高层建筑物变形监测技术方法现状与展望

梁振华

（辽源职业技术学院资源工程系，吉林 辽源136201）

0 引言

随着社会的不断进步，物质文明的极大提高及建筑设计施工技术水平的日臻成熟完善，也因土地资源日渐减少与人口增长之间日益突出的矛盾，也使得高层及超高层建（构）筑物越来越多。在高层建筑物的建设中，从工程施工到竣工，以及建成后的运营期间都要不断地对工程建筑物进行监测，以便掌握工程建筑物变形的一般规律，及时发现问题，及时分析原因采取措施，保证工程建筑物的安全［1］。高层建筑物变形监测的效果主要取决于监测的技术方法。

1 高层建筑变形监测的必要性与意义

高层建筑物的特点包括：（1）基础较深，需进行基坑回弹测量；（2）会有很大的沉降，需要垂直位移监测；（3）楼体高力矩大，需对其倾斜监测；（4）风荷载大，需进行风振测量；（5）墙体温差大，需对建筑物进行日照变形监测。

大型建筑物施工和运营中的安全问题成为政府、地方部门和使用单位十分关注的重要问题，大型建筑物的安全监测也越来越受到人们的重视，重要建筑物变形监测目的体现在：分析和评价建筑物状态、验证设计参数、反馈设计及施工质量、研究正常的变形规律和预报变形的方法等方面。

建筑物的本身也会因为变形及其外部荷载与内部应力的作用发生变形，但如果变形量一旦超出限度的时候，建筑物的使用就会受到影响，如果更严重的话就会危及建筑物的安全。因此，在施工、管理、使用的阶段对建筑进行变形监测是非常必要的。

对高层建筑的变形规律进行分析，有效预测高层建筑的变化趋势，对高层建筑进行安全监控，确保高层建筑安全运营有着重大意义。

2 高层建筑变形监测技术方法

2.1 静态变形监测技术方法

2.1.1 垂直位移监测技术方法

垂直位移监测一般使用水准测量、液体静力水准测量、三角高程测量和GPS高程测量等方法，同时也包括一些专用测量手段，如沉降仪、倾斜仪等。通常高程建筑进行沉降监测时会按照国家二等水准技术要求，运用高精度的仪器把监测点布设成附合水准路线或闭合环路线，并将它们联测到水准基点上。

三角高程测量法是指借助精密经纬仪或全站仪及相关设备，按几何三角测量原理，获取测站与监测点间高差的方法。随着精密三角高程测量技术的完善，其高程测量与几何水准的精度差距越来越小，精密三角高程测量能在一定程度上取代几何水准测量在高层建筑变形监测垂直位移方面的应用。

2.1.2 倾斜监测技术方法

对于基础面积过小的超高层建筑物，最简单的是悬吊垂球的方法，根据其偏差值直接测定建筑物的倾斜；若建筑物无法固定垂球，就可采用经纬仪投影、测水平角、光学垂准和激光铅直的方法来测定；还有就是通过测定建筑物基础相对沉陷的方法来计算建筑物的倾斜，这一般会采用水准测量的方法、液体静力水准测量方法以及气泡式倾斜仪测量法。

2.1.3 水平位移监测技术方法

水平位移监测有很多种方法，最常用的有前方交会法、后方交会法、极坐标法、导线法、视准线法、引张线法等，宜根据条件选用适当的方法。

对于直线形的建筑物，为了观测其横向位移，可采用视准线法；在高层建筑物的变形观测中，可采用极坐标法，其中正垂线法更适合于高层建筑物的水平位移监测；测角前方交会法、经纬仪投点法等方法可以用来判断高层建筑底部与顶部是否有位移产生、其中心的竖直轴线是否垂直。

2.1.4 挠度监测技术方法

对于高层建筑物的挠度可有观测不同高度处的倾斜换算求得，也可采用激光准直仪观测的方法求得。对于高耸建（构）筑物竖直方向的挠度监测，及测定在不同高度上的几何中心或棱边等特殊点相对于底部几何中心或相应点的水平位移，并将这些点在其扭曲方向的铅垂面上的投影绘成曲线——挠度曲线。这可使用测角前方交会法、极坐标法或垂线法。

2.1.5 裂缝监测技术方法

高层建筑物一般用观测标志监测裂缝的变化：（1）石膏标志：在裂缝两端抹一层石膏，等干固后用红漆喷一层跨越裂缝两侧且垂直于裂缝的横线，如果裂缝扩张，石膏就会开裂，则可以观察红线处裂缝的宽度；（2）金属标志：在裂缝的两侧打孔埋设金属标志点，定期用游标卡尺量出两点间的距离变化，即可精确测得裂缝宽度的变化情况。对于面积较大且不便于人工测量的多裂缝，宜采用近景摄影测量方法；当需要连续观测裂缝变化情况时，还可以采用裂缝计或传感器自动测记方法。

2.1.6 日照变形监测技术方法

高层建筑由于其高度，导致其不同高度的不同部位受阳光照射后的变形量也不一样。日照变形监测应该在强光时段进行，而且还应该测定建筑物上部阴阳两面由于温差引起的偏移量和变形规律。

当利用建筑物内部竖向通道观测时，应采用激光铅直仪观测；当从建筑物或单柱外部观测时，可采用测角前方交会或方向差交会法；对于单柱的观测，按不同测量条件，可选用经纬仪投点法，测顶部观测点与底部观测点之间的夹角法或极坐标法［2］。

2.2 动态变形监测技术方法

动态变形监测一般只在高层或超高层建筑物变形监测中才需要，JGJ 8—2007《建筑变形测量规范》中要求：风振观测应在高层、超高层建筑物受强风作用的时间阶段同步测定建筑物的顶部风速、风向和墙面风压以及顶部的水平位移，获得风压分布、梯形系数及风振系数。风振变形监测一般有以下方法：

（1）激光位移计自动测记法。当位移计发射激光时，从测试室的光线示波器上可直接获取位移图像及有关参数。

（2）长周期拾振器测记法。将拾振器设在建筑物顶部天面中间，由测试室内的光线示波器记录观测结果。

（3）加速计法。将加速度传感器安装在建筑物顶部，测定建筑物在振动时的加速度，通过加速度积分求解位移值。

（4）GPS差分载波相位法。将一台GPS接收机安置在距待测建筑物一段距离且相对稳定的基准站上，另一台接收机的天线安装在待测建筑物楼顶。接收机周围5°以上应无建筑物遮挡或反射物。两台接收机同步记录15～20min数据作为一测段。具体测段数视要求确定。通过专门软件对接收的数据进行动态差分后处理，根据获得的 WGS－84大地坐标即可求得相应位移值。

（5）双轴自动电子测斜仪（电子水枪）测记法。测试位置应选在振动敏感的位置，仪器X轴与Y轴（水枪方向）与建筑物的纵横轴线一致，并用罗盘定向，根据观测数据计算出建筑物的振动周期和顶部水平位移值。

（6）经纬仪测角前方交会法或方向差交会法。该法适应于在缺少自动测记设备和观测要求不高时的建筑物顶部水平位移的测定，但作业中应采取措施防止仪器受到强风影响［3］。

3 高层建筑变形监测技术方法展望

基于城市土地资源的稀缺特点，加之未来10年中国加速城镇化进程的建设，高层建筑物的数量会大量增加，安全监测工作的重要性会更加突出，对高层建筑物的监测方法会提出更高的要求，高层建筑变形监测技术方法将在以下方向得到发展。

3.1 测绘新仪器新技术会得到广泛应用

常规大地测量主要采用有经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值。它能够提供变形体整体的绝对变形信息，但外业工作量大，布点受地形条件影响，不易实现自动化监测。近年来，GPS、测量机器人、地面三维激光扫描仪的出现，在高层建筑变形监测方面得到了一定应用。

近几年，国外测绘仪器制造商生产的测量机器人投放市场，在高层建筑物变形监测方面得到了应用。测量机器人（也称自动全站仪）采用自由设站法不仅可以有效排除基坑施工及周边土体变形的影响，同时还可以通过相邻周期坐标计算快速、准确地获得被监测点处的位移量和累积位移量［4］。

GPS技术经过近20年的发展，已经成功应用于高层建筑变形监测，可以实现数据获取、传输、处理与预警的自动化。GPS用于变形监测具有精度高、不受气候条件及通视条件限制、高度自动化等优点。其在高层建筑物变形监测中的应用对弥补传统的变形监测方法的缺陷具有重要意义［5］。随着我国北斗导航系统的建成，硬件价格会大幅下降，相信在高层建筑变形监测中会得到更多的应用。

近年来，三维激光扫描测量技术的发展，已在文物古建筑保护、施工检测、地质灾害监测方面有应用，但在建筑变形监测方面的应用实例较少，未形成体系。将地面三维激光扫描技术引入到高层建筑变形监测领域，具有极大的现实意义，具有良好的应用前景和可行性，是未来的发展趋势。已经有学者进行了这方面的试验研究，并取得了一定成果［6］。

高层建筑变形监测方法将向高精度、自动化、智能化方向发展。一方面监测仪器的性能（精确性、稳定性、耐用性等）的水平将不断提高，使监测系统的整体可靠性也随之提高；另一方面监测仪器的自动化水平也将不断提高，并向智能化方向发展。

3.2 变形预测方法的研究会更加深入

依据观测数据进行未来变形的预测是非常重要的内容，目前主要是以数学模型的应用为主。先进的数学方法，将补充和完善传统监控模型的不足，同时，这些理论与传统方法有机结合，将使传统的监控模型更为完善。

变形过程是一个受多方面因素影响的复杂过程，这些因素中有已知信息，也有未知信息，成因与变形量之间存在着复杂的非线性关系，所以对于未来发展趋势的预测属于灰色问题［7］。在已有灰色系统模型的基础上，不断完善进行试验研究是主要方向，另外寻找新的数学模型也是主要突破口。

基于不同预测模型，预测模型的优化将得到重视与应用。采用不同的组织形式会得到不同的预测精度，为了得到理想的预测精度，应根据工程的实际情况，分析试验可能的组织形式，最终确定最优预测模型［8］。

3.3 数据处理与预测集成软件将普遍应用

随着计算机、物联网、软件开发平台技术的快速发展，为高层建筑变形监测的数据处理与预测提供了有效工具。

目前国内已经有多个变形监测系统软件，一些学者基于MATLAB平台编程实现并对建筑的沉降变形进行预报，对高层建筑的沉降变形数据的处理具有显著的优越性［9］。

4 结语

高层建筑物的出现对变形监测技术提出了挑战，传统的监测方法已经不能满足需要，随着测绘新仪器与技术的出现，已经在高层建筑物变形监测中得到了一定应用。相信未来各种新技术将不断更新升级，向着相互融合，相互集成的方向发展。使得测量方法更科学先进，操作更简单，而测量成果的精度也越来越高。

［1］陈红卫，吴华峰，安丹丹.对GPS在高层建筑变形监测中应用的探讨［J］.商品与质量：建筑与发展，2012（4）：29－30.

［2］李保平，潘国兵.变形监测［M］.成都：西南交通大学出版社，2012.

［3］黄声享，尹晖，蒋征.变形监测数据处理［M］.武汉：武汉大学出版社，2010.

［4］刘沛.自动化全站仪在高层建筑基坑变形监测中的应用［J］.测绘与空间地理信息，2011，34（3）：239－241.

［5］王正旭，独知行，单瑞.GPS技术在高层建筑变形监测中的应用研究［J］.城市勘测，2009（3）：102－105.

［6］李仁忠，刘洁.三维激光扫描技术在高层建筑变形监测中的应用［J］.重庆建筑，2010，9（10）：42－45.

［7］高宁，崔希民，高彩云.高层建筑物沉降变形的灰线性预测［J］.测绘科学，2012，37（3）：96－98.

［8］赵立中，黄强，房华乐，等.高层建筑物基坑变形的综合监测与预报［J］.山东农业大学学报：自然科学版，2012，43（4）：539－542.

［9］范志龙，陈雪丰.基于MATLAB的高层建筑沉降变形监测数据处理［J］.测绘与空间地理信息，2009，32（5）：137－139.