高層建筑物變形智能化監測及數據處理方法研究

胡高峰 劉成

上海御一科技有限公司，中國·上海 201615

1 引言

高層建筑從施工準備起，到全部工程竣工后的一段時間內，應按施工與設計的要求，進行沉降、位移和傾斜等變形觀測。一般分兩部分：一部分是觀測高層建筑施工造成周圍鄰近建筑物和護坡樁的變形以及日照等對建筑物施工影響的變形，以保證安全和正確指導施工，這是直接為施工服務的變形觀測；另一部分是在整個施工過程中和竣工后，觀測高層建筑各部位的變形，以檢查施工質量和工程設計的正確性，并為有關地基基礎與結構設計反饋信息。在監測過程中需要對相關的數據進行科學的處理與分析，然后根據實際變形情況采取有效的防治措施。對此，論文將圍繞著高層建筑物變形智能化監測及數據處理方法進行研究。

2 監測數據，估計建筑物的變形情況

隨著中國經濟的飛速發展，土地成為稀缺資源，土地價格迅速上漲，為了提高土地利用率，建筑物的高度逐漸上升，地標性高層建筑物接二連三地出現在我們的視野里。高層建筑物因荷載較大，高度較高，更容易受到外部因素影響，建筑物產生不均勻的沉降的可能性加大。如果建筑物的不均勻沉降超過允許值，就會影響建筑物的使用，是指引發災害，導致建筑物報廢，造成生命安全和財產損失。為了監測建筑物的安全性能，必須對高層建筑進行變形監測，以便及時掌握高層建筑物的形態變化，這對建筑物的安全監控具有重要意義。建筑物沉降觀測是監測建筑物是否變形的主要方式之一，通過定期監測變形觀測點的過程，根據各點之間的高度變化來確定建筑物的沉降量等參數，準確掌握建筑物的沉降變化規律，據此來推斷，沉降變形對建筑物的破壞影響程度，為建筑物設計和防震救災提供科學的依據。監測數據的處理方式主要分為兩種：一種是內部監測數據，另一種是外部測量數據。在監測數據處理過程中，通常都要制定相應的步驟，每一個步驟中的計算工作都應該做到分毫不差，否則就會對最終的數據處理結果造成嚴重影響。

在處理數據時，應該先對外部影響因素的數據進行處理，這樣有利于消除相關影響因素，進而專門處理內部監測數據。在實際處理過程中，工作人員應該先將豎直方向與水平方向的基線變化情況記錄下來，并制作數據處理表。之后將不同觀測時間內豎直方向和水平方向的原基線與基線增量進行記錄，以便于在進行處理時能夠相互對照。最后可以繪制一張相鄰時間段的基線變化曲線圖，進而使相關人員更加直觀地觀察不同觀測過程中基線增量的變化情況。上述分析方法是相對傳統的數據分析法，目前，許多單位開始應用不同的新方法進行建筑變形監測數據處理，例如，最大間隙法與平均間隙法等。

根據傳感器當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過儀表放大器放大成1.5V±1V的強信號，再通過V/F轉換器變換成頻率信號，通過信號環形變壓器從旋轉的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理的工作原理可監測高層建筑物的變形情況。在高層建筑物的建筑過程中，要用好各種傳感器來監視和控制建筑過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態或最佳狀態，從而使高層建筑物達到最佳質量[1]。

此外，有的工作單位還使用卡爾曼濾波法，這是目前應用最多同時也是效果最佳的方法，卡爾曼濾波中最關鍵的組成部分是狀態估計，通過對觀測數據的隨機量進行定量推斷可以估計出建筑物的變形情況，所以這種方法對建筑物變形數據處理工作有一定的幫助。

3 采用多種方法，保證觀測結果的準確性

在對變形數據曲線的繪制過程中，通過分析注意到一種能夠較好反映出變形過程特性的曲線叫變形螺旋曲線法。該曲線形狀上類似于數學中的函數螺線，故將其命名為變形螺旋曲線。該曲線的優點在于反映出了變形體變化的整體過程。當建筑物的荷載漸進增加階段，沉降變形量便隨之不斷加大，此時的變形曲線將以較大的角度向內側圓周收縮；在建筑物的荷載進入穩定階段后，沉降變形量慢慢減少，此時變形曲線沿著某一固定圓周延伸。其次，注重觀測周期的設置。要根據建筑物所在位置的地質情況、地基處理情況和上部結構情況，確定變形觀測周期。主體建筑物建設到正負零時，布設觀測點，設置好觀測點后，進行第一次觀測，確定基準值。觀測點的設置能夠精確地反映出建筑物的沉降趨勢，觀測點需要根據現場及地基基礎的情況而設置。根據建筑物所在位置的地質情況、地基處理情況和上部結構情況，確定變形觀測周期。主體建筑物建設到正負零時，布設觀測點，設置好觀測點后，進行第一次觀測，確定基準值。地下停車庫以每個建筑單元為單位劃分，樁基柱子澆筑完成后，布設觀測點，進行第二次觀測，如有異常，還需增加觀測頻率。

接著，最為關鍵的步驟就是正確使用儀器與觀測，建筑沉降觀測工作的精度要求非常高，所以為了確保觀測結果的精準性，通常情況下的測量誤差應小于變形值的到。為此，高層建筑變形監測工作應該使用S1或S05級的精密水準儀，同時還要使用受環境及溫差變化影響小的高精度銦合金水準尺。本工程主要采用天寶DSO5高精密電子水準儀及一對2m銦鋼尺和0.5s拓普康全站儀。

在高層建筑物的建設過程中，物聯網的大規模應用產生了大量數據，可以對數據進行分級處理和降維處理來減輕系統的負荷。分級處理可以有效減輕系統負負荷；而降維處理又可以有效地壓縮數據量，是處理某些數據的必要步驟，并且已經應用于大規模的圖像處理算法中。物聯網的信息是超大規模的，需要利用感知信息具有的時間和空間相關特性，實現不同空間域中的多粒度分級存儲和檢索，提高資源利用率和信息獲取效率。提出一種基于多級數據處理的嵌入式中間件系統解決方案，系統可實現數據過濾、聚合和處理等功能，在一定程度上提高了高層建筑物整體建設的效率[2]。

穩定也是高層建筑物的主要工作點，穩定是指變形觀測依據的基準點和工作基點，其點位要穩定。基準點是變形觀測的基本依據，每項工程至少要有3個穩固可靠的基準點，并每半年復測一次，工作基點是觀測中直接使用的依據點，要選在距觀測點較近但比較穩定的地方。對通視條件較好或觀測項目較少的高層建筑，可不設工作基點，而直接依據基準點觀測。變形觀測點應設在被觀測物上最能反映變形特征，且便于觀測的位置。與此同時，還要注重四固定，第一，所用儀器、設備要固定；第二，觀測人員要固定；第三，觀測的時間要固定；第四，觀測的路線、鏡位、程序和方法要固定。

4 進行數據處理，直觀顯示監測數據特點

超高層建筑物耗資多，占地面積及樓房體積較大，服役時間長，使用期限通常長達幾十年乃至上百年，對耐用性要求較高。而且現在隨著高層建筑物的增高和荷載的增加，在地基基礎和上部結構的共同作用下，建筑物可能發生不均勻沉降的結構問題，并出現樓體傾斜或裂縫等結構監測問題，影響正常使用，甚至危害建筑物的安全，給國家和人民的生命、財產帶來巨大損失。因此，采用三維模型數據處理能夠實現更直觀明了地顯示變形監測數據的目的，利用Surfer三維模型對變形數據進行處理是一種很好的方式。該軟件通過數據插值網格化后繪制的測區三維立體線框模型，形象地展現了各觀測點間的高程落差和點位的分布情況。采用高精度的監測項目設備，各項技術指標在行業內達到領先水準。逐步實現了自動化與系統高度自動化的一體化，同時，各監測設備巡視采樣周期均小于10分鐘（用戶可根據實際情況設定），使數據實時性增強。除此之外，還能實現全天候監測，使各監測項目不受天氣條件的限制，可以進行全天候實時監測。與此同時，智能、操作界面友好，可利用軟件的智能化實現各監測設備的實時控制，實現海量數據的自動采集與處理，方便數據的存儲與查詢。軟件智能化，界面友好，操控簡單，工作人員上手容易。監測采用穩固的硬件，各監測項目采用的設備都可長時間連續運行，系統故障率小于3%；監控中心采用高性能服務器，支持海量數據的存儲與處理，各項監測數據及報警數據及截圖可保存5年以上，后期可隨需要擴展硬盤，實現所有信息的存儲。其監測系統還具有兼容性的特點，系統滿足開放性標準的要求，方便系統功能的添加、刪除、維護、修改、擴展。系統硬件預留各項接口，可新增監測項目及添加監測設備；系統軟件兼容當前流行的多種數據庫，包括Access、SQL Server、Oracle，并滿足數據庫容量的擴充、系統軟件功能的增強等方面的要求[3]。

5 結語

高層建筑從施工準備到全部工程竣工后的一段時間內，應按施工與設計的要求，進行沉降、位移和傾斜等變形觀測。一般分兩部分，一部分是觀測高層建筑施工造成周圍鄰近建筑物和護坡樁的變形以及日照等對建筑物施工影響的變形，以保證安全和正確指導施工，這是直接為施工服務的變形觀測；另一部分則是在整個施工過程中和竣工后，觀測高層建筑各部位的變形，以檢查施工質量和工程設計的正確性，并為有關地基基礎與結構設計反饋信息。在監測過程中需要對相關的數據進行科學的處理與分析，然后根據實際情況采取有效的防治措施。監測和診斷超高層結構的健康狀況，及時發現結構損傷，對可能出現的災害進行預測，評估建筑結構的安全性、可靠性、耐久性和適用性具有非常重要的現實意義。