复杂环境下特殊建筑物沉降与倾斜位移观测新法

胡维腾

舜元建设（集团）有限公司 上海 200335

随着物联网技术的不断成熟与各类传感器及无线传输技术的突破创新，建筑信息化应用的手段也愈加丰富。建筑物的沉降、倾斜及位移观测，也从以往的实测实量，逐渐朝着物联、无线传输与信息化平台数据自动收集的方向发展。目前大多数项目在使用的自动化位移观测系统，可以通过相关技术手段实现数据的实时监测与上传，并形成一定周期内的观测报告。但此类方法收集的数据较为单一，且因数据之间的类型与观测周期并不相同，所以无法进行横向比较。在复杂环境下的特殊建筑施工及使用过程中，有时要求对整个建筑物在同一周期内的变形状态进行综合分析，找出相互影响的共同因素以采取相应措施，保证建筑物状态稳定，目前的常用方法并不适用。在该前提下，通过利用物联网技术，结合各类先进传感器与无线传输手段，探究一种此类建筑变形观测的新方法，通过观测同一点的沉降、倾斜与位移数据并进行综合分析，得到影响建筑整体变形的关键因素，并采取措施进行有效控制[1-5]。

1 常用建筑变形观测的内容及方法

1.1 建筑物变形观测内容

建筑物变形观测是指在建造、使用、维护过程中对建筑物产生的相关变形数据进行观测与数据收集工作，主要内容包括建筑日沉降、倾斜、位移等的观测，在建筑物本身未发生可见裂缝的情况下，针对上述工作相关数据的收集、整理与统计，可有效帮助建设方及使用方掌握建筑物状态，并根据评定结果采取相应措施控制建筑物变形。

1.2 常用建筑物变形观测方法

1）建筑物的沉降观测：现有一般条件下，普通建筑的沉降观测主要采用沉降针＋水准观测等方法，在观测时，通过合理布设沉降观测点与基准点，结合制定的周期，根据实际观测时记录的建筑物沉降针与基准点的差值进行计算，以确定沉降数值。

2）建筑物的倾斜观测：正常情况下，建筑物的倾斜观测方法主要包括经纬仪观测法与垂直仪观测，少数情况下利用铅锤观测法，其原理是通过测量上层建筑物与下层建筑物间位移变化量，并经过计算得出整个建筑物的倾斜角度，通过周期性观测得出相应的倾斜发生速率。

3）建筑物的位移观测：在现有技术条件下，建筑物的位移观测通常由硬件传感器代替，且目前针对建筑物的位移观测技术发展较快，亦有较多应用基坑埋置式传感器进行自动观测的案例，通过设定的基准点与观测点随时间变化的数值来确定建筑物或具体建筑构件的位移情况。

2 复杂环境下特殊建筑变形观测新法

2.1 变形观测新法应用背景

在某些建筑物的施工过程中，由于新建建筑环境与周围场地限制，加之施工场地与运输线路布置复杂，或者建筑物本身功能性要求特殊，造成此类环境下的特殊建筑物变形观测时间及精度难以得到保证；又因常用建筑物变形观测方法的局限性，一是观测周期和方法各不相同，二是观测点位置无法保证统一，所以导致在此类建筑的变形观测工作中，对建筑沉降、倾斜及位移观测的数据无法进行横向比较，从而对影响此类建筑变形的主要因素判断不准确。通过应用“一种可显数值的信息集成化沉降观测系统”，对此类环境下的特殊建筑物进行变形观测发现，只需对观测点进行合理的布置，该新法可做到相关数值可视化，且能有效保证观测精度，提高观测数据时效性及有效性。与此同时，该方法将沉降、倾斜及位移观测点位置进行了统一，便于对同一观测点位置及观测周期下观测数据进行横向对比，从而可分析得出影响建筑整体变形的关键因素，并采取措施进行有效控制，使变形观测工作更加方便、有效。

2.2 变形观测新法原理介绍

新法采用包括定位沉降测量前端、前端传感器储供液装置、水平基准控制点装置、远程数据控制终端等设备，如图1所示。

图1 一种可显数值的信息集成化沉降观测系统示意

在上述类型建筑物的施工及使用过程中，通过将液压式静力水准仪、GPS定位传感器、倾角传感器、数据处理模块、无线数据发送器及用于显示的液晶显示屏等相关装置置于沉降观测前端内，并整体与折叠式沉降测量针进行固定连接，通过膨胀螺栓固定于建筑物主体结构上，其在使用过程中仍具有常规人工观测功能，具体构成及安装方式如图2所示。

其内置的液压式静力水准仪通过建筑物观测点与水平基准控制点间的压差计算建筑物的沉降状态，可达到综合接近0.2 mm的观测精度，并根据建筑物本身环境适应-40～85 ℃的环境温度，满足大部分建筑环境要求；通过内置的倾角传感器可在既定的x轴、y轴上进行切换，量程精确至15°，满足建筑物测量要求；同时，在沉降测量前端选择高精度GPS定位传感器，监测精度满足基坑监测规范要求的0.25 mm/m，每500 mm范围内的分辨率高于0.02 mm；具体工作时，该定位沉降测量前端内的GPS定位传感器、倾角传感器、液压式静力水准仪采集的数据通过数据线传输至数据处理模块，并通过数据处理模块进行处理后，将数据通过无线数据发送器发送至远程数据控制终端进行统计分析，同时可将数据在沉降观测前端的显示屏上显示；远程数据控制终端构建的数据平台对建筑物垂直倾斜情况及沉降数值进行统计分析，并通过人工采取相应调整手段，保证建筑的安全性、耐久性，其内部具体构造如图3所示。

图2 沉降测量前端整体构造示意

图3 沉降测量前端内部示意

2.3 变形观测新法具体实施方式

2.3.1 前期准备

此法针对复杂环境下特殊建筑物的变形观测，可先建立数据交换系统，通过计算建筑物本身的单位受压及倾斜、位移观测精度要求，合理布置观测前端，选择准确固定的水平基准控制点，制定观测周期及整改措施计划，在远程数据控制终端中建立相应数据观测平台，根据要求确定量值与限值。该系统中涉及装置在安置沉降测量前端时，需要计算建筑沉降及变形受力点位置，根据计算结果进行安置，一般安置于建筑基础受力结构上，以保证建筑基础整体倾斜、位移数据与上部结构一致。

2.3.2 具体实施方式

在对建筑物实施观测时，具体方法如下：所述新法系统装置中的沉降测量前端内的折叠式沉降测量针，应于建筑物主体受力结构施工时进行预埋，整体定位观测前端的设置需满足沿建筑四角、外墙每10～15 m或每隔2～3根桩基设置1个，且每侧不少于3个的要求；择优布置在建筑外墙角、外墙中间部位的墙/柱及裂缝两侧与其他有代表性的部位。此外，在倾斜观测时，应满足在建筑物角点、变形缝两侧的承重柱/墙上等布设要求，同时满足沿主体顶部、底部、上下对应布设，且在同一竖线上的布设要求。在沉降测量前端安装完成后，需将沉降测量前端内的液压式静力水准仪通过液压管与空压管连接前端传感器储供液装置，现场布线管时应根据实际情况，选择埋地或架空，保证前端传感器供液装置可有效供液；水平基准控制点装置在设置时，选择较为安全且固定的位置并进行物理保护，以确保变形观测系统有效工作且提供准确数据；远程数据控制终端建立的数据观测平台通过接收前端数据进行分析，并为施工及管理者做出控制措施计划提供数据支撑；现场施工、管理人员同时可根据液晶显示屏上显示的沉降、倾斜、位移数据信息，进行现场观测与记录。

除此上述实施方式外，现场施工管理或运行维护工作人员，可根据实际需要进行人工观测，在该系统的沉降测量前段内置折叠式沉降测量针，在有需要时，可通过旋转折叠测量针，使用人工测量的方式进行周期性观测及与传感器数据进行对比，以此校正相关参数的设置。

2.4 工程案例应用效果

某地一新建生物质发电厂建设环境条件复杂，在对其垃圾堆载、焚烧处理池的施工过程中，要求该处理池应具有良好的抗浮、防倾效果，控制沉降及相对位移变化数值在设计范围内，并通过变形观测掌握该处理池的底部受压状态及处理池的整体状态。常用变形观测方法在此工程中，因沉降、倾斜及位移观测点分布并不能做到位于同一观测位置，遂无法对具体观测点位的三项数值进行综合分析，也无法针对同一点进行状态判断，从而无法给出相对措施。在具体的施工过程中，该处理池应用了本文提出的变形观测新法，经过整体建模计算受压及变形状态，在处理池基础的关键受压部位，如结构角部位、集中堆载部位、运输通道及焚烧进气通道部位的底部及相对垂直部位安置了测量前端，具体布置效果如图4所示。

图4 某地生物质发电厂应用效果示意

在施工及维护的变形观测中发现，此方法能有效地将观测点的沉降、倾斜、位移3项观测数据通过测量前端无线发送至远程控制终端，并在数据处理平台中得到实时反馈。通过分析关键观测点位得到的数据，可直观了解到该点位在设定的观测周期中产生的数值变化，并综合三项数据判定该点位变形数值是否控制在有效范围内，从而为该处理池的施工及维护过程提供了良好的数据支撑，并为相关施工方案及对策措施的制定提供了一定帮助。

3 观测方法对比分析

在复杂环境下的功能性特殊，有渗漏、倾覆危险等的特殊建筑物的建造过程中，或在复杂环境下的普通建筑的观测工作中，常用的建筑变形观测手段获得数据的方式较为单一，且时效性及准确度较差，数据离散现象较为明显，虽然可通过人工制定观测计划并及时落实，但仍存在周期短、数据不全面等缺陷。本文所提出的观测新法，通过物联及数据平台的搭建，集成了现阶段可达到的高精度硬件传感器并使其为建筑施工服务，达到一点多用的布设要求，且提供实时或周期性数据传输，保证了观测工作的精确、有效。利用该方法，结合时下建模及有限元分析技术，可针对建筑物的整体状态进行分析，及时发现建筑物不利的变形状态，从而采取有效防控措施，一定程度上对复杂环境下特殊建筑物的变形观测具有积极的指导意义。

4 结语

采用新法进行复杂环境下特殊建筑物沉降与倾斜位移观测工作时，通过物联技术与信息技术的应用，达到了观测数据的集成化收集与分析处理，减少了变形观测工作中人为操作因素的误差，提高了数据准确性及观测效率。其该新法能做到在既定观测周期内针对同一观测点进行纵向比较，也可对不同观测类型的观测数据进行横向比较，在建筑物的整体变形观测中具有积极的应用价值。目前，此项技术正处于发展阶段，仍然面临许多实际问题，如硬件标准及使用规范不统一，高精度传感器及其使用成本相对较高，数据分析处理平台不完善等，后期可根据建筑类型及功能性等要求对观测所用硬件设备及规范进行统一制定，对观测数据分析规则的标准进行规定并完善其综合数据计算平台的搭建。相信经过后期的改进与创新，及建筑工业化的不断发展和相关高性能传感器硬件的普及应用，该新法能在大多数建筑物的施工、使用与维护中应用。