浅谈测绘技术在楼体形变监测中的应用

◆ 朱生鑫

（西宁市房地产交易服务中心，青海西宁 810000）

自然因素和人为的因素会导致高层建筑物产生各种变形，对于预防工程事故，保证高层建筑物的正常及安全使用，了解建筑物形变程度，分析形变的具体缘由，预测建筑物未来的形变趋向是十分重要的。因此，为了保障人民安全，保护人民的财产不受侵害，不影响高层建筑物的正常使用，必须在高层建筑物建设之前、建设过程中以及交付给用户使用期间，对建筑物进行持续的形变监测。

1 建筑物的裂缝监测

很多原因会致使建筑物墙体产生裂缝。例如建筑物因为受力不均匀沉降、设计方案不当、地基的处理有缺陷等，都会导致建筑物所受的拉应力过大，最终产生裂缝。建筑物所处的环境不同使得建筑物的允许倾斜程度也不同，对于上海来说，建筑物通常在软土地基上，其最大允许建筑物变形量可为50cm～60cm。第四纪的土层其最大允许沉降量为8cm～10cm，北京就处于这一土层上，当建筑物沉降超过最大允许限度就可能发生建筑物裂缝。当在建筑物中发现了裂缝现象，应对其进行连续监测，来观察其变化趋势。

观测每条裂缝时，布设的观测标记不应少于两条，在裂缝最宽处和裂缝末端各布设一条，并对这些裂缝进行统一的编号和记录。

1.1 石膏标志

在建筑物裂缝所在两端抹上一层水泥砂浆，等待砂浆干后用一条约5mm 的带颜色的横线作为标记，横线应当垂直于裂缝，并且应当覆盖整个裂缝。若砂浆发生开裂现象，则伴随裂缝发生开裂，测量标记处裂缝的宽度。

1.2 薄铁片标志

用两块薄铁片，一块约为10cm2的方形铁片，另一块为1.5cm×0.5cm的矩形铁片，两块铁片的厚度均为0.5mm。在建筑物裂缝所在一侧固定方形铁片，将标记颜色覆盖于整个铁片之上，做好颜色标记后，保证矩形铁片将建筑物裂缝和已经做好颜色标记的方形铁片都覆盖住的情况下，在建筑物裂缝所在另一侧固定矩形铁片的一半，并使矩形铁片方向与裂缝将要开裂趋势的方向垂直。再对两块铁片同时进行其他色彩的标记，标记方式可以是喷红色的油漆。若两铁片搭盖处显现方形铁片所覆盖着的颜色的条纹，则表明裂缝继续开裂，每次测量条纹的宽度即可。

1.3 金属标志

对于有建筑物需要重点监测的，我们可以选择在墙体出现裂隙的两端，打孔然后嵌入金属标志，利用游标卡尺有计划和细致地进行测量，记录每次测量的数值，进行统计、对比就能掌握建筑物裂缝的变形情况。有时墙体会出现众多裂缝或者其面积及数量较大时，采用近景摄影测量方法。

裂缝变化速度不同，裂缝监测周期也不同，通常开始半月1次，以后一月1次。当发现裂缝缝隙有变大的趋势或已经发现裂缝变大时，应加大观测频率，直至几天1次或逐日1次的持续观测。观测裂缝时，量取精度应达到0.1mm。每次观测时所采集的信息有：裂缝形态、尺寸以及位置，并且注明日期和附照片资料。

2 建筑物挠度观测

建筑物的挠度一般为其整体或构件在水平方向或者竖直方向发生弯曲，我们把弯曲值称为挠度。例如桥的梁部以及高层建筑物都会发生位移，前者为水平方向的变形，后者产生侧向弯曲。

2.1 平置构件

面对平置的构件，测量其挠度时需设置三个沉降观测点分别在构件的中间位置还有两端，同时测量这三个点在某一时间段内的沉降量，分别为ha，hb和hc，则构件的挠度值为

式中，Sac、hb、ha、hc分别为该构件两端点间的水平间距、构件中间点的沉降量和构件两端点的沉降量。监测时，在选定位置安装挂尺螺栓，使挂钩朝上，用尺卡卡住水准尺上端，在尺卡顶端焊铁环，挂在挂尺螺栓的挂钩上，使水准尺离地面0.3m 左右，定期对监测点进行观测。

2.2 直立构件

面对直立的构件，测量其挠度时，设置三个监测点，分别在该构件的上、中、下三个位置，利用测得三个点的位移量（相对于地面的水平位移）来求得其挠度。监测时，常运用正垂线法，在建筑物的顶部位置固定一个绳索，将铅锤挂在另一端，让其受重力作用自由静止，借助机械式的坐标仪表或光学式量测出在铅垂线的不同高程上各点的位置，然后与铅垂线最低点的位置相对比，求出相对位置。任何一点的挠度计算，需要得知顶点与铅垂线最低端的相对位移，还需要得出任意点与铅垂线最低端的相对位移，前者减去后者即为该点的挠度。

3 建筑物倾斜监测

倾斜测量的监测工作一般用经纬仪、水准仪或其他仪器，监测工作随时间的变化而进行。有两类方法用于测定建筑物的倾斜：一类是直接测定的方法，就是用仪器直接测量建筑物的倾斜；另一类是间接测量的方法，即通过测量建筑物基础沉降量，然后经过计算来确定建筑物倾斜。

3.1 直接测定建筑物倾斜的方法

3.1.1 垂准线法（含激光铅锤法）

利用垂球进行测量时，悬挂条件应满足以下几个条件：第一点，应该选择在楼体高处的墙角、建筑物的几何中心处悬挂垂球；第二点，垂球线的长度应该使得其刚刚好接触到地面但不与地面有接触；此时欲求该建筑物的倾斜量，用尺子量出垂球尖至高处点在底部的理论投影位置的距离即可。激光铅垂线的原理和垂球相似，将垂线改变形式为一束可见光照射，即将重力的测量改为光的传播来测量，也是量取相对应的距离来计算倾斜值。如图3-1所示。

图3-1 激光铅垂仪

3.1.2 经纬仪投影法

如图3-2（a）所示，根据建筑物的构造形式，建筑物的高度为h 、A、A’两点是建筑物或构件的同一竖直线上的两个点，当建筑物发生倾斜时，在水平方向上A点相对于A’点移动了某一距离a，则该建筑物的倾斜为

必须精确的测得a 和h 的具体数值，才能确定建筑物的倾斜程度。其中h的数值通常为楼体的高度，一般为已知量，当h 未知时，则可对着建筑物设计一条基线，用三角测量的方法确定其高度。具体原理如图3-2（b）所示。

图3-2 倾斜和计算

3.2 测定建筑物基础沉降的方法

假设建筑物或者某个构件是刚性的，可以通过测量建筑物或者构件不同位置的相对沉降量来间接的求算建筑物的倾斜度，一般采用下列方法。

3.2.1 精密水准测量方法

通常建筑物沉降是一个长期的观测，在较短时间内不会有很明显的变化，因而要进行长期的沉降监测。沉降监测工作贯穿于工程施工的整个期间，开始时间是建筑物或构件的基础垫层浇灌后或基础施工完毕，截止时间是到建筑物的沉降速率平缓接近稳定。尽可能使系统误差不变，是为了系统误差不影响沉降值，在后续的计算中消除系统误差，所以沉降监测一般采取以下措施。

a.尽量满足往返测在同一路线上进行，这就要求测站点、监测路线和立尺点尽量固定；

b.缩短二等水准环线的总长度以及路线的长度；

c.在同一测段或路线时应使用同一套仪器、标尺，同一测段最好由同一个监测员进行相应的监测；

d.当工程区域处在沉降速率较大的土层时，为确保监测数据的牢靠，应在短时间内实现闭合环的测量工作。

3.2.2 液体静力水准测量方法

近年来，液体静力水准测量方法（如图3-3所示）日益得到广泛的应用。这种方法的主要优点是不受距离限制，而且距离越长，测定倾斜精度越高，并且能使实现测量自动化的方法简单而有效。

图3-3 液体静力仪

其测量原理是：在相连接的两个容器里盛有均匀液体，在大气压强相同的情况下，起始刻度为相同值，但当外界压力变化时，刻度便会发生变化，利于两个容器的液面的读数值，可求出两个观测点之间的高差，所求得的高差值与两点间的距离之比即为倾斜度。因为液体热胀冷缩原理的影响，该测量误差主要来源于外界的温度变化，特别是监测头附近局部温度变化。为了降低误差，应使连接软管下垂量最小以削弱温度的影响。目前，在高精度液体静力水准测量中往往采用恒温系统。

4 建筑物日照变形监测

塔式建筑物在长时间受温度荷载的影响下会有来回摆动的现象，因而需要对建筑物进行动态监测，即日照观测。

影响建筑物的日照变形的原因有很多，例如变形会由于建筑的结构、材料、类型以及阳光照射高度、方位不同而不同。这种情况说明对建筑物日照变形产生影响的因素比较复杂，同时，显著的变形，对建筑结构的抗拉性能也会有很大的影响。但现在没有将日照影响写入国家建筑标准中去，所以在面对具体的工程时，通常选取适当的精度来施测。

国内开展日照变形观测是从20 世纪70年代开始，如今已日益增多，其中大多采用交会法、经纬仪投点法和测水平角法。其精度情况见表4-1所示。

表4-1 日照变形监测精度

5 建筑物风震变形监测

高层建筑物在受到强烈的风荷载作用下，建筑物或者其构件就会发生来回摆动的情况，如美国纽约百层的帝国大厦，曾经在风荷载作用下，最大摆动超过7厘米。风振观测所需的条件比较苛刻，要在高层建筑遭受到强风作用的时间段内进行，需要连续而且同步的进行风震监测，监测内容有建筑物所受风的大小、顶部水平位移以及风向。建立合理的建筑物风荷设计方案很大程度是依靠风振监测结果来完成。因此，在实际的监测工作中，测量人员必须与设计单位紧密配合，共同商榷施测方案的具体细节和研究施测中的有关技术问题，才能顺利完成监测任务。通常，风振变形监测可采用如下方法完成。

5.1 激光位移计自动测记法

一般选择地下室或者建筑物的底板为位移计的安装位置，接收装置为楼顶部，可以利用电梯井等直接透视的通道作为激光位移计的激光通道，当位移计启动，开始工作发射激光时，接收装置将激光信号传输给测试室的光线示波器，在示波器上可显示其图像，接收器会直接记录位移图像及有关参数。

5.2 加速度计法

通过加速度积分求解位移值，这时需要求得楼顶的加速度，就要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。

5.3 GPS动态差分载波相位法

在一基准站上架设一台GPS接收机，其要求时距待测建筑物相对稳定且保持一定距离，在待测建筑物的楼顶安装另一台接收机的天线。要想完成这一操作，需要保证接收机信号不被遮挡，能够同时接收到6颗卫星的信号，且接收频率为10赫兹。一测段的数据要满足以下条件，两台接收机要同时开始工作，并且记录的是同一个时间段的数据。对于一个监测项目来说有多个测段组成，具体要记录的测段数视工程要求而确定。根据在WGS-84大地坐标系下所定位的坐标才可以求得该建筑物相应的位移值，这就需要通过相应的软件对接收机所接收的数据进行处理，数据逐一进行动态差分后然后输出结果。

5.4 经纬仪测角前方交会或方向差交会法

在对于精度要求不是很严格的建筑物监测中可运用此方法，作业中应防止仪器受到天气影响，如大风等吹动或吹倒仪器。如运用经纬仪，观测点相对测站点的误差要满足点位中误差不应大于±15mm。

结束语：

传统测量方法外业工作量大、耗时耗力、测量成本高、所采集的信息量小而且信息的利用率低，同时其测量宜受天气状况的影响。GPS测量方法测量时间短、测量速度快、具有高自动化、不受通视条件的影响，所得数据精度高，动态监测和静态监测无需棱镜，一个人即可实现测点。数据处理简单，将测量手簿中的数据传输到电脑，运用软件即可进行处理。但地形对其信号连续度有影响，可能造成准确度受损。所以对于未来变形监测的工作，我们应更多地采取摄影测量以及GPS测量的方法，来提高监测精度和监测范围。但其仪器和数据处理软件任大量依靠进口，需要我们自主研发，来降低成本。