建筑物沉降、傾斜自動化監(jiān)測系統探究實踐思考*

池匯海 伍砥柱 殷才華

貴州中建建筑科研設計院有限公司 貴州 貴陽 550009

引言

在建筑物施工過程中，做好沉降和傾斜監(jiān)測，屬于非常重要的工作內容。根據所得到的監(jiān)測數據，可以對建筑物后期沉降/傾斜速度、后期沉降/傾斜總量等參數進行科學預估，及時采取措施對其進行處理，從而將建筑物沉降、傾斜量控制在安全范圍內，提高建筑物工程的穩(wěn)固性。

1 沉降監(jiān)測要點

1.1 布設工作基點

在建筑物沉降監(jiān)測中，布設工作基點屬于非常基礎的工作內容。在具體布設中需要綜合考慮建筑物形狀、結構方式、地形條件、地質參數、樁基礎類型等因素，選擇可以敏感反應建筑物沉降狀態(tài)的位置。同時對于沉降監(jiān)測點數量進行控制，例如，在高層建筑物沉降監(jiān)測活動中，需要布設三個基準點，布設點和建筑物之間的距離控制在50～100m，以滿足沉降監(jiān)測要求。另外，應建立固定的觀測路線，對于架設儀器的站點和轉點做好標注，確保初始數據的統一性。

1.2 觀測周期

合理地觀測周期可以直觀反映出目前該建筑的沉降狀態(tài)，這也要求開展監(jiān)測任務前，需做好統籌規(guī)劃工作，明確時間間隔，以獲取到完整的監(jiān)測數據。基于以往的作業(yè)經驗，在施工期間展開沉降監(jiān)測活動時，時間間隔多以3d、7d、15d為主，并且隨著建筑物層數、總荷載的增加，時間間隔也會進行縮減，確保獲取監(jiān)測數據的完整性。如果施工期間遇到暫時停工，那么在停工時和再次開工時展開一次觀測，以確定建筑物在暫停施工時產生的沉降變化量，借此為后續(xù)觀測方式、觀測次數調整提供參考。在建筑物竣工后，也需要進行若干次沉降監(jiān)測，監(jiān)測間隔為1個月、2個月、3個月、半年與1年等，如果最后3個周期建筑物的沉降速度不超過0.04mm/d，那么可判定該建筑物已經進入到穩(wěn)定階段。

1.3 監(jiān)測過程

確定監(jiān)測周期之后，需要在工作基點穩(wěn)固后展開監(jiān)測，目前建筑物的層數較多，同時還有若干地下結構。因此在首次觀測活動時，需要從基礎開始進行監(jiān)測，隨后圍繞縱橫軸線來展開沉降監(jiān)測，由于是第一次監(jiān)測，因此對于觀測數據精度要求較高，多使用N2級精密儀器來完成監(jiān)測，同一監(jiān)測點需進行至少2次觀測，若所得數據高差小于±0.5mm，表明所得監(jiān)測數據合規(guī)。隨著建筑物高度的增加，需要對之前的監(jiān)測點進行復測，直到建筑工程竣工。另外，在監(jiān)測過程中也需要布置若干永久監(jiān)測點，以便于后續(xù)監(jiān)測活動的有序展開。

1.4 精度要求

基于建筑物的基本特點，也需要匹配相應的觀測精度，通常情況下，在建筑物沉降監(jiān)測活動中，使用二等水準測量方法便可滿足沉降觀測要求，而測量方法應用背景下對應的精度要求如下：①往返較差、附和或環(huán)線閉合差：△h=∑a-∑b≤1.0，n表示測站數；②沉降監(jiān)測時的前后視距需控制在30m以下；③進行沉降監(jiān)測時，監(jiān)測點的前后視距高差值不應超過1.0m；④整個監(jiān)測過程中儀器的前后視距累積差值不應超過3.0m；⑤在沉降觀測點相對于后視點的高差容差≤1.0mm。

2 傾斜監(jiān)測要點

2.1 測點布置

展開傾斜監(jiān)測活動時，測點布置屬于非常基礎的工作內容。在建筑物的施工過程中，涉及土體開挖、回填等工作，過程中土體應力會發(fā)生改變，從而對建筑物整體產生影響，導致建筑物出現傾斜問題。此時建筑物的受力會出現偏心問題，使得其整體出現受力不均的情況，因此也需要在合理位置布設傾斜監(jiān)測點，獲取相應的傾斜監(jiān)測數據，便于后續(xù)穩(wěn)固措施的順利擬定。在監(jiān)測點布設過程中，會在建筑物的上部和下部均勻布設4個監(jiān)測點，利用上下兩測點水平投影位移差來確定建筑物的傾斜狀態(tài)。

2.2 監(jiān)測方法

在建筑物傾斜測量活動中，會使用到全站儀正倒鏡法。該監(jiān)測方法在應用中，應注意以下內容：第一，合理選擇匹配型號的全站儀，將其固定在某點（記作Q），對中整平處理后，測量Q點和下部監(jiān)測點（記作A點）之間的距離（記作d1）和標高（記作H1），隨后再測量Q點和上部監(jiān)測點（記作B點）之間的距離（記作d2）和標高（記作H2），以及上部監(jiān)測點和下部監(jiān)測點之間的距離H0。第二，假定建筑物出現了傾斜，即A點偏移到了A0位置，B點偏移到了B0位置。此時再次在Q點架設全站儀，重新獲取Q點和A0、B0之間的距離，記作d3和d4，隨后展開傾斜度的計算。第三，在傾斜度的計算中，需分別計算A點和B點的位移量，記作a0和b0，由此可以獲得A0相對于B0的位移量，記作△AB，（△AB=|a0-b0|），從而得到傾斜度i=△AB/H0×100%。

3 建筑物沉降，傾斜自動監(jiān)測系統設計

3.1 自動監(jiān)測儀器選型

在自動檢測系統的設計中，所使用到的監(jiān)測儀器如下：①壓差式靜力水準儀。壓差式靜力水準儀是一款高精度壓差式靜力水準傳感器，該傳感器是由進口元件組成，通過工業(yè)化設計，具備體積小、響應速度快、長期穩(wěn)定性的特點。該傳感器在實際應用中，會使用到多個傳感器，以此來組建測試體系，獲取到更加完整和準確的監(jiān)測數據。②AZ103X 傾斜儀。該儀器使用高精度 MEMS 傳感器，結合溫度、地磁傳感器的傾斜與振動模塊，能夠垂直或者水平安裝，完成深層土體水平位移、傾斜、振動、沖擊等測量；外形尺寸：27×25×112cm，防水能力：水下200m，具備了良好的監(jiān)測性能。

3.2 傳感器系統

在自動化監(jiān)測系統的設計中，傳感器系統屬于重要的組成部分。通常情況下為了確保獲取建筑物監(jiān)測數據的完整性，需在垂直方向和傾斜方向安裝相匹配的監(jiān)測傳感器，以獲取到準確的監(jiān)測數據。而傳感器的工作原理是：傳感器內部的壓敏元件會在單晶硅片上擴散惠斯通電橋。在測量過程中，相應介質產生的壓力會改變結構的壓阻效應，此時電阻值便會發(fā)生變化，產生差分電壓信號，而系統會借助專用放大器將信號轉換為模擬信號，利用傳輸系統完成信號傳輸。為了確保建筑物獲取監(jiān)測數據的完整性，會基于建筑物特征在合適位置布設監(jiān)測點，在監(jiān)測點布設相應的傳感器，設置傳感器傳輸頻率，確保監(jiān)測過程的連續(xù)性。

3.3 數據采集系統

在自動化監(jiān)測系統的設計中，數據采集系統也屬于重要的組成部分。該系統在應用中的主要作用在于，對于建筑物沉降數據、傾斜數據進行收集，并且在傳輸前也會對數據進行初步整理，以此來加快數據傳輸效率。在對數據采集系統進行設計時，需要滿足以下應用要求：①系統需要具備良好的通用性，即可以根據實際需求情況來對結構進行靈活設計，以滿足相應的使用需求。②可以根據實際需求來匹配標準接口，使其可以和傳感器系統順利關聯在一起，確保信息傳輸過程的完整性。③考慮到建筑物沉降、傾斜監(jiān)測獲取數據較多，因此也需要做好多通道設計，使其可以滿足多通道同步傳輸需求。④基于實際情況來對數據采樣頻率進行靈活設計，從而提高信號傳輸結果的完整性與高效性。

3.4 信息傳輸系統

在對信息傳輸系統進行設計時，會使用到有線和無線傳輸系統，以無線傳輸系統為例，目前使用較多的無線傳輸技術包括Zig Bee技術、Wi-Fi技術、GPRS技術、5G通信技術等。以5G通信技術為例，該技術在應用中具備數據傳輸速度快、保真度高等優(yōu)勢，在現場監(jiān)測中有著良好應用。并且在傳輸系統的設計中也需注意以下內容：①在數據傳輸之前需要對數據格式進行統一調整，搭配開放式通信協議完成信息傳輸；②如果需要進行遠程數據傳輸，那么在前期應用中需要使用具備校驗性能的通信協議，起到提高數據傳輸準確性的作用；③所有的通信協議都需要滿足國家通用標準，特殊數據也需要提前進行加密，以提高傳輸數據的完整性與可靠性。

3.5 監(jiān)測中心系統

3.5.1 數據處理系統。在對數據處理系統的設計中，需要其具備以下通用功能：①可以對數據進行分類處理，沉降數據、傾斜數據在傳輸前、傳輸中都進行了初步處理，但是為了確保分析結果的準確性，還需要對數據進行校核，篩選出準確的監(jiān)測數據。同時以監(jiān)測類型、監(jiān)測時間作為分類依據，對于監(jiān)測數據進行分類整理。②對于數據進行修正處理，該功能是將傳輸數據中的偏差數據進行修正，對于完成修正處理的數據信息，也會直接錄入到三維系統當中，以首次監(jiān)測數據作為傳輸數據，建立相應的三維坐標系。③在三維體系當中會對信息變化量進行梳理，并以此來完成變化曲線繪制，從而提高數據分析結果的直觀性，便于預測工作的順利展開。

3.5.2 信息預警系統。在信息預警系統的設計中，需注意以下內容：①明確相應的監(jiān)測預警值，根據前期得到的勘察資料，選擇相應的建筑規(guī)范來篩選預警值，這也為后續(xù)分析工作的展開提供良好參考。②根據獲取到的監(jiān)測值來確定預警區(qū)間，一般數值臨近預警紅線時，監(jiān)測系統便會將預警信息傳輸到系統當中，通過交互端來完成預警，相關人員根據沉降或傾斜情況，擬定相應的處理措施，確保建筑物的穩(wěn)固性[1]。

3.5.3 信息存儲系統。在對信息存儲系統進行設計時，應注意以下內容：①對于獲取到的沉降監(jiān)測數據、傾斜數據，都需要根據時間線進行存儲，建立相應的數據庫。②在對數據信息進行存儲時，應使用開放性標準數據庫，而且該數據庫在應用中，也需具備充足的數據庫容量、信息共享性能，這樣便于數據信息的快速檢索，提高數據信息的應用價值。③對于存儲的數據信息，也需要具備便于維護、定期自動備份和更新等功能，所備份的數據信息需要和豬數據庫中的信息分開存放，便于數據丟失時可以及時找回[2]。④對于以往的監(jiān)測數據，會采用TXT、Excel等格式進行存儲，而且這些存儲格式應滿足快速備份、共享等要求，這樣也便于數據信息的快速獲取，為后續(xù)數據信息整理工作的展開奠定基礎。

3.6 電路模塊設計

在自動化監(jiān)測系統的設計中，應設計相匹配的電路模塊，為確保監(jiān)測過程的穩(wěn)定性，會使用外部蓄電池進行供電。但是從節(jié)能角度進行考量，會在傳感器模塊位置布設太陽能電池，供電的規(guī)格選擇12～24V直流電，從而確保傳感器數據采集過程的持續(xù)性。同時在模塊設計中也會使用到DC-DC穩(wěn)壓模塊，作用是維持整個電路模塊的穩(wěn)定性。另外，在模塊設計中也會應用到標準電壓（5V）展開供電，確保整個監(jiān)測過程的穩(wěn)定性[3]。

3.7 數據發(fā)布系統

除了上述應用系統以外，在自動化監(jiān)測系統的設計中，還需要做好數據發(fā)布系統設計。在該系統的設計中，需要根據實際需求情況來反饋不同監(jiān)測時間、監(jiān)測位置的沉降或傾斜信息，以此來提高信息交互過程的流暢性。現階段使用到的發(fā)布系統為Web平臺，在該平臺中會利用HTML文本來對數據信息進行整理，而且該平臺還可以根據實際情況來調整輸出數據格式，從而提高所整理數據信息的時效性和直觀性。

4 結束語

綜上所述，在建筑物施工過程中，做好沉降、傾斜監(jiān)測屬于非常重要的工作內容。為提高獲取監(jiān)測數據的實效性，會利用大數據技術、互聯網技術來建立自動化監(jiān)測系統，一方面，可以進一步加快監(jiān)測數據獲取的及時性；另一方面，能夠為建筑物加固提供可靠建議，提高建筑物施工質量。