高层建筑纠偏远程监测系统的设计与实施

黄哲辉 卢文胜 沈剑浩

(同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092)

1 引言

在纠偏施工过程中，高层建筑的倾斜状态及其变化是施工安全的关键因素[1，2]，直接影响施工安全和工期。由于环境条件的限制和工程的复杂程度，技术人员实地进行测量往往不够全面和持续，或存在不可避免的误差[3，4]。因此，在纠偏过程中，结合现场施工监测，采用高精度远程自动化实时监测系统，对建筑物的倾斜变化进行全面监测，并将信息及时反馈。施工单位根据监测情况即时调整施工参数，采取相应措施，可确保施工安全顺利进行。

本文基于自动化监测技术，设计高层建筑纠偏远程监测系统，对某地区6栋高层建筑纠偏施工实施远程实时监测。监测分析表明，该系统无论是从保证该纠偏工程的施工安全和风险控制，还是为后续类似工程积累经验，以及提升信息化施工技术水平方面都具有一定的参考价值。

2 工程概况

某小区6栋高层建筑，为现浇钢筋混凝土剪力墙结构，平面形状近似为矩形，参见图1。主体结构高度为32.20 m，地上11层，地下1层。基础形式为筏板基础，地基存在软弱下卧层。变形观测资料表明，该建筑物的累计沉降量、倾斜率等各项指标较大。截止至2013年6月15日，1#、2#、3#楼的南北向最大倾斜率为 5.8‰、5.8‰、3.3‰，均超过《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[5]中关于“多层和高层建筑的整体倾斜(24 m＜Hg≤60 m)允许值3‰”的限值，4#、5#、6#楼倾斜率未超过规范限值。

图1 监测网布置示意图Fig.1 Monitoring network layout

为保证建筑物的安全正常使用，相关单位根据现场检测及计算分析，认为必须对1#、2#、3#楼进行地基基础加固处理和纠偏处理，对4#、5#、6#楼进行地基基础加固处理。地基基础采用锚杆静压桩加固，纠偏采用掏土迫降法。在施工的前中后期，采用了远程监测系统和人工光学测量相结合的监测方法，对建筑物的倾斜状况进行了连续监测。

3 远程监测系统构成

监测建筑物的倾斜变化，安装在施工现场。数据采集及无线传输系统由数据采集单元、总线控制单元、局域无线传输单元、远程无线传输单元和短信报警单元组成，用于采集传感器传来的信息，并通过无线传输给信息管理中心，安装在施工现场。数据管理分析系统由数据采集分析软件和数据库组成，对数据进行分析和处理，并利用数据库进行数据的存储和管理，安装在位于上海的信息管理中心。远程监测系统构成示意如图2所示。

3.1 基本功能和要求

高层建筑纠偏远程监测系统包括数据采集、传输、处理和反馈四个基本功能，并满足以下基本要求[6-9]:

(1)长期稳定、可靠性。

(2)较高的测量精度。

(3)小尺寸、模块化。

(4)自动化、实时化和标准化。

(5)稳定可靠的远程传输。

(6)较好的数据运算处理能力。

(7)畅通的信息反馈。

图2 远程监测系统构成示意图Fig.2 Structure of remote monitoring system

3.2 远程监测系统构成

远程监测系统由传感器系统、数据采集及无线传输系统和数据管理分析系统三部分组成。传感器系统由静力水准仪和双轴测斜仪组成，用于

3.2.1 传感器系统

采用ZS－901型静力水准仪和ZS－802型双轴测斜仪，仪器参数如表1所示，仪器照片如图3、图4所示。3.2.2 数据采集及无线传输系统

表1 传感器系统仪器参数Table 1 Instrument parameters of sensor system

图3 静力水准仪Fig.3 Hydrostatic leveling

图4 双轴测斜仪Fig.4 Dual-axis clinometer

采用ZI—300型数据采集及无线传输系统，所有单元模块性能参数如表2所示，仪器照片如图5、图6所示。

表2 模块单元性能参数Table 2 Performance parameters of module units

3.2.3 数据管理分析系统

信息管理中心主控计算机接收到监测数据后，通过数据采集分析软件进行整理、计算和分析，并绘制各种表格及曲线。同时，利用数据库进行数据的存储和管理。利用如下算法，得到建筑物每天和累计的倾斜率变化。

图5 数据采集单元箱Fig.5 Data aquisition box

图6 无线信号接收器Fig.6 Wireless signal receiver由静力水准仪得出的倾斜率公式为

式中 θW，θE——由静力水准仪测出的西侧、东侧南北向倾斜率(‰);

θW0，θE0——由光学倾斜测出的西侧、东侧南北向初始倾斜率(‰);

Δhi——i号静力水准仪相对于初始水位的水位变化量(mm);

li－j——i，j号静力水准仪间的距离(mm)。

由双轴测斜仪得出的倾斜率公式为

式中 θW，θE——由双轴测斜仪测出的西侧、东

侧南北向倾斜率(‰);

Δθi——i号双轴测斜仪相对于初始倾斜

值的倾斜值变化量(‰)。

由远程监测系统得出的倾斜率公式为

4 远程监测系统设计与实施

4.1 监测点的设计

高层建筑纠偏施工的监测点布设在能体现建筑物倾斜变化的关键部位，监测点数量需全面反映监测区域变化情况。根据现场实际情况，室内隔墙较多，整栋楼刚性倾斜成分多，远程监测点布置在屋顶。每栋楼的四个静力水准仪安装在屋顶四个角点的剪力墙上，两个测斜仪安装在东、西侧最外边缘的剪力墙上，监测该楼的南北向、东西向倾斜变化。沉降观测点布置在底层。各栋楼的监测点平面布置如图7所示。

4.2 监测网的设计

共有6栋楼需要监测，场地范围大，工程复杂程度高。监测网整体覆盖6栋楼，同时顾及无线信号的传输通畅。根据现场实际情况，在每栋楼屋顶设计安装采集单元网络分节点，包含数据采集单元和局域无线传输单元，用于本栋楼的数据采集和传输;在位于场地中心的6#楼屋顶设计安装采集单元网络中心节点，包含总线控制单元、数据采集单元、局域无线传输单元、远程无线传输单元和短信报警单元，用于本栋楼的数据采集和传输，同时接收六栋楼的数据并无线传输给信息管理中心的主控计算机。监测网布置示意如图1所示。

4.3 仪器的安装与调试

根据监测点和监测网的布置方案，测试仪器安装在主体结构剪力墙出屋面部分，具体安装与调试的步骤如下:

(1)在剪力墙表面钻孔打锚栓并安装固定支架，在支架上安装底座和仪器;

(2)将连通管沿各测试点布设好;

图7 监测点平面布置图Fig.7 Monitoring points arrangement

(3)将各传感器固定至相应测试点;

(4)通过连通管将所有传感器连通;

(5)任取一个静力水准仪作为输液口，通过入水孔向主体容器内灌入一定量的液体，待各仪器的液位稳定;

(6)连接好各静力水准仪和测斜仪的电源线及485总线数据线并保护好;

(7)记录并保存好各测试点的编号;

(8)连接好相应数据采集单元并校零、保存;

(9)在上述各步检查、调试无误后，保护好各仪器和采集单元，即可进行监测。

4.4 监测系统的实施

设备布置调试好后，读取各测点的监测值，待数据稳定可信后，取三次监测数据的平均值作为初始监测值。在数据采集分析软件中设置监测频率，通过计算机自动采集监测数据。监测频率根据现场施工进度灵活变化，在正常施工阶段，频率设置为白天1 min/次、夜晚1 h/次，在未施工和施工关键阶段，监测频率相应的减小和增大。

结合现场情况，还定期采取了常规光学倾斜及水准测量，即用经纬仪测量建筑物可见外棱线的倾斜值，用水准仪测量预先布设的沉降观测点高程，作为远程监测系统的比对和参考。在远程监测系统实施的当天，光学测量的倾斜率作为远程监测的初始倾斜率，通过每天的远程监测，实现施工期间的倾斜率动态监测。

由经纬仪得出的倾斜率公式为

式中 θW，θE——由经纬仪测出的西侧、东侧南

北向倾斜率(‰);

dW，dE——西侧、东侧外棱线的顶点南北向偏移量(mm);

H——建筑物高度(mm)。由水准仪得出的倾斜率公式为

式中 θW，θE——由水准仪测出的西侧、东侧南北向倾斜率(‰);

Δh＇i——i号沉降观测点相对于初始高程的高程变化量(mm);

l＇i－j——i，j号沉降观测点间的距离(mm)。

5 远程监测成果及分析

1#～6#楼初始较大倾斜均为由北向南倾斜，东西向由于整体刚度较大，倾斜较南北向小很多。在持续监测中，东西向也未发生明显倾斜变化。因此，本文只对6栋楼的南北向倾斜率作分析(以下倾斜率均指南北向倾斜率)。

5.1 建筑物某一天的倾斜率变化示例

根据某一天的连续数据，以1 h为间隔，按式(7)得出倾斜率。在加固纠偏施工的前中后期，6栋楼某一天的倾斜率变化见图8，倾斜率波动幅度见表3。

图8 某一天的倾斜率变化Fig.8 Tilt rate variation in one day

可见，远程监测系统每天24小时持续监测建前中后期的持续监测，获得了每天的宝贵数据，比 如对施工中期倾斜率波动幅度的捕捉可掌握当天 的施工效果，指导施工过程。全过程实时监测了建筑物的倾斜率，对于及时了解加固纠偏状况、控制纠偏速度、调整施工安排具有重要意义。通过施工筑物的倾斜状态，得到了累计的倾斜率变化过程。

表3 某一天的倾斜率波动幅度Table 3 Tilt rate variation range in one day %

5.2 建筑物累积的倾斜率变化分析

根据每天的连续数据，以1天为间隔，按式(7)得出累计倾斜率变化。定期光学倾斜及水准测量按式(8)、式(11)得出累计倾斜率变化。三种方法测出的6栋楼累计倾斜率变化见图9。

图9 累计倾斜率变化Fig.9 Variation of acumulated tilt rate

施工单位根据每天的连续数据，及时调整施工参数，采取相应措施，确保施工安全顺利进行。以1#楼为例，远程监测系统指导施工的过程见表4。

表4 远程监测系统指导1#楼施工过程Table 4 Remote monitoring system guiding 1#building construction ‰

5.3 三种测试方法相互验证比较

从图9可以看出，三种方法测出的倾斜率变化趋势基本一致，光学测量的倾斜率绝对值和远程监测系统基本吻合，表5列出了三种方法从6月15日至11月24日测出的累计倾斜率变化量，数据差别不大。

表5 累计倾斜率变化量Table 5 Variation of aumulated filt rate ‰

限于测量次数，光学测量不能反映在纠偏施工过程中建筑物每天的倾斜率变化，也不能反映在纠偏施工关键时间节点的倾斜率变化。因此，相较于远程监测系统，光学测量有其局限性。另外，由于光学倾斜测量选取的是建筑物外棱线，含施工和装修误差，光学水准测量易受人为影响，因此光学测量还有其主观性和不精确性。

综上所述，远程监测系统的结果是稳定可信的，且具有常规光学测量不能满足的高精度、自动化、实时化、远程控制等优势。

6 结论

(1)远程监测系统在该高层建筑纠偏工程中的成功应用，不但解决了常规光学测量方法无法满足的高精度、自动化、实时化、远程控制等问题，而且最大限度地降低了监测与施工之间的相互影响。

(2)通过远程监测系统实时采集纠偏建筑物的各项数据信息，及时准确地掌握了建筑物每天的倾斜率变化情况，为分析和判断纠偏施工的正确与否及建筑物的安全状况提供了科学依据。

(3)远程监测系统的数据和常规光学测量的数据比较，倾斜率变化趋势基本一致，绝对值基本相等，变幅相近，可认为远程监测系统的测试是稳定可靠的。

致谢 本文得到上海筑邦测控科技有限公司、上海同华特种土木工程有限公司、山东建筑大学及同济大学结构试验中心相关老师和学生的指导与帮助，在此一并致谢!

[1] 张翠强，付磊，张启豪.某六层砌体房屋纠偏设计与施工实例[J].结构工程师，2009，25(6):123-127.Zhang Cuiqiang，Fu Lei，Zhang Qihao.An example of rectification of design and construction for a sixstory masonry building[J].Structural Engineers，2009，25(6):123-127.(in Chinese)

[2] 周德源，李俊兰，吕西林.多层住宅房屋纠偏设计与施工实例[J].结构工程师，2000(2):26-31.Zhou Deyuan，Li Junlan，Lu Xilin.An example of de-inclination design and construction of a multistory housing building[J].Structural Engineers，2000(2):26-31.(in Chinese)

[3] 肖晋辉，袁越华，余渊.CCTV主楼基础沉降静力水准测量技术[J].施工技术，2010，39(3):22-25.Xiao Jinhui，Yuan Yuehua，Yu Yuan.Hydrostatic leveling measure technique on foundation settlement in CCTV main building[J].Construction Technology，2010，39(3):22-25.(in Chinese)

[4] 马召林，李元海，李竹.静力水准在超深基坑中间柱沉降实时远程监测中的应用[J].隧道建设，2012，32(5):719-724.Ma Zhaolin，Li Yuanhai，Li Zhu.Application of hydrostatic leveling technology in real-time remote monitoring of steelement of intermediate column of super-deep foundation pit[J].Tunnel Construction，2012，32(5):719-724.(in Chinese)

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50007—2011建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50007—2011 Code for design of building foundation[S].Beijing:China Architecture and Building Press，2012.(in Chinese)

[6] Hurst K，Bilham R.Hydrostatic levels in precision geodesy and crustal deformation measurement[J].National Science Foundation，1986(10)，202-204.

[7] Aschlosser M，Herty A.High precision survey and alignment of large linear colliders-vertical aliginment[C].Proceedings of 7thInternational Workshop on Accelerator Alignment，2002(3)，255-260.

[8] 李元海，朱合华.岩土工程施工监测信息系统初探[J].岩土力学，2002，23(1):103-106.Li Yuanhai，Zhu Hehua.Development of monitoring information systerm software for geotechnical engineering[J].Rock and Soil Mechanics，2002，23(1):103-106.(in Chinese)

[9] 张成平，张顶立，骆建军，等.地铁车站下穿既有线隧道施工中的远程监测系统[J].岩土力学，2009，30(6):1861-1866.Zhang Chengping，Zhang Dingli，Luo Jianjun，et al.Remote monitoring system applied to the construction of metro station undercrossing existing metro tunnel[J].Rock and Soil Mechanics，2009，30(6):1861-1866.(in Chinese)