環境等多種動態因素作用下的塔體運動規律[4]。

CCD相機動態檢測系統主要由硬件和軟件兩部分構成。硬件部分包括激光垂準儀、接收靶及工業相機等；軟件部分包含了光環中心自動提取軟件與數據處理軟件(圖1)。

圖1 CCD系統組成結構圖

在施工現場選取內控點的預留孔作為激光傳遞路徑，激光垂準儀安裝固定在起始樓層，接收筒(包含攝像機、接收靶)安裝在觀測樓層對應的孔洞上，并使激光垂準儀的光斑落在接收靶的中間區域，連接電腦進行數據接收處理，可即時獲取激光束中心位置，并通過用戶界面控件實時顯示光斑的相對位移量，通過連續觀測即可獲得高層建筑物結構的運動軌跡和變化規律，杜絕了人工讀取激光點位偏移產生的觀測誤差，實現變形檢測數據錄入的自動化。

3 利用測量機器人和激光垂準儀對保利琶洲眼核心筒的變形檢測

保利琶洲眼項目酒店主塔樓38層，建筑高度約為 200 m，辦公主塔樓60層，建筑高度約為 310 m，項目屬于超高層建筑范疇，易受到諸如日照、風力、荷載、地質等因素的影響，對施工質量和施工安全有極高要求。超高層建筑物的核心筒能有效反映整個建筑物的垂向偏差情況，本項目采用測量機器人和激光垂準儀實現了對保利琶洲眼項目核心筒的全過程檢測。核心筒施工時，每施工到一定高度時，必須做控制點測量轉換[7]，轉換高度控制在 50 m左右(圖2)，采用激光垂準儀垂直投測。

圖2 各轉換層高度

內筒控制點和外筒控制點是軸線檢測、核心筒和電梯井偏差檢測的基準，在控制點投遞到轉換層后要利用測量機器人聯測所有投遞的控制點，檢核控制點之間的內符合精度，在施工平臺抬升至轉換層時利用GPS測量法檢核控制點的外符合精度[3]。保利琶洲眼項目內外控制點的內符合檢測導線按照一級導線要求布設，先驗單位權中誤差為5.00″，各層內符合導線的精度如表1所示：

控制點內符合精度統計結果 表1

控制點投點并檢測完畢后，需要對超高層建筑物的核心筒偏差、垂直度進行測量。首先在樓層中布設一級導線，以激光垂準儀投遞的控制點作為起算點，采用測量機器人觀測，以保證導線相對精度優于 1/15000，然后在一級導線點上架設全站儀免棱鏡測量核心筒壁的碎步點，通過這些碎步點可以獲取建筑物核心筒的偏差情況和計算垂直度。

各層的垂直度Kj計算公式如下：

上式中，Sj為按靜力矩法計算該層(如第j層)實測中心與設計中心的偏心差，Hj為j層相對于地面的總高度。

考慮到全站儀采集碎部點的高度對垂直度的影響，在計算總垂直度Kj時，將該高度與j層樓板相對于地面的總高度之和作為Hj參與垂直度計算[5]。圖3為保利琶洲眼C-1棟酒店核心筒垂直度分布圖。

圖3 C-1棟酒店垂直度分布圖

4 基于CCD相機系統的保利琶洲眼塔體動態特性監測與分析

受日照、地球自轉、風力、溫差等多種動態因素的影響，保利琶洲眼主塔樓處于周期性的偏擺運動狀態[6](如圖4所示)，這種動態特性直接影響控制點向上投點的準確性，為此本項目引進了一套CCD相機系統(圖5)對主塔樓進行了分階段的48小時連續動態監測，根據監測成果分析總結出了該超高層塔體的擺動規律。

圖4 塔體擺動對激光投點的影響

圖5 CCD系統接收裝置及用戶操作界面

在保利琶洲眼項目辦公樓42層～59層采用CCD系統對塔體進行48小時動態特性監測，獲取監測數據后剔除其中的噪聲，并采用多項式、傅立葉變換等數學方法進行擬合和分析，獲得了X坐標(東西方向)和Y坐標(南北方向)變化曲線(如圖6、圖7所示)。

利用擬合后X坐標、Y坐標數據繪制點位軌跡如圖8所示：

由圖8可知塔體59層相對于42層在東西方向相對中心位置最大偏移量約為 0.65 mm，在南北方向相對中心位置最大偏移量約為 1.15 mm。由于激光投點的光斑半徑與樓層高差的正相關性，為了避免光斑發散影響CCD系統對光斑軌跡的識別，本項目采用分階段的48小時動態監測方式，在已完成的40層相對于21層的CCD系統動態監測數據中顯示塔體在東西方向相對中心位置最大偏移量約為 0.18 mm，在南北方向相對中心位置最大偏移量約為 0.65 mm，綜合儀器識別誤差和測量系統誤差，以上偏移量均在合理范圍內，塔體自身的擺動對投遞后的控制點使用不會產生影響[7]，另一方面通過48小時的動態監測我們掌握了該超高層建筑塔體的擺動規律，為后期運營階段的變形監測提供基礎數據[8]。

圖6辦公樓42層～59層CCD系統監測軌跡擬合后X坐標變化曲線圖

圖7 辦公樓42層～59層CCD系統監測軌跡擬合后Y坐標變化曲線圖

圖8 辦公樓42層～59層CCD系統監測軌跡周日點位變化曲線圖

5 結 語

本文以廣州市保利琶洲眼項目為例，綜合應用測量機器人，激光垂準儀，CCD相機動態監測系統等技術手段對超高層建筑物的結構健康進行全過程檢測，并在施工階段提前介入超高層建筑物的檢測中，對建筑物的施工質量進行第三方監督，保證了超高層建筑物的施工質量安全，掌握了建筑物的變形規律，為建筑物竣工后運營階段的變形檢測工作提供了技術保障和理論基礎，解決了超高層建筑物的控制點投遞，核心筒垂直度測量和超高層建筑物核心筒擺動規律監測等技術難點，集成多種測量手段構建超高層建筑物變形檢測體系，對超高層建筑物的結構健康檢測工作具有借鑒意義，在建筑物質量檢測市場中具有較好的應用前景。