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摘要：针对高层建筑物变形监测问题,本文提出了用全站仪进行监测,在阐述高层建筑变形监测的必要性与意义的基础上，对高层建筑物变形监测技术方法的现状进行了简单介绍，用回归平面进行建筑物倾斜分析,用拟合曲线进行建筑物沉降分析和水平位移分析的综合方案,给出了回归平面模型的灵敏度公式及其分析,并结合实例说明了该方案的具体实施。
关键词：高层建筑；变形；监测；技术
前言：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。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.建筑物变形监测的概念
由于地面是软质或弹性物质,建筑物是一个整体,其密度比地面土质的密度大得多,这就必然导致建筑物在建造过程中或建完后下沉。如果该建筑物作为一个整体均匀地沉降,则不会发生倾斜或裂缝;反之,该建筑物产生不均匀沉降(差异沉降),那么它必然产生倾斜。变形测量就是监测建筑物是否产生不均匀沉降,沉降量值有多大,以及沉降的发生是施工本身造成的还是由于地质情况产生不均匀沉降而造成的,从而评价施工单位对建筑物施工的质量优劣。
2.建筑物变形的主要原因
①地质资料不准确。有的地质资料是参考相邻场地地质情况得出的数据,有的钻探钻孔间距过大,有的钻探深度不够,有的场地地层变化复杂。②基础设计形式不统一,采用多种基础形式混合;建筑物体形复杂,荷载差异大;基础落在不同土质上等。③基础施工达不到设计和规范要求。施工验槽时没有进行土体原位试验,仅凭经验判断,使建筑物未落在设计持力层上;或基槽原土被扰动、超挖以及施工时淤泥、松土未清理或者基底清理未达施工规范要求。
3.高层建筑变形监测技术方法
3.1变形监测非大地测量方法
用于变形监测的非大地观测仪器,需要固定于变形体上或者附近,必须直接接触观测部位。一类仪器的观测结果是相邻观测标志间平面位置或高程位置的相对位移;另一类仪器则是直接测定物理量进而间接求算几何量。
3.2变形监测传统大地测量方法
大地测量方法所测得观测结果的几何意义既明确又直观,故从古到今广泛用于各类工程建筑物的变形观测。尽管近5年来空间定位技术、激光三维扫描技术、数字摄影测量技术在建筑物变形观测中得到一定程度的应用,但在大多数情况下,传统的常规大地测量方法仍然是进行桥梁变形观测的主要手段。在某些观测项目上常规大地测量方法与现代的空间定位技术相比具有显著的优势。例如在建筑物基础沉降观测、桥梁的挠度观测等方面,精密水准测量目前仍然是精度最高、成果最可靠且简便易行的方法。但传统的大地测量监测方法也存在一定的缺点,如外业工作量大,布点受地形条件制约,不易实现自动化监测等。
3.3变形监测现代测量方法
传统的大地测量方法,无法直接测得各种荷载状态下的变形观测点的三维坐标,而只能观测一些间接的观测值,通过进一步解算才能得到变形量。现代测量技术则为直接测定观测点在各种荷载状态下的三维坐标提供了可能。
3.3.1基于全站仪的变形监测
全站仪变形监测以其自动化、高精度、三维监测的技术优势,在变形监测中得到了普遍应用。全站仪正在向全能型和智能化方向发展。带马达驱动和程序控制的全站仪结合激光、通讯及CCD技术,可实现测量过程的全自动化,被称作测量机器人。
3.3.2基于数字摄影测量的变形监测
摄影测量作为一种遥感式数据采集方法,可用于各种目的的测量,以前,由于存在设备专业化,价格昂贵,所需工作环境的限制、数据处理技术复杂,处理周期长,信息反馈慢等原因难以推广。近年来,随着计算机技术的飞速发展,摄影测量已经进入了数字摄影测量时代。被摄物体的数字影像的获取变得越来越容易。整个处理过程是由计算机完成的,因此也称为“计算机视觉的摄影测量”。数字近景摄影测量技术应用于变形监测与其他测量手段相比具有显而易见的优点。通过摄影测量的方法,建立变形体的三维立体模型,通过模型的量测,以测定监测点乃至整个变形体的空间位置及其变化。其监测精度已经达到了mm级。
3.3.4激光雷达属于无合作目标主动遥感测量技术
事先不需要布置任何测量标志,直接对变形体扫描,能够快速获取变形体上高密度的三维坐标数据。根据遥感平台不同,三维激光扫描可分为机载型、车载型、站载型,其中车载型和站载型属于地面遥感系统,是工程建筑物变形监测的主要平台。三维激光扫描技术对变形体监测数据采集采用高密度、高速度的面采集方式,具有很强的数字空间模型信息的获取能力。测程根据仪器种类,从几米到2km以上。单点测量精度在几毫米到数厘米之间,模型的精度要远高于单点精度,可达2-3mm。三维激光扫描技术已经在桥梁、文物保护、滑坡监测等领域进行应用。由于三维扫描系统价格昂贵,该方法用于建筑物的变形监测投入较大,目前普及应用还有相当的难度。
4.变形监测分析与预报建模
4.1变形分析与预报的数学模型
变形分析建模是采用数学模型来逼近、模拟和揭示变形体的变形规律和动态特征,旨在理解和预测变形体的动态变形规律及特征,为工程设计和灾害防治提供科学依据。变形分析模型根据分析目的的不同,可分为变形体几何分析模型和物理解释模型。许多学者提出并研究了各种模型。FIG变形分析专门委员会进行了变形模型的分类,如图1所示。
4.2回归分析模型
回归分析模型是依据实测数据用最小二乘法确定回归方程系数,所建模型属于经验模型。这种模型建模过程简单,使用方便,它是迄今为止研究最多,也是最为流行的变形观测分析方法。该模型又分为以下两种:①曲线拟合,该方法是趋势分析法中的一种,又称曲线回归或趋势曲线分析,用各种光滑的曲线来近似描述变形体的变形发展的基本趋势。比较典型的多项式趋势模型为:Yt=a0+a1t+…+antn。②多元线性回归分析,它是研究一个变量与多个因子之间非确定关系的最基本方法。其数学模型是:
式中,下标t表示观测值变量,共有n组观测数据,p表示因子个数。
4.3时间序列分析模型
回归分析法是假设观测数据在统计上独立或不相关的,是一种静态的数据处理方法。时间序列分析方法是一种动态的数据处理方法,该方法的特点在于:逐次观测值通常是不独立的,且分析必须考虑到观测资料的时间顺序,当逐次观测值相关时,可根据过去的观测值预测变形体未来的变形趋势,可以利用观测数据之间的自相关建立相应的数学模型来描述变形的动态特征。
4.4人工神经网络模型
神经网络有多种不同类型,在变形观测中最常用的是误差反向传播(BackPropagation)神经网络,简称BP网络。BP模型用于变形预测是用变形体若干天的实测位移量作为训练样本集,输入网络进行学习,经过多次迭代学习,神经网络模型就能较好地模拟观测点未来位移量。
4.5小波分析理论
近几年来迅速发展起来的小波分析理论也被用于动态变形的几何分析。通过对变形观测序列的多分辨分析可发现动态变形特征参数的变化时刻,或在对变形信号作的小波分解后再重构来实现强噪声下的变形趋势提取。
结束语：高层建筑物的出现对变形监测技术提出了挑战，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。
参考文献
[1]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．重庆建筑.2015
[2]陈雪丰.ＭＡＴＬＡＢ的高层建筑沉降变形监测数据处理．测绘与空间地理信息，2015.
[3]白迪谋.工程建筑物变形观测和变形分析.西南交通大学出版社,2012.
论文作者:杨明威
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年1月下
论文发表时间:2017/5/11
标签：建筑物论文; 测量论文; 模型论文; 形体论文; 技术论文; 方法论文; 高层论文; 《建筑学研究前沿》2017年1月下论文;