高層建筑糾偏遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

黃哲輝 盧文勝 沈劍浩

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

1 引言

在糾偏施工過(guò)程中，高層建筑的傾斜狀態(tài)及其變化是施工安全的關(guān)鍵因素[1，2]，直接影響施工安全和工期。由于環(huán)境條件的限制和工程的復(fù)雜程度，技術(shù)人員實(shí)地進(jìn)行測(cè)量往往不夠全面和持續(xù)，或存在不可避免的誤差[3，4]。因此，在糾偏過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)，采用高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)建筑物的傾斜變化進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，并將信息及時(shí)反饋。施工單位根據(jù)監(jiān)測(cè)情況即時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，采取相應(yīng)措施，可確保施工安全順利進(jìn)行。

本文基于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)高層建筑糾偏遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)某地區(qū)6棟高層建筑糾偏施工實(shí)施遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)分析表明，該系統(tǒng)無(wú)論是從保證該糾偏工程的施工安全和風(fēng)險(xiǎn)控制，還是為后續(xù)類似工程積累經(jīng)驗(yàn)，以及提升信息化施工技術(shù)水平方面都具有一定的參考價(jià)值。

2 工程概況

某小區(qū)6棟高層建筑，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，平面形狀近似為矩形，參見圖1。主體結(jié)構(gòu)高度為32.20 m，地上11層，地下1層?；A(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，地基存在軟弱下臥層。變形觀測(cè)資料表明，該建筑物的累計(jì)沉降量、傾斜率等各項(xiàng)指標(biāo)較大。截止至2013年6月15日，1#、2#、3#樓的南北向最大傾斜率為 5.8‰、5.8‰、3.3‰，均超過(guò)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[5]中關(guān)于“多層和高層建筑的整體傾斜(24 m＜Hg≤60 m)允許值3‰”的限值，4#、5#、6#樓傾斜率未超過(guò)規(guī)范限值。

圖1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置示意圖Fig.1 Monitoring network layout

為保證建筑物的安全正常使用，相關(guān)單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及計(jì)算分析，認(rèn)為必須對(duì)1#、2#、3#樓進(jìn)行地基基礎(chǔ)加固處理和糾偏處理，對(duì)4#、5#、6#樓進(jìn)行地基基礎(chǔ)加固處理。地基基礎(chǔ)采用錨桿靜壓樁加固，糾偏采用掏土迫降法。在施工的前中后期，采用了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工光學(xué)測(cè)量相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方法，對(duì)建筑物的傾斜狀況進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)測(cè)建筑物的傾斜變化，安裝在施工現(xiàn)場(chǎng)。數(shù)據(jù)采集及無(wú)線傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、總線控制單元、局域無(wú)線傳輸單元、遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸單元和短信報(bào)警單元組成，用于采集傳感器傳來(lái)的信息，并通過(guò)無(wú)線傳輸給信息管理中心，安裝在施工現(xiàn)場(chǎng)。數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集分析軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)組成，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，安裝在位于上海的信息管理中心。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意如圖2所示。

3.1 基本功能和要求

高層建筑糾偏遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和反饋四個(gè)基本功能，并滿足以下基本要求[6-9]:

(1)長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠性。

(2)較高的測(cè)量精度。

(3)小尺寸、模塊化。

(4)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化和標(biāo)準(zhǔn)化。

(5)穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)程傳輸。

(6)較好的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力。

(7)暢通的信息反饋。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.2 Structure of remote monitoring system

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及無(wú)線傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)三部分組成。傳感器系統(tǒng)由靜力水準(zhǔn)儀和雙軸測(cè)斜儀組成，用于

3.2.1 傳感器系統(tǒng)

采用ZS－901型靜力水準(zhǔn)儀和ZS－802型雙軸測(cè)斜儀，儀器參數(shù)如表1所示，儀器照片如圖3、圖4所示。3.2.2 數(shù)據(jù)采集及無(wú)線傳輸系統(tǒng)

表1 傳感器系統(tǒng)儀器參數(shù)Table 1 Instrument parameters of sensor system

圖3 靜力水準(zhǔn)儀Fig.3 Hydrostatic leveling

圖4 雙軸測(cè)斜儀Fig.4 Dual-axis clinometer

采用ZI—300型數(shù)據(jù)采集及無(wú)線傳輸系統(tǒng)，所有單元模塊性能參數(shù)如表2所示，儀器照片如圖5、圖6所示。

表2 模塊單元性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of module units

3.2.3 數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)

信息管理中心主控計(jì)算機(jī)接收到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析軟件進(jìn)行整理、計(jì)算和分析，并繪制各種表格及曲線。同時(shí)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。利用如下算法，得到建筑物每天和累計(jì)的傾斜率變化。

圖5 數(shù)據(jù)采集單元箱Fig.5 Data aquisition box

圖6 無(wú)線信號(hào)接收器Fig.6 Wireless signal receiver由靜力水準(zhǔn)儀得出的傾斜率公式為

式中 θW，θE——由靜力水準(zhǔn)儀測(cè)出的西側(cè)、東側(cè)南北向傾斜率(‰);

θW0，θE0——由光學(xué)傾斜測(cè)出的西側(cè)、東側(cè)南北向初始傾斜率(‰);

Δhi——i號(hào)靜力水準(zhǔn)儀相對(duì)于初始水位的水位變化量(mm);

li－j——i，j號(hào)靜力水準(zhǔn)儀間的距離(mm)。

由雙軸測(cè)斜儀得出的傾斜率公式為

式中 θW，θE——由雙軸測(cè)斜儀測(cè)出的西側(cè)、東

側(cè)南北向傾斜率(‰);

Δθi——i號(hào)雙軸測(cè)斜儀相對(duì)于初始傾斜

值的傾斜值變化量(‰)。

由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得出的傾斜率公式為

4 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

高層建筑糾偏施工的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在能體現(xiàn)建筑物傾斜變化的關(guān)鍵部位，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量需全面反映監(jiān)測(cè)區(qū)域變化情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，室內(nèi)隔墻較多，整棟樓剛性傾斜成分多，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在屋頂。每棟樓的四個(gè)靜力水準(zhǔn)儀安裝在屋頂四個(gè)角點(diǎn)的剪力墻上，兩個(gè)測(cè)斜儀安裝在東、西側(cè)最外邊緣的剪力墻上，監(jiān)測(cè)該樓的南北向、東西向傾斜變化。沉降觀測(cè)點(diǎn)布置在底層。各棟樓的監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖7所示。

4.2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)

共有6棟樓需要監(jiān)測(cè)，場(chǎng)地范圍大，工程復(fù)雜程度高。監(jiān)測(cè)網(wǎng)整體覆蓋6棟樓，同時(shí)顧及無(wú)線信號(hào)的傳輸通暢。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在每棟樓屋頂設(shè)計(jì)安裝采集單元網(wǎng)絡(luò)分節(jié)點(diǎn)，包含數(shù)據(jù)采集單元和局域無(wú)線傳輸單元，用于本棟樓的數(shù)據(jù)采集和傳輸;在位于場(chǎng)地中心的6#樓屋頂設(shè)計(jì)安裝采集單元網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，包含總線控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、局域無(wú)線傳輸單元、遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸單元和短信報(bào)警單元，用于本棟樓的數(shù)據(jù)采集和傳輸，同時(shí)接收六棟樓的數(shù)據(jù)并無(wú)線傳輸給信息管理中心的主控計(jì)算機(jī)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置示意如圖1所示。

4.3 儀器的安裝與調(diào)試

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布置方案，測(cè)試儀器安裝在主體結(jié)構(gòu)剪力墻出屋面部分，具體安裝與調(diào)試的步驟如下:

(1)在剪力墻表面鉆孔打錨栓并安裝固定支架，在支架上安裝底座和儀器;

(2)將連通管沿各測(cè)試點(diǎn)布設(shè)好;

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.7 Monitoring points arrangement

(3)將各傳感器固定至相應(yīng)測(cè)試點(diǎn);

(4)通過(guò)連通管將所有傳感器連通;

(5)任取一個(gè)靜力水準(zhǔn)儀作為輸液口，通過(guò)入水孔向主體容器內(nèi)灌入一定量的液體，待各儀器的液位穩(wěn)定;

(6)連接好各靜力水準(zhǔn)儀和測(cè)斜儀的電源線及485總線數(shù)據(jù)線并保護(hù)好;

(7)記錄并保存好各測(cè)試點(diǎn)的編號(hào);

(8)連接好相應(yīng)數(shù)據(jù)采集單元并校零、保存;

(9)在上述各步檢查、調(diào)試無(wú)誤后，保護(hù)好各儀器和采集單元，即可進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施

設(shè)備布置調(diào)試好后，讀取各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定可信后，取三次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為初始監(jiān)測(cè)值。在數(shù)據(jù)采集分析軟件中設(shè)置監(jiān)測(cè)頻率，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)頻率根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度靈活變化，在正常施工階段，頻率設(shè)置為白天1 min/次、夜晚1 h/次，在未施工和施工關(guān)鍵階段，監(jiān)測(cè)頻率相應(yīng)的減小和增大。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，還定期采取了常規(guī)光學(xué)傾斜及水準(zhǔn)測(cè)量，即用經(jīng)緯儀測(cè)量建筑物可見外棱線的傾斜值，用水準(zhǔn)儀測(cè)量預(yù)先布設(shè)的沉降觀測(cè)點(diǎn)高程，作為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的比對(duì)和參考。在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施的當(dāng)天，光學(xué)測(cè)量的傾斜率作為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的初始傾斜率，通過(guò)每天的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)施工期間的傾斜率動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

由經(jīng)緯儀得出的傾斜率公式為

式中 θW，θE——由經(jīng)緯儀測(cè)出的西側(cè)、東側(cè)南

北向傾斜率(‰);

dW，dE——西側(cè)、東側(cè)外棱線的頂點(diǎn)南北向偏移量(mm);

H——建筑物高度(mm)。由水準(zhǔn)儀得出的傾斜率公式為

式中 θW，θE——由水準(zhǔn)儀測(cè)出的西側(cè)、東側(cè)南北向傾斜率(‰);

Δh＇i——i號(hào)沉降觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于初始高程的高程變化量(mm);

l＇i－j——i，j號(hào)沉降觀測(cè)點(diǎn)間的距離(mm)。

5 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)成果及分析

1#～6#樓初始較大傾斜均為由北向南傾斜，東西向由于整體剛度較大，傾斜較南北向小很多。在持續(xù)監(jiān)測(cè)中，東西向也未發(fā)生明顯傾斜變化。因此，本文只對(duì)6棟樓的南北向傾斜率作分析(以下傾斜率均指南北向傾斜率)。

5.1 建筑物某一天的傾斜率變化示例

根據(jù)某一天的連續(xù)數(shù)據(jù)，以1 h為間隔，按式(7)得出傾斜率。在加固糾偏施工的前中后期，6棟樓某一天的傾斜率變化見圖8，傾斜率波動(dòng)幅度見表3。

圖8 某一天的傾斜率變化Fig.8 Tilt rate variation in one day

可見，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每天24小時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)建前中后期的持續(xù)監(jiān)測(cè)，獲得了每天的寶貴數(shù)據(jù)，比 如對(duì)施工中期傾斜率波動(dòng)幅度的捕捉可掌握當(dāng)天 的施工效果，指導(dǎo)施工過(guò)程。全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了建筑物的傾斜率，對(duì)于及時(shí)了解加固糾偏狀況、控制糾偏速度、調(diào)整施工安排具有重要意義。通過(guò)施工筑物的傾斜狀態(tài)，得到了累計(jì)的傾斜率變化過(guò)程。

表3 某一天的傾斜率波動(dòng)幅度Table 3 Tilt rate variation range in one day %

5.2 建筑物累積的傾斜率變化分析

根據(jù)每天的連續(xù)數(shù)據(jù)，以1天為間隔，按式(7)得出累計(jì)傾斜率變化。定期光學(xué)傾斜及水準(zhǔn)測(cè)量按式(8)、式(11)得出累計(jì)傾斜率變化。三種方法測(cè)出的6棟樓累計(jì)傾斜率變化見圖9。

圖9 累計(jì)傾斜率變化Fig.9 Variation of acumulated tilt rate

施工單位根據(jù)每天的連續(xù)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，采取相應(yīng)措施，確保施工安全順利進(jìn)行。以1#樓為例，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指導(dǎo)施工的過(guò)程見表4。

表4 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指導(dǎo)1#樓施工過(guò)程Table 4 Remote monitoring system guiding 1#building construction ‰

5.3 三種測(cè)試方法相互驗(yàn)證比較

從圖9可以看出，三種方法測(cè)出的傾斜率變化趨勢(shì)基本一致，光學(xué)測(cè)量的傾斜率絕對(duì)值和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本吻合，表5列出了三種方法從6月15日至11月24日測(cè)出的累計(jì)傾斜率變化量，數(shù)據(jù)差別不大。

表5 累計(jì)傾斜率變化量Table 5 Variation of aumulated filt rate ‰

限于測(cè)量次數(shù)，光學(xué)測(cè)量不能反映在糾偏施工過(guò)程中建筑物每天的傾斜率變化，也不能反映在糾偏施工關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的傾斜率變化。因此，相較于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，光學(xué)測(cè)量有其局限性。另外，由于光學(xué)傾斜測(cè)量選取的是建筑物外棱線，含施工和裝修誤差，光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)量易受人為影響，因此光學(xué)測(cè)量還有其主觀性和不精確性。

綜上所述，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果是穩(wěn)定可信的，且具有常規(guī)光學(xué)測(cè)量不能滿足的高精度、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、遠(yuǎn)程控制等優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)論

(1)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在該高層建筑糾偏工程中的成功應(yīng)用，不但解決了常規(guī)光學(xué)測(cè)量方法無(wú)法滿足的高精度、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題，而且最大限度地降低了監(jiān)測(cè)與施工之間的相互影響。

(2)通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集糾偏建筑物的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握了建筑物每天的傾斜率變化情況，為分析和判斷糾偏施工的正確與否及建筑物的安全狀況提供了科學(xué)依據(jù)。

(3)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和常規(guī)光學(xué)測(cè)量的數(shù)據(jù)比較，傾斜率變化趨勢(shì)基本一致，絕對(duì)值基本相等，變幅相近，可認(rèn)為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試是穩(wěn)定可靠的。

致謝 本文得到上海筑邦測(cè)控科技有限公司、上海同華特種土木工程有限公司、山東建筑大學(xué)及同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心相關(guān)老師和學(xué)生的指導(dǎo)與幫助，在此一并致謝!

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