復雜環境下特殊建筑物沉降與傾斜位移觀測新法

胡維騰

舜元建設（集團）有限公司 上海 200335

隨著物聯網技術的不斷成熟與各類傳感器及無線傳輸技術的突破創新，建筑信息化應用的手段也愈加豐富。建筑物的沉降、傾斜及位移觀測，也從以往的實測實量，逐漸朝著物聯、無線傳輸與信息化平臺數據自動收集的方向發展。目前大多數項目在使用的自動化位移觀測系統，可以通過相關技術手段實現數據的實時監測與上傳，并形成一定周期內的觀測報告。但此類方法收集的數據較為單一，且因數據之間的類型與觀測周期并不相同，所以無法進行橫向比較。在復雜環境下的特殊建筑施工及使用過程中，有時要求對整個建筑物在同一周期內的變形狀態進行綜合分析，找出相互影響的共同因素以采取相應措施，保證建筑物狀態穩定，目前的常用方法并不適用。在該前提下，通過利用物聯網技術，結合各類先進傳感器與無線傳輸手段，探究一種此類建筑變形觀測的新方法，通過觀測同一點的沉降、傾斜與位移數據并進行綜合分析，得到影響建筑整體變形的關鍵因素，并采取措施進行有效控制[1-5]。

1 常用建筑變形觀測的內容及方法

1.1 建筑物變形觀測內容

建筑物變形觀測是指在建造、使用、維護過程中對建筑物產生的相關變形數據進行觀測與數據收集工作，主要內容包括建筑日沉降、傾斜、位移等的觀測，在建筑物本身未發生可見裂縫的情況下，針對上述工作相關數據的收集、整理與統計，可有效幫助建設方及使用方掌握建筑物狀態，并根據評定結果采取相應措施控制建筑物變形。

1.2 常用建筑物變形觀測方法

1）建筑物的沉降觀測：現有一般條件下，普通建筑的沉降觀測主要采用沉降針＋水準觀測等方法，在觀測時，通過合理布設沉降觀測點與基準點，結合制定的周期，根據實際觀測時記錄的建筑物沉降針與基準點的差值進行計算，以確定沉降數值。

2）建筑物的傾斜觀測：正常情況下，建筑物的傾斜觀測方法主要包括經緯儀觀測法與垂直儀觀測，少數情況下利用鉛錘觀測法，其原理是通過測量上層建筑物與下層建筑物間位移變化量，并經過計算得出整個建筑物的傾斜角度，通過周期性觀測得出相應的傾斜發生速率。

3）建筑物的位移觀測：在現有技術條件下，建筑物的位移觀測通常由硬件傳感器代替，且目前針對建筑物的位移觀測技術發展較快，亦有較多應用基坑埋置式傳感器進行自動觀測的案例，通過設定的基準點與觀測點隨時間變化的數值來確定建筑物或具體建筑構件的位移情況。

2 復雜環境下特殊建筑變形觀測新法

2.1 變形觀測新法應用背景

在某些建筑物的施工過程中，由于新建建筑環境與周圍場地限制，加之施工場地與運輸線路布置復雜，或者建筑物本身功能性要求特殊，造成此類環境下的特殊建筑物變形觀測時間及精度難以得到保證；又因常用建筑物變形觀測方法的局限性，一是觀測周期和方法各不相同，二是觀測點位置無法保證統一，所以導致在此類建筑的變形觀測工作中，對建筑沉降、傾斜及位移觀測的數據無法進行橫向比較，從而對影響此類建筑變形的主要因素判斷不準確。通過應用“一種可顯數值的信息集成化沉降觀測系統”，對此類環境下的特殊建筑物進行變形觀測發現，只需對觀測點進行合理的布置，該新法可做到相關數值可視化，且能有效保證觀測精度，提高觀測數據時效性及有效性。與此同時，該方法將沉降、傾斜及位移觀測點位置進行了統一，便于對同一觀測點位置及觀測周期下觀測數據進行橫向對比，從而可分析得出影響建筑整體變形的關鍵因素，并采取措施進行有效控制，使變形觀測工作更加方便、有效。

2.2 變形觀測新法原理介紹

新法采用包括定位沉降測量前端、前端傳感器儲供液裝置、水平基準控制點裝置、遠程數據控制終端等設備，如圖1所示。

圖1 一種可顯數值的信息集成化沉降觀測系統示意

在上述類型建筑物的施工及使用過程中，通過將液壓式靜力水準儀、GPS定位傳感器、傾角傳感器、數據處理模塊、無線數據發送器及用于顯示的液晶顯示屏等相關裝置置于沉降觀測前端內，并整體與折疊式沉降測量針進行固定連接，通過膨脹螺栓固定于建筑物主體結構上，其在使用過程中仍具有常規人工觀測功能，具體構成及安裝方式如圖2所示。

其內置的液壓式靜力水準儀通過建筑物觀測點與水平基準控制點間的壓差計算建筑物的沉降狀態，可達到綜合接近0.2 mm的觀測精度，并根據建筑物本身環境適應-40～85 ℃的環境溫度，滿足大部分建筑環境要求；通過內置的傾角傳感器可在既定的x軸、y軸上進行切換，量程精確至15°，滿足建筑物測量要求；同時，在沉降測量前端選擇高精度GPS定位傳感器，監測精度滿足基坑監測規范要求的0.25 mm/m，每500 mm范圍內的分辨率高于0.02 mm；具體工作時，該定位沉降測量前端內的GPS定位傳感器、傾角傳感器、液壓式靜力水準儀采集的數據通過數據線傳輸至數據處理模塊，并通過數據處理模塊進行處理后，將數據通過無線數據發送器發送至遠程數據控制終端進行統計分析，同時可將數據在沉降觀測前端的顯示屏上顯示；遠程數據控制終端構建的數據平臺對建筑物垂直傾斜情況及沉降數值進行統計分析，并通過人工采取相應調整手段，保證建筑的安全性、耐久性，其內部具體構造如圖3所示。

圖2 沉降測量前端整體構造示意

圖3 沉降測量前端內部示意

2.3 變形觀測新法具體實施方式

2.3.1 前期準備

此法針對復雜環境下特殊建筑物的變形觀測，可先建立數據交換系統，通過計算建筑物本身的單位受壓及傾斜、位移觀測精度要求，合理布置觀測前端，選擇準確固定的水平基準控制點，制定觀測周期及整改措施計劃，在遠程數據控制終端中建立相應數據觀測平臺，根據要求確定量值與限值。該系統中涉及裝置在安置沉降測量前端時，需要計算建筑沉降及變形受力點位置，根據計算結果進行安置，一般安置于建筑基礎受力結構上，以保證建筑基礎整體傾斜、位移數據與上部結構一致。

2.3.2 具體實施方式

在對建筑物實施觀測時，具體方法如下：所述新法系統裝置中的沉降測量前端內的折疊式沉降測量針，應于建筑物主體受力結構施工時進行預埋，整體定位觀測前端的設置需滿足沿建筑四角、外墻每10～15 m或每隔2～3根樁基設置1個，且每側不少于3個的要求；擇優布置在建筑外墻角、外墻中間部位的墻/柱及裂縫兩側與其他有代表性的部位。此外，在傾斜觀測時，應滿足在建筑物角點、變形縫兩側的承重柱/墻上等布設要求，同時滿足沿主體頂部、底部、上下對應布設，且在同一豎線上的布設要求。在沉降測量前端安裝完成后，需將沉降測量前端內的液壓式靜力水準儀通過液壓管與空壓管連接前端傳感器儲供液裝置，現場布線管時應根據實際情況，選擇埋地或架空，保證前端傳感器供液裝置可有效供液；水平基準控制點裝置在設置時，選擇較為安全且固定的位置并進行物理保護，以確保變形觀測系統有效工作且提供準確數據；遠程數據控制終端建立的數據觀測平臺通過接收前端數據進行分析，并為施工及管理者做出控制措施計劃提供數據支撐；現場施工、管理人員同時可根據液晶顯示屏上顯示的沉降、傾斜、位移數據信息，進行現場觀測與記錄。

除此上述實施方式外，現場施工管理或運行維護工作人員，可根據實際需要進行人工觀測，在該系統的沉降測量前段內置折疊式沉降測量針，在有需要時，可通過旋轉折疊測量針，使用人工測量的方式進行周期性觀測及與傳感器數據進行對比，以此校正相關參數的設置。

2.4 工程案例應用效果

某地一新建生物質發電廠建設環境條件復雜，在對其垃圾堆載、焚燒處理池的施工過程中，要求該處理池應具有良好的抗浮、防傾效果，控制沉降及相對位移變化數值在設計范圍內，并通過變形觀測掌握該處理池的底部受壓狀態及處理池的整體狀態。常用變形觀測方法在此工程中，因沉降、傾斜及位移觀測點分布并不能做到位于同一觀測位置，遂無法對具體觀測點位的三項數值進行綜合分析，也無法針對同一點進行狀態判斷，從而無法給出相對措施。在具體的施工過程中，該處理池應用了本文提出的變形觀測新法，經過整體建模計算受壓及變形狀態，在處理池基礎的關鍵受壓部位，如結構角部位、集中堆載部位、運輸通道及焚燒進氣通道部位的底部及相對垂直部位安置了測量前端，具體布置效果如圖4所示。

圖4 某地生物質發電廠應用效果示意

在施工及維護的變形觀測中發現，此方法能有效地將觀測點的沉降、傾斜、位移3項觀測數據通過測量前端無線發送至遠程控制終端，并在數據處理平臺中得到實時反饋。通過分析關鍵觀測點位得到的數據，可直觀了解到該點位在設定的觀測周期中產生的數值變化，并綜合三項數據判定該點位變形數值是否控制在有效范圍內，從而為該處理池的施工及維護過程提供了良好的數據支撐，并為相關施工方案及對策措施的制定提供了一定幫助。

3 觀測方法對比分析

在復雜環境下的功能性特殊，有滲漏、傾覆危險等的特殊建筑物的建造過程中，或在復雜環境下的普通建筑的觀測工作中，常用的建筑變形觀測手段獲得數據的方式較為單一，且時效性及準確度較差，數據離散現象較為明顯，雖然可通過人工制定觀測計劃并及時落實，但仍存在周期短、數據不全面等缺陷。本文所提出的觀測新法，通過物聯及數據平臺的搭建，集成了現階段可達到的高精度硬件傳感器并使其為建筑施工服務，達到一點多用的布設要求，且提供實時或周期性數據傳輸，保證了觀測工作的精確、有效。利用該方法，結合時下建模及有限元分析技術，可針對建筑物的整體狀態進行分析，及時發現建筑物不利的變形狀態，從而采取有效防控措施，一定程度上對復雜環境下特殊建筑物的變形觀測具有積極的指導意義。

4 結語

采用新法進行復雜環境下特殊建筑物沉降與傾斜位移觀測工作時，通過物聯技術與信息技術的應用，達到了觀測數據的集成化收集與分析處理，減少了變形觀測工作中人為操作因素的誤差，提高了數據準確性及觀測效率。其該新法能做到在既定觀測周期內針對同一觀測點進行縱向比較，也可對不同觀測類型的觀測數據進行橫向比較，在建筑物的整體變形觀測中具有積極的應用價值。目前，此項技術正處于發展階段，仍然面臨許多實際問題，如硬件標準及使用規范不統一，高精度傳感器及其使用成本相對較高，數據分析處理平臺不完善等，后期可根據建筑類型及功能性等要求對觀測所用硬件設備及規范進行統一制定，對觀測數據分析規則的標準進行規定并完善其綜合數據計算平臺的搭建。相信經過后期的改進與創新，及建筑工業化的不斷發展和相關高性能傳感器硬件的普及應用，該新法能在大多數建筑物的施工、使用與維護中應用。