一種利用免棱鏡全站儀進(jìn)行傾斜觀測的新方法

付 宏

(太原市住宅保障中心，山西 太原 030001)

1 概述

建筑整體傾斜觀測是多層和高層建筑變形觀測的一項重要內(nèi)容，對于建筑的施工和維護(hù)具有重要意義。整體傾斜觀測的方法常用經(jīng)緯儀(全站儀)投點法、吊垂線法、激光準(zhǔn)直法等，其中投點法因其受周圍環(huán)境影響小、操作便捷、數(shù)據(jù)處理簡單，所以使用更加廣泛。但投點法也有其局限性，一般僅適用于立面為矩形的建筑或角部為直角的建筑。然而，近年來，隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑的外圍輪廓和形狀越來越多樣化，在使用傳統(tǒng)投點法進(jìn)行整體傾斜觀測時就遇到了困難。鑒于此，筆者利用免棱鏡全站儀實驗了一種新的用于整體傾斜觀測的方法，并在工程實踐中對其精度進(jìn)行了驗證。

2 傳統(tǒng)投點法

傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀(全站儀)投點法進(jìn)行整體觀測傾斜的方法如圖1所示。

投點法觀測的位置一般選取建筑的直角部位(如圖1所示)，首先找到建筑Ⅰ面墻頂部與底部對應(yīng)的一對點，頂部觀測點記為M，底部觀測點記為N。將經(jīng)緯儀(全站儀)安置于正對Ⅰ面墻的位置，儀器的架設(shè)距離應(yīng)為建筑高度1.5倍～2.0之間。照準(zhǔn)建筑頂部觀測點M，制動儀器的水平度盤，轉(zhuǎn)動豎直度盤，使儀器的視線沿垂線投影至與N點同一水平線上，記為點N′；量取點N與點N′之間的距離ΔB，即得到建筑物平行于Ⅰ面墻的偏移量；同時，根據(jù)點N′、點N的相對位置，可以判斷建筑平行于Ⅰ面墻的傾斜方向。同理，將儀器搬至與Ⅱ面墻垂直的位置，采用上述方法，觀測點Q和點Q′，量取距離ΔA。

將ΔA和ΔB矢量相加，即可得到Ⅰ，Ⅱ面墻所夾房角處的總偏移量，將總偏移量與建筑的高度相除，即為該房角的傾斜率。同時，根據(jù)點N′、點N和點Q′、點Q的相對位置，可判斷出該房角的傾斜方向。

3 投點法的改進(jìn)

通過以上簡單的介紹，我們不難看出，經(jīng)緯儀(全站儀)投點法操作便捷、數(shù)據(jù)計算方便。但在現(xiàn)場實際觀測過程中，由于頂部與底部的對應(yīng)點(即點M和點N，或點J和點Q)在建筑墻面上不易準(zhǔn)確找到，所以一般以墻角的頂部和底部為觀測點。正因為如此，對于墻角并非直角的建筑而言，則無法采用傳統(tǒng)的投點法進(jìn)行傾斜觀測。

而免棱鏡全站儀的出現(xiàn)，則為上述傾斜觀測遇到的問題提出了一種新的解決辦法。免棱鏡全站儀利用激光作為光源，在沒有棱鏡或反射片的情況下，依然可以進(jìn)行高精度的測距工作。筆者就是利用其這一特點，對傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀(全站儀)投點法進(jìn)行了一定的改進(jìn)，使用此改進(jìn)后的方法可直接測定建筑的傾斜方向和偏移量。

改進(jìn)后的投點法原理見圖2。

在與墻面垂直的某點架設(shè)免棱鏡全站儀，利用免棱鏡模式直接觀測建筑頂部觀測點M，記錄所測平距HA；制動儀器的水平度盤，轉(zhuǎn)動豎直度盤，觀測建筑底部觀測點N，記錄所測平局HB。由于在一個觀測測回中，儀器與墻面的相對位置固定，所以HA與HB的差值即為該墻面傾斜的偏移量e，即e=HA-HB。而通過此方法得到的傾斜方向則垂直于墻面，即若e>0，則該墻面傾斜方向為遠(yuǎn)離儀器的方向；若e<0，則傾斜方向相反；若e=0，則該墻面沒有發(fā)生傾斜。

4 工程實例

利用上述原理，筆者就某一工程實例進(jìn)行了實驗，以驗證其操作的可行性和數(shù)據(jù)的精度情況。

某建筑東西長79 m，南北寬76 m，地上6層，高度為23.6 m，平面外形為多邊形，建筑房角并非直角。建設(shè)單位懷疑該建筑因不均勻沉降發(fā)生了傾斜變化，需對其進(jìn)行整體傾斜觀測，了解其傾斜率及傾斜方向(允許傾斜率不超過0.004)。建筑外輪廓及傾斜觀測點示意圖見圖3。由于該建筑的墻角并非直角，為了能夠觀測到整體傾斜，直接將建筑的墻面中部作為觀測目標(biāo)，對建筑的每個墻面進(jìn)行傾斜觀測，觀測點編號1號～4號。在本工程實例中，使用的全站儀型號為索佳NET05X，其精度為：測角精度0.5″，免棱鏡模式下測距精度1 mm+1 ppm。

根據(jù)JGJ 8—2016建筑變形測量規(guī)范，本次觀測的精度按二等精度執(zhí)行，要求建筑頂部觀測點相對于底部觀測點的水平位移分量中誤差不大于3.0 mm。以3號觀測點為例，在距離Ⅲ面墻一定距離的位置上架設(shè)全站儀，用免棱鏡模式觀測墻頂，記錄所測平距HA；制動全站儀的水平度盤，旋轉(zhuǎn)垂直度盤直至墻底進(jìn)行觀測，記錄所測平距HB。觀測數(shù)據(jù)見表1。

表1 觀測數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析過程如下：用me,mHA,mHB分別表示偏移量e、平距HA、平距HB的中誤差，由于e=HA-HB，根據(jù)誤差傳播定律，可知：

(1)

(2)

其中，m為中誤差;v為每一次的觀測值與平均值的差值；n為觀測次數(shù)。

計算得mHA=±1.10 mm，mHB=±0.78 mm，繼而求得me=±1.35 mm≤3.0 mm，滿足精度要求。

在本工程實例中，3號觀測點的傾斜方向為垂直Ⅲ面墻且靠近儀器方向，傾斜率的平均值為0.003 2，未超過允許值的要求。

5 結(jié)語

1)改進(jìn)后的方法仍會遇到部分傳統(tǒng)投點法施測過程中的問題，利用免棱鏡全站儀進(jìn)行傾斜觀測，操作更加簡單，不再借助小鋼尺等輔助工具進(jìn)行距離量測，避免了因小鋼尺精度不足導(dǎo)致測量結(jié)果精度降低的影響；同時，此方法不再需要特意尋找墻面上對應(yīng)的頂部與底部特征點，觀測對應(yīng)點的位置選擇更加靈活，從而實現(xiàn)對外形更加復(fù)雜的建筑進(jìn)行傾斜觀測。與傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀(全站儀)投點法不同的是，傳統(tǒng)投點法觀測到的傾斜方向與觀測墻面平行，而改進(jìn)后的方法觀測到的傾斜方向則與觀測墻面垂直。2)此方法是在傳統(tǒng)經(jīng)緯儀(全站儀)投點法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)方法，雖然可以對非直角墻角的建筑進(jìn)行整體傾斜觀測，但是仍無法避免既有建筑外墻保溫和裝飾裝修等對觀測結(jié)果的影響。