高層建筑物變形智能化監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理方法研究

胡高峰 劉成

上海御一科技有限公司，中國·上海 201615

1 引言

高層建筑從施工準(zhǔn)備起，到全部工程竣工后的一段時間內(nèi)，應(yīng)按施工與設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行沉降、位移和傾斜等變形觀測。一般分兩部分：一部分是觀測高層建筑施工造成周圍鄰近建筑物和護(hù)坡樁的變形以及日照等對建筑物施工影響的變形，以保證安全和正確指導(dǎo)施工，這是直接為施工服務(wù)的變形觀測；另一部分是在整個施工過程中和竣工后，觀測高層建筑各部位的變形，以檢查施工質(zhì)量和工程設(shè)計(jì)的正確性，并為有關(guān)地基基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反饋信息。在監(jiān)測過程中需要對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的處理與分析，然后根據(jù)實(shí)際變形情況采取有效的防治措施。對此，論文將圍繞著高層建筑物變形智能化監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行研究。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)，估計(jì)建筑物的變形情況

隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，土地成為稀缺資源，土地價格迅速上漲，為了提高土地利用率，建筑物的高度逐漸上升，地標(biāo)性高層建筑物接二連三地出現(xiàn)在我們的視野里。高層建筑物因荷載較大，高度較高，更容易受到外部因素影響，建筑物產(chǎn)生不均勻的沉降的可能性加大。如果建筑物的不均勻沉降超過允許值，就會影響建筑物的使用，是指引發(fā)災(zāi)害，導(dǎo)致建筑物報(bào)廢，造成生命安全和財(cái)產(chǎn)損失。為了監(jiān)測建筑物的安全性能，必須對高層建筑進(jìn)行變形監(jiān)測，以便及時掌握高層建筑物的形態(tài)變化，這對建筑物的安全監(jiān)控具有重要意義。建筑物沉降觀測是監(jiān)測建筑物是否變形的主要方式之一，通過定期監(jiān)測變形觀測點(diǎn)的過程，根據(jù)各點(diǎn)之間的高度變化來確定建筑物的沉降量等參數(shù)，準(zhǔn)確掌握建筑物的沉降變化規(guī)律，據(jù)此來推斷，沉降變形對建筑物的破壞影響程度，為建筑物設(shè)計(jì)和防震救災(zāi)提供科學(xué)的依據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理方式主要分為兩種：一種是內(nèi)部監(jiān)測數(shù)據(jù)，另一種是外部測量數(shù)據(jù)。在監(jiān)測數(shù)據(jù)處理過程中，通常都要制定相應(yīng)的步驟，每一個步驟中的計(jì)算工作都應(yīng)該做到分毫不差，否則就會對最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果造成嚴(yán)重影響。

在處理數(shù)據(jù)時，應(yīng)該先對外部影響因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣有利于消除相關(guān)影響因素，進(jìn)而專門處理內(nèi)部監(jiān)測數(shù)據(jù)。在實(shí)際處理過程中，工作人員應(yīng)該先將豎直方向與水平方向的基線變化情況記錄下來，并制作數(shù)據(jù)處理表。之后將不同觀測時間內(nèi)豎直方向和水平方向的原基線與基線增量進(jìn)行記錄，以便于在進(jìn)行處理時能夠相互對照。最后可以繪制一張相鄰時間段的基線變化曲線圖，進(jìn)而使相關(guān)人員更加直觀地觀察不同觀測過程中基線增量的變化情況。上述分析方法是相對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析法，目前，許多單位開始應(yīng)用不同的新方法進(jìn)行建筑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理，例如，最大間隙法與平均間隙法等。

根據(jù)傳感器當(dāng)彈性軸受扭時，應(yīng)變橋檢測得到的mV級的應(yīng)變信號通過儀表放大器放大成1.5V±1V的強(qiáng)信號，再通過V/F轉(zhuǎn)換器變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器從旋轉(zhuǎn)的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經(jīng)過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，既可提供給專用二次儀表或頻率計(jì)顯示也可直接送計(jì)算機(jī)處理的工作原理可監(jiān)測高層建筑物的變形情況。在高層建筑物的建筑過程中，要用好各種傳感器來監(jiān)視和控制建筑過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，從而使高層建筑物達(dá)到最佳質(zhì)量[1]。

此外，有的工作單位還使用卡爾曼濾波法，這是目前應(yīng)用最多同時也是效果最佳的方法，卡爾曼濾波中最關(guān)鍵的組成部分是狀態(tài)估計(jì)，通過對觀測數(shù)據(jù)的隨機(jī)量進(jìn)行定量推斷可以估計(jì)出建筑物的變形情況，所以這種方法對建筑物變形數(shù)據(jù)處理工作有一定的幫助。

3 采用多種方法，保證觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性

在對變形數(shù)據(jù)曲線的繪制過程中，通過分析注意到一種能夠較好反映出變形過程特性的曲線叫變形螺旋曲線法。該曲線形狀上類似于數(shù)學(xué)中的函數(shù)螺線，故將其命名為變形螺旋曲線。該曲線的優(yōu)點(diǎn)在于反映出了變形體變化的整體過程。當(dāng)建筑物的荷載漸進(jìn)增加階段，沉降變形量便隨之不斷加大，此時的變形曲線將以較大的角度向內(nèi)側(cè)圓周收縮；在建筑物的荷載進(jìn)入穩(wěn)定階段后，沉降變形量慢慢減少，此時變形曲線沿著某一固定圓周延伸。其次，注重觀測周期的設(shè)置。要根據(jù)建筑物所在位置的地質(zhì)情況、地基處理情況和上部結(jié)構(gòu)情況，確定變形觀測周期。主體建筑物建設(shè)到正負(fù)零時，布設(shè)觀測點(diǎn)，設(shè)置好觀測點(diǎn)后，進(jìn)行第一次觀測，確定基準(zhǔn)值。觀測點(diǎn)的設(shè)置能夠精確地反映出建筑物的沉降趨勢，觀測點(diǎn)需要根據(jù)現(xiàn)場及地基基礎(chǔ)的情況而設(shè)置。根據(jù)建筑物所在位置的地質(zhì)情況、地基處理情況和上部結(jié)構(gòu)情況，確定變形觀測周期。主體建筑物建設(shè)到正負(fù)零時，布設(shè)觀測點(diǎn)，設(shè)置好觀測點(diǎn)后，進(jìn)行第一次觀測，確定基準(zhǔn)值。地下停車庫以每個建筑單元為單位劃分，樁基柱子澆筑完成后，布設(shè)觀測點(diǎn)，進(jìn)行第二次觀測，如有異常，還需增加觀測頻率。

接著，最為關(guān)鍵的步驟就是正確使用儀器與觀測，建筑沉降觀測工作的精度要求非常高，所以為了確保觀測結(jié)果的精準(zhǔn)性，通常情況下的測量誤差應(yīng)小于變形值的到。為此，高層建筑變形監(jiān)測工作應(yīng)該使用S1或S05級的精密水準(zhǔn)儀，同時還要使用受環(huán)境及溫差變化影響小的高精度銦合金水準(zhǔn)尺。本工程主要采用天寶DSO5高精密電子水準(zhǔn)儀及一對2m銦鋼尺和0.5s拓普康全站儀。

在高層建筑物的建設(shè)過程中，物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分級處理和降維處理來減輕系統(tǒng)的負(fù)荷。分級處理可以有效減輕系統(tǒng)負(fù)負(fù)荷；而降維處理又可以有效地壓縮數(shù)據(jù)量，是處理某些數(shù)據(jù)的必要步驟，并且已經(jīng)應(yīng)用于大規(guī)模的圖像處理算法中。物聯(lián)網(wǎng)的信息是超大規(guī)模的，需要利用感知信息具有的時間和空間相關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)不同空間域中的多粒度分級存儲和檢索，提高資源利用率和信息獲取效率。提出一種基于多級數(shù)據(jù)處理的嵌入式中間件系統(tǒng)解決方案，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾、聚合和處理等功能，在一定程度上提高了高層建筑物整體建設(shè)的效率[2]。

穩(wěn)定也是高層建筑物的主要工作點(diǎn)，穩(wěn)定是指變形觀測依據(jù)的基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)，其點(diǎn)位要穩(wěn)定?；鶞?zhǔn)點(diǎn)是變形觀測的基本依據(jù)，每項(xiàng)工程至少要有3個穩(wěn)固可靠的基準(zhǔn)點(diǎn)，并每半年復(fù)測一次，工作基點(diǎn)是觀測中直接使用的依據(jù)點(diǎn)，要選在距觀測點(diǎn)較近但比較穩(wěn)定的地方。對通視條件較好或觀測項(xiàng)目較少的高層建筑，可不設(shè)工作基點(diǎn)，而直接依據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)觀測。變形觀測點(diǎn)應(yīng)設(shè)在被觀測物上最能反映變形特征，且便于觀測的位置。與此同時，還要注重四固定，第一，所用儀器、設(shè)備要固定；第二，觀測人員要固定；第三，觀測的時間要固定；第四，觀測的路線、鏡位、程序和方法要固定。

4 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，直觀顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)特點(diǎn)

超高層建筑物耗資多，占地面積及樓房體積較大，服役時間長，使用期限通常長達(dá)幾十年乃至上百年，對耐用性要求較高。而且現(xiàn)在隨著高層建筑物的增高和荷載的增加，在地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的共同作用下，建筑物可能發(fā)生不均勻沉降的結(jié)構(gòu)問題，并出現(xiàn)樓體傾斜或裂縫等結(jié)構(gòu)監(jiān)測問題，影響正常使用，甚至危害建筑物的安全，給國家和人民的生命、財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。因此，采用三維模型數(shù)據(jù)處理能夠?qū)崿F(xiàn)更直觀明了地顯示變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的目的，利用Surfer三維模型對變形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是一種很好的方式。該軟件通過數(shù)據(jù)插值網(wǎng)格化后繪制的測區(qū)三維立體線框模型，形象地展現(xiàn)了各觀測點(diǎn)間的高程落差和點(diǎn)位的分布情況。采用高精度的監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)備，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)在行業(yè)內(nèi)達(dá)到領(lǐng)先水準(zhǔn)。逐步實(shí)現(xiàn)了自動化與系統(tǒng)高度自動化的一體化，同時，各監(jiān)測設(shè)備巡視采樣周期均小于10分鐘（用戶可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定），使數(shù)據(jù)實(shí)時性增強(qiáng)。除此之外，還能實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測，使各監(jiān)測項(xiàng)目不受天氣條件的限制，可以進(jìn)行全天候?qū)崟r監(jiān)測。與此同時，智能、操作界面友好，可利用軟件的智能化實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測設(shè)備的實(shí)時控制，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的自動采集與處理，方便數(shù)據(jù)的存儲與查詢。軟件智能化，界面友好，操控簡單，工作人員上手容易。監(jiān)測采用穩(wěn)固的硬件，各監(jiān)測項(xiàng)目采用的設(shè)備都可長時間連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)故障率小于3%；監(jiān)控中心采用高性能服務(wù)器，支持海量數(shù)據(jù)的存儲與處理，各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)及報(bào)警數(shù)據(jù)及截圖可保存5年以上，后期可隨需要擴(kuò)展硬盤，實(shí)現(xiàn)所有信息的存儲。其監(jiān)測系統(tǒng)還具有兼容性的特點(diǎn)，系統(tǒng)滿足開放性標(biāo)準(zhǔn)的要求，方便系統(tǒng)功能的添加、刪除、維護(hù)、修改、擴(kuò)展。系統(tǒng)硬件預(yù)留各項(xiàng)接口，可新增監(jiān)測項(xiàng)目及添加監(jiān)測設(shè)備；系統(tǒng)軟件兼容當(dāng)前流行的多種數(shù)據(jù)庫，包括Access、SQL Server、Oracle，并滿足數(shù)據(jù)庫容量的擴(kuò)充、系統(tǒng)軟件功能的增強(qiáng)等方面的要求[3]。

5 結(jié)語

高層建筑從施工準(zhǔn)備到全部工程竣工后的一段時間內(nèi)，應(yīng)按施工與設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行沉降、位移和傾斜等變形觀測。一般分兩部分，一部分是觀測高層建筑施工造成周圍鄰近建筑物和護(hù)坡樁的變形以及日照等對建筑物施工影響的變形，以保證安全和正確指導(dǎo)施工，這是直接為施工服務(wù)的變形觀測；另一部分則是在整個施工過程中和竣工后，觀測高層建筑各部位的變形，以檢查施工質(zhì)量和工程設(shè)計(jì)的正確性，并為有關(guān)地基基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反饋信息。在監(jiān)測過程中需要對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的處理與分析，然后根據(jù)實(shí)際情況采取有效的防治措施。監(jiān)測和診斷超高層結(jié)構(gòu)的健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，對可能出現(xiàn)的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，評估建筑結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、耐久性和適用性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。