高層建筑物工程項目沉降觀測技術方案設計

丁 濤，徐先峰，高學武

（安徽理工大學空間信息與測繪工程學院，安徽 淮南232001）

如今國內經濟快速發展，人們在基礎設施需求方面有了明顯的提高，國內建筑行業如雨后春筍般迅速成長起來，高層建筑物也越來越多，緩解了地面空間建設壓力的同時，也帶來一定的安全隱患。為了杜絕隱患的發生，確保建筑物的安全，在建設前期及完成建造后有必要進行周期性沉降觀測，從而獲得建筑物沉降的變形數據，并分析和預測沉降變形的細節，以便糾正建筑物變形。在施工期間及時采取措施來預防事故發生，避免經濟損失和人員傷亡，確保建設安全進行[1]。

1 沉降觀測技術方案設計

1.1 工程概況

本次選取的高層建筑項目案例占地面積為7 352.32 m2，總建筑面積約為5.79萬m2，總高度為111 m，地下3層，地上22層。場地位于平原微丘地區，地下土質以黃棕壤、水稻土為主。施工區域土壤土層較厚，質地黏重，其中黃土具有阻水、阻氣的性質，進行施工前需對土質進行處理。

1.2 沉降觀測基本要求

1）儀器設備、人員素質的要求。為了確保所做觀測工作能精確地反映高層建筑物的沉降情況，對此在進行沉降觀測時應保證高精度，符合在規定誤差要求內。此次沉降觀測工作使用天寶DiNi03電子水準儀及條紋編碼尺等相關配套儀器。進行沉降工作時，觀測期間的觀測路線、觀測程序、觀測人員以及觀測儀器應盡量保持一致[2]，從而確保在觀測時獲取準確的數據資料。

2）沉降觀測時間要求。在進行建筑物沉降觀測測量時，要嚴格控制觀測時間，并按照相關標準執行，首次測量應該在規定的時間內完成。若未達到標準要求，則會出現測量誤差，得到的原始數據也就不準確了，進而失去了沉降觀測的意義。完成首次測量后還要進行多次復測，根據施工階段來安排復測時間，避免補測漏測的現象發生。只有嚴格按照標準來執行工作，才可以得到較精確的沉降數據。一般情況下，建筑物樓層數增加一層就要復測一次，直到建筑物封頂[3]。所有沉降觀測工作應結合具體施工情況，進行合理的觀測工作安排，確保得到精確的沉降數據。

3）基準點布設?；鶞庶c布設應根據工程的沉降施測方案和布網原則的要求建立，根據現場條件，在建筑物周圍布設4個基點分別為G1，G2，G3，G4，在距離建筑物60 m內的區域，選擇隱蔽性好且通視良好的地點布設基準點。

4）沉降觀測點布設。根據高層建筑項目的設計，并結合建筑物結構特點，沉降觀測點主要選擇建筑物四周和重要的承重結構部位，盡可能均勻地埋設在建筑物的墻體周圍，相鄰觀測點的間距以15～30 m為宜[4]。根據現場實際情況選取沉降觀測點位置，并完成觀測點的布置。

根據建筑物的結構考慮受力情況，將觀測點布設在真正受力體上[5]，確保準確反映建筑物的沉降情況，同時要方便工作人員開展沉降作業，且不會因裝飾施工導致沉降觀測點被破壞。該建筑物整體呈方行，在四周角點布設J1，J3，J6，J8觀測點，在兩側和沉降縫布設J2，J7，J4，J5，J9，J10觀測點，見圖1。

圖1 沉降觀測點布設圖

2 沉降觀測灰色預測模型

2.1 灰色理論的基本概念

通常所指的系統是由客觀世界中相關或相似的事物和因素組成的整體。例如，技術系統、社會系統、經濟系統等。如果一個系統有足夠的信息，其發展和變化規律是明確的，定量描述是有用的，結構和參數是具體的，那么通常稱這個系統為白色系統；當系統的內部特征都是未知的，我們稱這個系統為黑色系統，其是相對于白色系統而言的；如果系統的內部信息和功能部分已知而另一部分未知，這種系統被稱為灰色系統[6]。對于這樣的系統，它們之間的關系相對隱蔽，且其內部因素難以識別，因此很難準確理解這些系統的行為特征。對這類問題進行定量描述時，建模的難度較大。

目前，灰色系統理論已在實踐中得到廣泛應用，例如在工程技術、經濟管理、氣象預報以及政治、社會、工業、農業等領域都取得了一定的應用效果[7]?；疑到y分析方法是基于特定灰色系統的行為特征，它可以在信息數據缺乏時，充分利用較少數據找出相關因素與不同因素之間的數學關系，建立相應的數學模型?；疑A測是對灰色系統問題的未來預測。在實際問題中，通常使用基于灰色GM（1,1）模型進行預測，即當N=1時，GM（1,N）的特殊情況。

2.2 灰色預測理論與模型

灰色預測理論是整個灰色系統理論的重要組成部分。它主要指對原始數據的處理和模型的繪制，以了解系統開發的規律，并對系統的變化進行科學、合理的預測?？梢詫μ囟〞r期內發生事件的未來時間分布情況進行研究。灰色預測模型的本質是將預測數據序列視為灰度或隨時間變化的灰色過程。當執行預測分析時，基于產生累積或其他操作的方法對原始數據進行分類以使序列看起來有規律性，產生相應的預測模型和預測[8]。當前研究出許多種灰色預測模型，而進行沉降數據預測時，使用的一般是GM（1,1）模型，其表達式為

對3-1做一階累加生成序列為

GM（1,1）預測模型的微分方程為

式中：a為發展灰數；μ為內生控制灰數。可得

建立矩陣

按最小二乘法得到

通過式（6）計算出a和μ，將a和μ代入式（3）中，便可進行灰色預測。

確定灰度GM（1,1）預測模型以獲得該結構。根據計算的預測值與實際觀測值之間的相對誤差來劃分狀態間隔?；诼淙朊總€狀態區間的點，預測未來狀態，獲得未來值的預測間隔和發生概率，其中將預測值區間的中間值作為最終預測結果，增加預測的可信度。處理觀測到的沉降初始數據，以建立灰色GM（1,1）預測模型。再進行下一步，如果灰顯，則GM（1,1）模型可用于精度測試，并且滿足測試結果的準確性；如果不是這種情況，則必須更正模型。

3 沉降觀測數據處理與預測

本文以某高層建筑物沉降數據為例，采用GM（1,1）模型預測進行分析，實際得出建筑物沉降趨于穩定，后期沉降量變化浮動很小，得出建筑物后期穩定的結論。根據沉降量和時間周期之間的關系，此次沉降工作最后1期沉降速度比0.01～0.04 mm/d小，符合施工設計工程標準，說明建筑物沉降現象進入穩定階段。

灰色預測模型的優勢在于它可以用更少的數據更好地預測未來趨勢。同時，預測數據越早對預測的影響越小，因此最后的預測值被認為是數據序列的正確終點。在起點下，數據集的左端不應該離正確的終點太遠，也就是說，序列的長度不應該太長。對此，選取J1，J3，J5，J7觀測點測量數據進行GM（1,1）模型預測分析。

預測的第8期、第9期數據與實際測量數據對比，誤差見表1。從預測結果來看，灰色預測建筑物沉降高度結果的精度較高，可以用于高層建筑物的沉降預測。

表1 預測數據與實際測量數據誤差 （m）

4 結束語

為確保建筑物、人身及財產安全，有必要及時有效地評估建筑物安全。在對高層建筑物進行沉降觀測工作后選取灰色預測理論，建立灰色GM（1,1）預測模型，將實際觀測所得沉降數據代入進行分析。選擇不同高度情況下觀測點的測量數據序列進行處理。結果表明，灰色GM（1,1）預測模型可以更好地預測高層建筑物沉降情況，可以指導實際項目。在數據量較少的情況下，灰色預測模型能更好地表現沉降數據趨勢，是大部分沉降觀測數據處理工作采用的比較好的方法。在今后其他關于建筑物沉降預測項目中，可采用灰色預測分析方法來分析建筑物的穩定性，并找出安全隱患，從而杜絕隱患的發生。