民用建筑物變形觀測方法的研究

朱浩波

鹽城市瑞地勘測有限公司，江蘇鹽城 224002

民用建筑物變形觀測方法的研究

朱浩波

鹽城市瑞地勘測有限公司，江蘇鹽城 224002

國家及行業的有關規范標準都規定，建筑工程沉降應采用國家一、二等精密水準測量的方法進行，但與國家一、二等精密水準測量相比，建筑工程沉降觀測的方法有其自身的特點，根據國家及行業的規范標準，結合其他有關文章對沉降觀測的看法，對建筑工程沉降觀測點的布設，沉降觀測的實施、觀測周期的安排等方面存在的問題進行分析研究，結合空間大地測量中的GPS技術，給出解決的方法或合理的建議。

建筑工程；沉降；觀測方法；GPS

0 引言

建筑物在施工工程中過程中都會發生幾何變形，包括下沉、位移、傾斜，并可能由此產生的裂縫、扭轉等。不同的建筑物有不同的允許變形值。如果實際變形超過了限值就會危害建筑物的正常使用或者預示建筑物的使用環境產生了某種不正常的變化。引起變形的客觀原因主要有：建筑物的自重、振動或風力等因素等引起的附加荷載，建筑物結構的型式，地下水位的升降、它對基礎的侵蝕作用，地基土在荷載與地下水位變化影響下產生的各種工程地質現象，溫度的變化，建筑物附近新工程施工對地基的擾動等等。主觀原因有：地質勘探不充分、設計錯誤、施工質量差、施工方法不當等等。因此，從安全與經濟的角度考慮，對建筑物上及周圍的一些觀測點進行重復的變形觀測，從這些點坐標的變化中了解建筑物變形的空間分布和隨時間發展的情況是十分必要的[1]。

建筑物的變形觀測包括基礎的沉陷觀測和建筑物本身的變形觀測。在擬訂沉陷觀測點的布置方案時，通常是由設計部門提出要求，由施工組織計劃者提出布置方案，在施工期間進行埋設。觀測點應有足夠的數量，以便測出整個基礎的沉陷、傾斜與彎曲，并且能夠繪出等沉陷值曲線。同時，還應考慮建筑物的規模、型式和結構特征，以及建筑物場地的工程地質、水文地質等條件。觀測點應牢固地與建筑物結合在一起，便于觀測，并盡量保證在整個變形觀測期間不受損壞[2]。

1 變形觀測速度與復測周期及變形速度間的關系

設于t1時刻測得的觀測點坐標為X1，觀測精度為m。在△t=ti+1-t1期間的變形量為△x，相應的誤差可認為是m△=√2m，則：

變形發展的速度v為：

2 基準點和沉降觀測點的布設

建筑工程沉降觀測是從一基準點開始采用精密水準測量的方法測得建筑物上各沉降點的高程，根據前后兩次所測同一沉降點的沉降量，因此，沉降觀測所用的點分為基準點和沉降點兩種。

2.1 基準點的布設

建筑工程沉降觀測的期限一般較長，尤其是不堅實地基上的建筑工程，基準點的長久穩固不動是十分重要的。然而，在實際工作中，為了減少因水準觀測路線過長而引起的觀測誤差，建筑工程沉降觀測所用的基準點往往設置在離工地較近的舊有建筑物外墻上，且采用相對高程系統。這樣時間久了，由于大規模的城區改造，舊有建筑物可能被拆遷，基準點將遭到破壞，一旦基準點被破壞，則觀測工作將被迫中斷。對此，有關規范標準并沒有明確規定沉降觀測所用的基準點必須是國家水準點，或是與國家水準點聯測的工作基點。從上述情況來看，為了保證沉降點觀測工作的長期連續性，設置在工地附近的基準點只能作為工作基點，且必須與市內較近的國家水準點進行聯測，從而得到沉降觀測點在國家統一高程系統中的高程值。這樣，即使工作基點和與與之聯測的基準點都遭到破壞，也仍可用市內國家統一高程系統中的其他基準點恢復[3]。

2.2 沉降點的布設

建筑物種類多，形狀各異，結構不同，對觀測點的布置，很難規定得十分具體。經實踐總結，認為觀測點適宜設在下述位置：

1）框架結構建筑物的每個（或每兩個）柱基上設一點；箱形基本四角、拐角處；

2）高低層建筑物、新舊建筑物及建筑物沉降縫兩側；

3）基礎形式或埋深不同處，不同結構分界處；

4）建筑物寬度大于15m的中點處，內部承重柱縱橫軸線交叉處；

5）重型設備基礎和動力基礎；

6）電視塔、煙囪、水塔、油罐、高爐及其它高聳建筑物，應沿周邊基礎對稱軸的特征點上布點，并不少于4個觀測點；

7）需測定撓度的基礎某一軸線方向上有代表性位置，一般一條軸線上不少于3個觀測點[2]。

國家及行業有關規范標準均規定，沉降觀測點的布設應結合地質情況及建筑物結構特點，以能全面反映建筑物地基變形特征來確定。由上面的實踐經驗可以看出：從平面設置考慮，沉降點一般布設在建筑物的四角、大轉角、沿外墻每10～15m處或每隔2～3根立柱的柱基上。從縱向設置考慮，沉降點一般布設在主體的±0.00以上0.5m左右的外墻上較合適，這樣這樣觀測時立尺、觀測均較方便。但對于當今的建筑工程，這樣布設時常會遇到問題，甚至使觀測工作無法進行，例如對于目前相當普遍的帶裙房的多層或高層建筑，裙房與其主體的沉降在時間上往往不同步，二者的沉降量相差也較大，因此，必須各自分別布設沉降點，但由于裙房將建筑主體的首層外墻包圍，其主體上的沉降觀測點若布設在±0.00以上的首層外墻上，則工程竣工后，由于此房產往往不再屬于開發商，在裙房內的主體沉降點將難以繼續觀測到。另外，有些工程外墻用大理石或蘑菇石裝飾，則其外墻上的沉降點標志在裝修期將不可避免地被破壞，即使再恢復，也影響工程外墻的美觀。鑒于上述情況，對于帶裙房的建筑，尤其是高層建筑，可考慮將建筑工程主體上的沉降觀測點布設在常作為車庫的地下室內為宜[3]。

3 沉降觀測的實施

3.1 儀器測站的設置

國家一、二等精密水準測量的規范要求在設置儀器測站時，前后視距差對于一等不得超過0.5m，對于二等不得超過1.0m。然而，觀測一幢建筑物的各沉降點時，在視線長度要求范圍內（一等不超過30m，二等不超過50m），往往在一個測站上同時可以觀測到多達4～5個沉降點，如果在這一個測站上測完這4～5個沉降點，工作效率當然較高，但前后視距差必然會超限。如果嚴格按照前后視距差的要求，則只得在相鄰的兩兩沉降點之間都架設儀器設置測站。一方面，測站設置越多，產生觀測誤差的機會也就越大，這樣有可能因過分前后視距相等，反而導致觀測精度降低及工作效率下降；另一方面，我們知道，規范中限制前后視距差的目的主要是為了減小因水準儀存在i角而引起的水準尺讀數誤差，但一般在沉降觀測之前，儀器i角已嚴格檢驗校正到接近于零，因此前后視距差即使較大，也不會產生顯著的因i角而引起的水準尺讀數誤差。由此可見，在觀測之前，只要儀器i角已嚴格檢校，那么這一前后視距差的規范要求對于建筑工程沉降可以放寬或不作要求。

3.2 數據的處理方法

按照國家一、二等精密水準測量的規范要求，通常將測量路線布設成閉合路線，并計算其閉合差，其目的是為了檢查測量數據中是否存在錯誤或大的累積誤差。另外，如果閉合差不超限，則還要將其反號按與測段的長短成正比例地分配到路線中，即對每一測段的高差進行修正。

然而，建筑工程沉降觀測有其特殊性：除第一次測量外，其余每次都是重復測量，由于每次都是重新測一遍，因此避免了因測量次數的增多而導致的誤差積累，而且從同一點兩次高差值的比較（隨本次沉降量的大小而定，一般不會太大），還可得知測量中是否存在大的錯誤，這樣看來，將沉降點的高程值總是小于或等于前一次的高程值，如果按照規范要求將水準測量路線布設成閉合狀，且將閉合差強制分配到每一測段的高差中，反而有可能扭曲沉降點的高程值，使得在沉降點并未下沉的情況下出現沉降點上升的不合理現象。

由此可見，建筑工程沉降觀測可以不采用閉合水準測量路線，其數據處理也不采用閉合水準測量路線，其數據處理也不必進行閉合差分配。如果觀測時只采用簡單的支水準測量路線，在數據處理時，若前后兩期的觀測數據通過比對發現某一沉降點的高程值異常，則有如下兩種可能的原因：一是測量誤差太大，二是確實出現了較大（或異常）的沉降。因此若發現沉降點的高程值異常，不要進行誤差修正，正確的做法應該是無條件返工重測核實，從而分辨出是測量誤差太大，還是確有較大的沉降。

4 觀測周期的安排

建筑工程的沉降觀測周期主要依據沉降速率的大小來安排，而影響沉降速率的主要因素是荷載。建筑工程在主體封頂前大量增加荷載，主體封頂后則荷載增加得少而慢。因此，在安排建筑工程沉降觀測的周期時，可分工程封頂前和工程封頂后兩個階段來考慮。

4.1 工程封頂前的周期

《建筑變形測量規程》規定：民用建筑可每加高1～5層觀測一次。由于建筑工程在主體封頂前的施工階段，荷載增加很快，沉降量也較大，因此建議有關規范標準明確規定每加高1層必須觀測一次，這樣可以及時掌握沉降量與荷載的關系，盡早發現不均勻沉降，在沉降異常時及時調整施工方案。

4.2 工程封頂后的周期

工程封頂后至工程竣工的這一時期為裝修期，有關的規范標準對這一階段的觀測周期未作明確規定。由于沉降總是滯后于加載，因此在工程封頂后的裝修期間有時會出現比封頂前更大的沉降量，同時，在裝修期間，工程也會因地板、墻面的抹灰、安裝設備等而增加一定的荷載，但這時荷載的增加因資金、配套等因素的影響而變得無時間規律，沉降速率也時大時小，對此，其觀測周期應根據前一個觀測周期所測算而得的日平均沉降值來安排（如表1所示），最后直至沉降基本穩定（日平均沉降值小于0.01mm/d）為止。另外，如果觀測所得的不均勻沉降量較大，觀測周期必須比由日平均沉降量所定的周期要短些[3]。

表1 封頂后的觀測周期表

5 建筑物變形觀測的發展

大地測量方法中的三角測量、水準測量、交繪測量等傳統方法，該類方法的主要特征是可以利用傳統的大地測量儀器，理論和方法成熟，測量數據可靠，觀測費用相對較低。但該類方法也有很大的缺陷：觀測所需要要的時間長，勞動強度高，觀測精度受到觀測條件的影響較多，觀測精度受到觀測條件的影響教多，不能實現自動化觀測等。目前，該類方法的改進主要表現在：1）利用高精度測距代替精密測角，以提高工作效率；2）采用電子水準儀代替原來的光學水準儀觀測，有效地提高觀測數據的可靠性；3）采用測量機器人代替原來的經緯儀觀測，實現觀測和數據處理的自動化和只能化。所采用的儀器還有高精度全站儀、液態靜力水準儀等等[4]。

另外，由于空間大地測量技術的發展，GPS技術已經被廣泛應用到測量工作中，其中變形監測也不例外，并且我們知道，其中的靜態相對定位技術在形變監測中很成熟了，精度可以達到亞毫米級，所以，在對一些高層建筑或特殊的建筑的變形監測中，可以采用GPS相對定位技術對其建筑物外部的基準點進行測量，其精度是完全可以滿足要求的。例如，中央電視臺新臺建設工程變形監測的外部基準點就使用了GPS進行測控[5]。

6 結論

與國家一、二等精密水準測量方法相比，建筑工程沉降觀測的方法確有其自身的特點，本文針對建筑工程沉降觀測點的布設、沉降觀測的實施和觀測周期的安排等幾個方面的問題，根據沉降觀測工作的實際具體情況，對特殊性進行了深入分析研究，并根據技術的發展對未來建筑工程的變形觀測做了討論，為以后更好進行建筑工程變形監測工作提供了依據。

[1]陳龍飛，金其坤.工程測量[M].上海：同濟大學出版社，2006.

[2]欒元重，呂法奎，班訓海.動態變形觀測與預報[M].北京：中國農業科學科技出版社,2007.

[3]郁雯，熊春寶.建筑工程沉降觀測方法的研究[J].測繪通報，2007（10）：42-44.

[4]岳建平，方露，黎昵.變形監測理論與技術研究進展[J]. 測繪通報，2007（7）：1-4.

[5]莫南明，過靜珺，張勝良，等.CCTV主樓施工變形監測技術應用研究[J].測繪工程，2007（5）：48-52.

TU7

A

1674-6708（2010）22-0079-02