建筑物傾斜觀測(cè)方法研究

曾習(xí)文

（廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)中心有限公司，廣州 531000）

0 引言

近年來(lái)，隨著建筑物倒塌事故頻繁發(fā)生，建筑物的穩(wěn)定性和安全性已經(jīng)成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。建筑物傾斜觀測(cè)是保障建筑物安全的重要手段，它能有效地監(jiān)測(cè)和評(píng)估建筑物的穩(wěn)定狀態(tài)。在使用場(chǎng)景中，傾斜觀測(cè)既能夠在施工運(yùn)營(yíng)中實(shí)施，也可以在緊急搶險(xiǎn)項(xiàng)目中評(píng)估建筑物安全性展現(xiàn)其作用。關(guān)于建筑物傾斜觀測(cè)的方法較多，本文對(duì)幾種常用的觀測(cè)方法進(jìn)行了介紹和梳理。

1 建筑物傾斜觀測(cè)基本原理

建筑物的傾斜觀測(cè)分為整體觀測(cè)和局部觀測(cè)，在進(jìn)行整體觀測(cè)時(shí)，是通過(guò)測(cè)定建筑物頂部相對(duì)于底部的水平位移，計(jì)算建筑物整體的傾斜度和傾斜方向。當(dāng)測(cè)定局部?jī)A斜時(shí)，應(yīng)該在同一豎直線上的上部和下部進(jìn)行觀測(cè)[1]。在進(jìn)行建筑主體樓棟傾斜觀測(cè)時(shí)，采用的是整體觀測(cè)的方式，其觀測(cè)原理如下：

如圖1 所示，A 點(diǎn)和B 點(diǎn)位于某建筑物的頂部與底部點(diǎn)，且位于同一豎直線上，當(dāng)建筑物發(fā)生了傾斜時(shí)，A 點(diǎn)相對(duì)于B 點(diǎn)位移了數(shù)值e。

圖1 建筑物傾斜觀測(cè)

則該建筑物的傾斜為：

式（1）中，h 為A、B 兩點(diǎn)的高度差；i 為傾斜度；α 為傾斜角度。

2 建筑物傾斜測(cè)量方法

2.1 投影法

投影法采用的觀測(cè)儀器是經(jīng)緯儀或全站儀，投影時(shí)儀器需要固定在測(cè)站A 點(diǎn)上，整平對(duì)中后，用盤(pán)左盤(pán)右兩個(gè)度盤(pán)位置往下投影，取中點(diǎn)M1，并量測(cè)中點(diǎn)M1與M 點(diǎn)在視線垂直方向的偏移值eM，見(jiàn)圖2 所示。同理，在與原觀測(cè)方向垂直的另一方向上，測(cè)得偏移值為eN，根據(jù)矢量相加的方法，計(jì)算出該建筑物的總偏移值為，見(jiàn)圖2 所示。董春來(lái)等[2]通過(guò)對(duì)經(jīng)緯儀投影法的分析得出三種實(shí)測(cè)方法，分別為：投影線交會(huì)法、測(cè)小角法、延長(zhǎng)線法。其中延長(zhǎng)線法的觀測(cè)操作簡(jiǎn)易，測(cè)定精度高，可以較快完成測(cè)量作業(yè)。

圖2 建筑物傾斜觀測(cè)投影示意圖

在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，投影法使用廣泛，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，可以快速直觀地測(cè)出傾斜偏移量。

2.2 前方交會(huì)法

前方交會(huì)是一種實(shí)用性較強(qiáng)的經(jīng)典測(cè)量方法。在目前全站儀精度都普遍較高的前提下，采用該方法能夠測(cè)量較多高聳建筑物的傾斜，特別是圓形高聳建筑物，王瑞斌等[3]采用角度前方交會(huì)的方法對(duì)風(fēng)電塔架進(jìn)行觀測(cè)，將塔架傾斜數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)傾斜數(shù)據(jù)相比對(duì)，其結(jié)果表明了該方法的數(shù)據(jù)可靠、測(cè)量精度較高，能夠很好地在高聳建構(gòu)筑物中運(yùn)用。朱軍桃等[4]在前方交會(huì)的基本原理下，提出了在三方交會(huì)情況下，增加一條基線，根據(jù)三角形性質(zhì)確定交會(huì)點(diǎn)位的最優(yōu)值，評(píng)定其精度，并通過(guò)了小角法傾斜測(cè)量結(jié)果和實(shí)地測(cè)量的方式驗(yàn)證了三方交會(huì)的可靠性。

前方交會(huì)法采用的觀測(cè)儀器是經(jīng)緯儀或全站儀，在進(jìn)行控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)，需要保證基準(zhǔn)點(diǎn)通視，交會(huì)角宜在60°～120°之間[5]。

本方法控制網(wǎng)布設(shè)比較簡(jiǎn)單，可以根據(jù)測(cè)量需要建立獨(dú)立坐標(biāo)系，同時(shí)對(duì)于高聳建筑物該方法使用方便[6]。對(duì)于不具備埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圓筒形建筑物，該方法的優(yōu)勢(shì)更為明顯[7]。

2.3 差異沉降法

差異沉降法一般是針對(duì)建筑物局部?jī)A斜觀測(cè)，更多的是運(yùn)用在地基基礎(chǔ)的變形。根據(jù)JGJ8-2016 中關(guān)于傾斜的觀測(cè)規(guī)定，利用相對(duì)沉降量間接確定建筑傾斜時(shí)，可采用水準(zhǔn)測(cè)量或靜力水準(zhǔn)測(cè)量等方法通過(guò)測(cè)定差異沉降來(lái)計(jì)算傾斜值及傾斜方向。具體的測(cè)量方法是在建筑物樓體的基礎(chǔ)上布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的相對(duì)沉降量與兩點(diǎn)之間的距離比值，來(lái)確定建筑物的傾斜及方向。

對(duì)于樓體構(gòu)造較為方正的建筑物，可以通過(guò)在各個(gè)墻面基礎(chǔ)上埋設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，采用差異沉降及兩點(diǎn)的距離來(lái)測(cè)量各個(gè)方向的傾斜值。針對(duì)在某個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的傾斜變化，該方法的精確度高，且操作便捷。

2.4 免棱鏡全站儀測(cè)量法

傳統(tǒng)的全站儀需要在目標(biāo)上放置反射棱鏡，以測(cè)量距離和角度。而免棱鏡全站儀（Reflectorless Total Station，RTS）可以直接測(cè)量目標(biāo)，無(wú)需額外的反射裝置。免棱鏡全站儀通常具有高精度，能夠測(cè)量距離、水平角度和垂直角度，并生成精確的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。其次，免棱鏡全站儀通常配備觀測(cè)儀器、激光測(cè)距儀和計(jì)算機(jī)等設(shè)備，使測(cè)量更加高效和自動(dòng)化。再者，免棱鏡全站儀可以存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行后續(xù)分析和處理。而且與傳統(tǒng)全站儀不同，免棱鏡全站儀可以在沒(méi)有直線視線的情況下進(jìn)行測(cè)量，例如在復(fù)雜地形或障礙物密集的環(huán)境中。單就建筑物傾斜得觀測(cè)而言，普通全站儀測(cè)量目標(biāo)物的傾斜率時(shí)必須要測(cè)量出目標(biāo)物的高度，而免棱鏡全站儀可以直接跳過(guò)這一步，憑借其具有的特殊功能，直接測(cè)量出目標(biāo)物的傾斜率。

2.5 激光掃描技術(shù)

三維激光掃描儀，通過(guò)測(cè)距機(jī)構(gòu)發(fā)射激光，測(cè)量掃描儀到被測(cè)物體的空間距離，測(cè)角機(jī)構(gòu)測(cè)量出掃描儀到被測(cè)物體的水平角與垂直角，根據(jù)所得到的水平角、垂直角與空間距離可以計(jì)算出被測(cè)物體相對(duì)三維激光掃描儀的相對(duì)位置，再引入絕對(duì)坐標(biāo)可以求得被測(cè)物體的絕對(duì)空間坐標(biāo)。進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成后，需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減、點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云降噪、點(diǎn)云后處理等精細(xì)化處理[8]。馬彥鳳[9]通過(guò)三維激光掃描的方法，采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合建筑物中心線求取傾斜量和傾斜度，并通過(guò)全站儀對(duì)建筑物進(jìn)行觀測(cè)驗(yàn)證，其成果表示三維激光掃描能夠滿(mǎn)足一般建筑物傾斜觀測(cè)的精度要求。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

廣州市某商住樓項(xiàng)目為地上5 層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積約3600m2，建造時(shí)間為2017年。2022年8月起，因該房屋地基出現(xiàn)不均勻沉降，導(dǎo)致房屋主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的裂紋，對(duì)于住戶(hù)產(chǎn)生了較大的安全隱患。為觀測(cè)該房屋的變形情況，評(píng)估房屋的安全性，為后續(xù)加固提供指導(dǎo)意見(jiàn)，遂開(kāi)展該房屋的傾斜觀測(cè)。

3.2 觀測(cè)方法

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘了解建筑物的整體情況及周邊環(huán)境，采用全站儀免棱鏡測(cè)量法進(jìn)行傾斜觀測(cè)。在建筑物的東南西北四個(gè)面的正前方設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，每次觀測(cè)均在同一位置進(jìn)行設(shè)站。在建筑物的各個(gè)立面，各選立面上下兩個(gè)部位進(jìn)行觀測(cè)。采用Trimble S9 全站儀對(duì)建筑物四個(gè)面上的8 個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行觀測(cè)（圖3），在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Z 軸上分別利用全站儀的免棱鏡觀測(cè)方法獲取兩個(gè)不同高度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)差以得到房屋的偏移量，如圖4 所示。下一個(gè)周期在固定的基準(zhǔn)點(diǎn)上，同樣對(duì)四個(gè)面的8 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)對(duì)比三次不同的觀測(cè)結(jié)果，能夠有效地分析建筑物整體傾斜的變化量，了解其變形趨勢(shì)。按照每月一測(cè)的監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行觀測(cè)。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位平面圖

圖4 QX1 觀測(cè)立面圖

3.3 數(shù)據(jù)分析

本次觀測(cè)采取對(duì)建筑物各平面進(jìn)行單獨(dú)觀測(cè)，對(duì)立面進(jìn)行兩兩分析的方法，分析建筑物不均勻沉降導(dǎo)致的開(kāi)裂及傾斜方向的原因。從3 次觀測(cè)數(shù)據(jù)中看出：北方向中的QX3、QX4 的最大偏移量呈北偏移77.2mm（表1）；南方向中的QX7、QX8 的最大偏移量呈北偏移75.1mm；西方向的QX1、QX2 的最大偏移量呈東偏移17.4mm（表2）；東方向的QX5、QX6 的最大偏移呈東偏移35.2mm（表2）。由此可知該建筑物整體往北方向傾斜較大，并且往東方向傾斜存在不均勻現(xiàn)象。上述結(jié)果是影響建筑物墻體開(kāi)裂的主要因素。

表1 第1 次建筑物傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)

表2 第3 次建筑物傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)

我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)還發(fā)現(xiàn)，該建筑物墻體在南北方向的存在大量不同程度的開(kāi)裂痕跡，與本次觀測(cè)結(jié)果（東西方向存在的傾斜不均勻?qū)е碌膲w被拉裂）相符合；各樓層的地板也存在明顯的往北傾斜的趨勢(shì)，這也與本次觀測(cè)結(jié)果（建筑物往北傾斜比較大）的結(jié)果相符合。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著觀測(cè)儀器測(cè)量功能的迭代更新，觀測(cè)建筑物傾斜的方法也越來(lái)越多。在進(jìn)行觀測(cè)方法選擇時(shí)，需要考慮的影響因素主要有：一是測(cè)量及時(shí)性，特別是針對(duì)存在較大安全隱患的建筑物進(jìn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要能夠快速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理；二是測(cè)量精度，由于建筑物構(gòu)造體型各異，對(duì)于超高層建筑、圓形和塔型建筑物，測(cè)量方法需要考慮精度要求，從而確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；三是便捷性，傾斜觀測(cè)一般采用的設(shè)備是全站儀和經(jīng)緯儀，測(cè)量過(guò)程對(duì)環(huán)境的通視條件有一定的要求。具體觀測(cè)方案選擇還是要綜合考慮建筑物的構(gòu)造體型、周邊環(huán)境以及對(duì)觀測(cè)精度要求等約束條件。