高层建筑物沉降监测成果可视化方法研究

郭树森，黄新民，邓建林，胡伍生

(1.东南大学交通学院，江苏 南京 210096；2.如皋市勘测院有限公司，江苏 如皋 226500；3.如皋市基础地理信息中心，江苏 如皋 226500)

0 引 言

高层建筑物是指建筑层数达到10层以上、建筑高度不低于24 m的住宅建筑物或不低于28 m的其他民用性建筑物[1]。自21世纪以来，我国基建发展迅速，高层建筑物在全国各地立地而起。高层建筑物的大量兴建给人民带来便利、快捷的生活的同时也隐含了一定的安全风险。在多种内外因素影响下，建筑物会发生以沉降、倾斜为主的变形，当建筑物变形量超过规定的设计限值时，会对建筑物自身的结构和居民的生命、财产安全带来巨大的危害。而导致建筑物变形的原因中，不均匀沉降不仅危害最大，而且也是导致倾斜与裂缝产生的主要原因。现今，建筑物正朝着楼层高、体积大、重量大、结构复杂等方向发展，因此非常有必要在建筑物施工建设与运营管理期实施定期的沉降监测，从而确保建筑物的安全。

建筑物沉降监测是根据建筑物地理位置与周边环境情况，结合国家和地方标准与规范，设置一系列水准点与沉降监测点对建筑物进行周期性观测，通过数据表达其沉降程度[2]。而沉降监测成果可视化是借助图形化手段，对沉降监测数据进行图形、图像以及动态表达，清晰快速地向施工与建设单位传达建筑物的沉降情况。当前，建筑物沉降监测成果可视化大多采用表格、曲线图、条形图等可视化方法形成监测报表综合表达建筑物沉降情况。这些方法虽然能较为全面地反映建筑物沉降情况，但可视化效果一般。本文将围绕某市某高层建筑物的沉降监测成果研究沉降成果可视化表达的几种方法及其内涵。

1 工程概况

1.1 建筑物建设情况

A#大楼位于某市市区C小区内，于2013年4月开始施工。A#大楼建设楼层高度68 m，地下1层，地上23层。2015年12月，施工单位开始对已封顶的A#大楼进行高精度变形监测，分析其在施工后期的变形情况。沉降监测采用一等精密水准测量，沿用A#大楼的独立高程系统建立高程监测控制网。沉降监测点共布设10个，点间距8～15 m，均在地基以上0.5～0.8 m(图1)。沉降监测时间为2015.12.11～2019.11.9，观测时长1 430 d，观测次数为599次，平均观测周期为2.4 d/次。

图1 A#大楼沉降监测点布设图

1.2 可视化需求

可视化是运用计算机图形学与图像处理技术，将数据转换为图形、图像，通过在显示器屏幕上显示，并进行交互处理的理论、方法与技术。自1987年2月美国国家科学基金会“科学计算之中的可视化”研讨会中将可视化正式定义为一门研究学科以来，可视化技术迅速发展，国内外计算机软件公司出品了一批商业化的可视化软件、系统以及具有可视化功能的数据分析软件。另外也有不少的学者将可视化技术应用于建筑物变形监测监测中：陈晓龙[3]运用OpenGL软件实现对大型桥梁变形监测成果的三维动态可视化表达；马路滨[4]就建筑物基坑监测开发了基于GIS平台的基坑变形监测三维可视化模拟系统；丘颖新[5]运用BIM技术对高速铁路变形监测进行三维可视化表达。在本文中，我们运用可视化软件Matlab与可视化库Highcharts分别实现A#大楼沉降监测成果的二维、三维及动态可视化表达。

2 二维可视化表达

2.1 沉降曲线图

曲线图是变形监测成果分析中最常见的二维可视化方法，结构简洁，信息表达直观明了，能有效表达各种变形信息。曲线图主要分为单纵轴曲线图与双纵轴曲线图，而后者是前者的改进，能同时展示不同类型的信息。我们根据A#大楼的沉降观测成果运用自编软件绘制时间-荷载-沉降量曲线图(双纵轴)(图2)。

如图2所示，A#大楼各沉降监测点在大概在750 d后沉降速率减小，趋于平缓。而在900 d后各沉降监测点沉降速率趋近于0，沉降曲线趋近于水平线。根据《建筑变形测量规范》5.5.5规定，可以认为A#大楼在沉降监测后期处于稳定阶段。时间-荷载-沉降量曲线，可以较直观地反映建筑物不同时期内的沉降情况。

图2 A#大楼时间-荷载-沉降量曲线图

2.2 沉降量等值线图

等值曲线图是工程建设行业上应用最广泛、信息表达最形象的可视化方法之一。等值曲线图是以数值相等的各点连成曲线，投影到平面上表示被摄对象的外表特征的二维图像。在测绘、地理信息与土木行业上，等值曲线图常采用的形式为等高线图，并且有很多绘图软件具有绘制等值曲线的功能。绘制等值曲线图的关键在于如何根据给定的三维地理数据，选择合适的插值与离散算法，从而得到既符合实际、又直观形象的等值曲线图。在本小节中，我们将根据A#大楼2019年11月9日的沉降监测成果，运用数学软件Matlab绘制A#大楼的“沉降量等值线图”(图3)。

图3 A#大楼沉降量等值线图

根据图3，可以看出在2019年11月9日，A#大楼南部沉降量普遍大于北部沉降量，南部沉降量最大的地方分别位于东南角与西南角，整栋大楼东西两端沉降量大，中部沉降量小。根据某一时刻的建筑物等值沉降曲线图，可以更直观、清楚的观察到该时刻建筑物各部分的沉降情况。

3 三维可视化表达

三维可视化是借助三维立体技术，根据被摄对象的数据建立三维模型，将被摄对象立体化呈现的可视化方法。与二维可视化相比，三维可视化不仅具有立体感、更真实、形象的表达效果，而且还能载负、表达更多被摄对象特征信息的优点。近十几年来，随着计算机技术与图形设备的发展，二维可视化无法满足测绘、土木等工科行业的需求，三维可视化由此崭露头角，并快速发展为一个研究方向。我们沿用A#大楼沉降观测成果，运用Matlab绘制A#大楼沉降三维曲面图。三维曲面图的绘制原理、方法与等值曲线图一致，只是无须将建立的三维模型调整为二维俯视视角。A#大楼三维曲面如图4所示。

图4 A#大楼三维曲面图

根据图4，可以看出截至2019年11月9日，A#大楼南部沉降量普遍大于北部沉降量，并且大楼东西两端的沉降量大，中部沉降量少。整幢大楼西南角沉降量最大，正北处沉降量最小。与图3等值曲线图相比，三维曲面图能更明显、形象地反映建筑物各部分的沉降情况。

4 动态可视化表达

动态可视化是对被摄对象的数据进行处理，将其静态图表、图像动态化，从而实现自动更新的可视化方法。动态可视化作为当今可视化领域的一个新颖的研究方向，与三维可视化相比，具有自动更新、更加形象的特点。特别是在计算机信息技术领域中，衍生一批直接用于动态可视化的商业软件与开源可视化库，为各行各业的报表数据提供了动态可视化的实现可能。近几年来，动态可视化也在测绘、土木等工程建设行业中兴起，更有一些研究机构尝试三维与动态可视化结合的实现，但是动态可视化发展时间较短，发展方向较窄，实现成本普遍高于三维可视化，因此工程建设行业在可视化上的研究重心仍然是以三维可视化为主。我们根据沉降观测成果，运用可视化库Highcharts绘制A#大楼动态沉降态曲线图(图5)。

图5 A#大楼动态曲线截图

Highcharts是挪威Highsoft公司开发的基于JavaScript编程的可视化库。Highcharts提供了大量的可视化模板与对应的源代码，操作用户可以根据自己的需求选择可视化模板与源代码并进行编辑修改。运用Highcharts绘制动态曲线的原理主要分为数据格式的调整、程序代码的编写、程序读取数据，生成动态曲线、根据可视化成果修改程序代码并调试4个环节。

5 结 语

(1)曲线图、等值线图等二维可视化方法、表格再加上必要的文字阐述所组成的变形监测成果报表虽然存在可视化效果一般的缺点，但仍能全面、直观地反映被监测对象的变形情况，并且实现效率高，基本满足工程建设行业的实际需求。

(2)动态可视化作为当今可视化领域的一个新颖的研究方向，具有更加形象直观的特点。本文运用可视化库Highcharts实现了A#大楼动态沉降态曲线图，应用效果更好。