高層建筑糾偏遠程監測系統的設計與實施

黃哲輝 盧文勝 沈劍浩

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092)

1 引言

在糾偏施工過程中，高層建筑的傾斜狀態及其變化是施工安全的關鍵因素[1，2]，直接影響施工安全和工期。由于環境條件的限制和工程的復雜程度，技術人員實地進行測量往往不夠全面和持續，或存在不可避免的誤差[3，4]。因此，在糾偏過程中，結合現場施工監測，采用高精度遠程自動化實時監測系統，對建筑物的傾斜變化進行全面監測，并將信息及時反饋。施工單位根據監測情況即時調整施工參數，采取相應措施，可確保施工安全順利進行。

本文基于自動化監測技術，設計高層建筑糾偏遠程監測系統，對某地區6棟高層建筑糾偏施工實施遠程實時監測。監測分析表明，該系統無論是從保證該糾偏工程的施工安全和風險控制，還是為后續類似工程積累經驗，以及提升信息化施工技術水平方面都具有一定的參考價值。

2 工程概況

某小區6棟高層建筑，為現澆鋼筋混凝土剪力墻結構，平面形狀近似為矩形，參見圖1。主體結構高度為32.20 m，地上11層，地下1層。基礎形式為筏板基礎，地基存在軟弱下臥層。變形觀測資料表明，該建筑物的累計沉降量、傾斜率等各項指標較大。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《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)[5]中關于“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#樓傾斜率未超過規范限值。

圖1 監測網布置示意圖Fig.1 Monitoring network layout

為保證建筑物的安全正常使用，相關單位根據現場檢測及計算分析，認為必須對1#、2#、3#樓進行地基基礎加固處理和糾偏處理，對4#、5#、6#樓進行地基基礎加固處理。地基基礎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，采用了遠程監測系統和人工光學測量相結合的監測方法，對建筑物的傾斜狀況進行了連續監測。

3 遠程監測系統構成

監測建筑物的傾斜變化，安裝在施工現場。數據采集及無線傳輸系統由數據采集單元、總線控制單元、局域無線傳輸單元、遠程無線傳輸單元和短信報警單元組成，用于采集傳感器傳來的信息，并通過無線傳輸給信息管理中心，安裝在施工現場。數據管理分析系統由數據采集分析軟件和數據庫組成，對數據進行分析和處理，并利用數據庫進行數據的存儲和管理，安裝在位于上海的信息管理中心。遠程監測系統構成示意如圖2所示。

3.1 基本功能和要求

高層建筑糾偏遠程監測系統包括數據采集、傳輸、處理和反饋四個基本功能，并滿足以下基本要求[6-9]:

(1)長期穩定、可靠性。

(2)較高的測量精度。

(3)小尺寸、模塊化。

(4)自動化、實時化和標準化。

(5)穩定可靠的遠程傳輸。

(6)較好的數據運算處理能力。

(7)暢通的信息反饋。

圖2 遠程監測系統構成示意圖Fig.2 Structure of remote monitoring system

3.2 遠程監測系統構成

遠程監測系統由傳感器系統、數據采集及無線傳輸系統和數據管理分析系統三部分組成。傳感器系統由靜力水準儀和雙軸測斜儀組成，用于

3.2.1 傳感器系統

采用ZS－901型靜力水準儀和ZS－802型雙軸測斜儀，儀器參數如表1所示，儀器照片如圖3、圖4所示。3.2.2 數據采集及無線傳輸系統

表1 傳感器系統儀器參數Table 1 Instrument parameters of sensor system

圖3 靜力水準儀Fig.3 Hydrostatic leveling

圖4 雙軸測斜儀Fig.4 Dual-axis clinometer

采用ZI—300型數據采集及無線傳輸系統，所有單元模塊性能參數如表2所示，儀器照片如圖5、圖6所示。

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

3.2.3 數據管理分析系統

信息管理中心主控計算機接收到監測數據后，通過數據采集分析軟件進行整理、計算和分析，并繪制各種表格及曲線。同時，利用數據庫進行數據的存儲和管理。利用如下算法，得到建筑物每天和累計的傾斜率變化。

圖5 數據采集單元箱Fig.5 Data aquisition box

圖6 無線信號接收器Fig.6 Wireless signal receiver由靜力水準儀得出的傾斜率公式為

式中 θW，θE——由靜力水準儀測出的西側、東側南北向傾斜率(‰);

θW0，θE0——由光學傾斜測出的西側、東側南北向初始傾斜率(‰);

Δhi——i號靜力水準儀相對于初始水位的水位變化量(mm);

li－j——i，j號靜力水準儀間的距離(mm)。

由雙軸測斜儀得出的傾斜率公式為

式中 θW，θE——由雙軸測斜儀測出的西側、東

側南北向傾斜率(‰);

Δθi——i號雙軸測斜儀相對于初始傾斜

值的傾斜值變化量(‰)。

由遠程監測系統得出的傾斜率公式為

4 遠程監測系統設計與實施

4.1 監測點的設計

高層建筑糾偏施工的監測點布設在能體現建筑物傾斜變化的關鍵部位，監測點數量需全面反映監測區域變化情況。根據現場實際情況，室內隔墻較多，整棟樓剛性傾斜成分多，遠程監測點布置在屋頂。每棟樓的四個靜力水準儀安裝在屋頂四個角點的剪力墻上，兩個測斜儀安裝在東、西側最外邊緣的剪力墻上，監測該樓的南北向、東西向傾斜變化。沉降觀測點布置在底層。各棟樓的監測點平面布置如圖7所示。

4.2 監測網的設計

共有6棟樓需要監測，場地范圍大，工程復雜程度高。監測網整體覆蓋6棟樓，同時顧及無線信號的傳輸通暢。根據現場實際情況，在每棟樓屋頂設計安裝采集單元網絡分節點，包含數據采集單元和局域無線傳輸單元，用于本棟樓的數據采集和傳輸;在位于場地中心的6#樓屋頂設計安裝采集單元網絡中心節點，包含總線控制單元、數據采集單元、局域無線傳輸單元、遠程無線傳輸單元和短信報警單元，用于本棟樓的數據采集和傳輸，同時接收六棟樓的數據并無線傳輸給信息管理中心的主控計算機。監測網布置示意如圖1所示。

4.3 儀器的安裝與調試

根據監測點和監測網的布置方案，測試儀器安裝在主體結構剪力墻出屋面部分，具體安裝與調試的步驟如下:

(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)將連通管沿各測試點布設好;

圖7 監測點平面布置圖Fig.7 Monitoring points arrangement

(3)將各傳感器固定至相應測試點;

(4)通過連通管將所有傳感器連通;

(5)任取一個靜力水準儀作為輸液口，通過入水孔向主體容器內灌入一定量的液體，待各儀器的液位穩定;

(6)連接好各靜力水準儀和測斜儀的電源線及485總線數據線并保護好;

(7)記錄并保存好各測試點的編號;

(8)連接好相應數據采集單元并校零、保存;

(9)在上述各步檢查、調試無誤后，保護好各儀器和采集單元，即可進行監測。

4.4 監測系統的實施

設備布置調試好后，讀取各測點的監測值，待數據穩定可信后，取三次監測數據的平均值作為初始監測值。在數據采集分析軟件中設置監測頻率，通過計算機自動采集監測數據。監測頻率根據現場施工進度靈活變化，在正常施工階段，頻率設置為白天1 min/次、夜晚1 h/次，在未施工和施工關鍵階段，監測頻率相應的減小和增大。

結合現場情況，還定期采取了常規光學傾斜及水準測量，即用經緯儀測量建筑物可見外棱線的傾斜值，用水準儀測量預先布設的沉降觀測點高程，作為遠程監測系統的比對和參考。在遠程監測系統實施的當天，光學測量的傾斜率作為遠程監測的初始傾斜率，通過每天的遠程監測，實現施工期間的傾斜率動態監測。

由經緯儀得出的傾斜率公式為

式中 θW，θE——由經緯儀測出的西側、東側南

北向傾斜率(‰);

dW，dE——西側、東側外棱線的頂點南北向偏移量(mm);

H——建筑物高度(mm)。由水準儀得出的傾斜率公式為

式中 θW，θE——由水準儀測出的西側、東側南北向傾斜率(‰);

Δh＇i——i號沉降觀測點相對于初始高程的高程變化量(mm);

l＇i－j——i，j號沉降觀測點間的距離(mm)。

5 遠程監測成果及分析

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。在持續監測中，東西向也未發生明顯傾斜變化。因此，本文只對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

根據某一天的連續數據，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，遠程監測系統每天24小時持續監測建前中后期的持續監測，獲得了每天的寶貴數據，比 如對施工中期傾斜率波動幅度的捕捉可掌握當天 的施工效果，指導施工過程。全過程實時監測了建筑物的傾斜率，對于及時了解加固糾偏狀況、控制糾偏速度、調整施工安排具有重要意義。通過施工筑物的傾斜狀態，得到了累計的傾斜率變化過程。

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

5.2 建筑物累積的傾斜率變化分析

根據每天的連續數據，以1天為間隔，按式(7)得出累計傾斜率變化。定期光學傾斜及水準測量按式(8)、式(11)得出累計傾斜率變化。三種方法測出的6棟樓累計傾斜率變化見圖9。

圖9 累計傾斜率變化Fig.9 Variation of acumulated tilt rate

施工單位根據每天的連續數據，及時調整施工參數，采取相應措施，確保施工安全順利進行。以1#樓為例，遠程監測系統指導施工的過程見表4。

表4 遠程監測系統指導1#樓施工過程Table 4 Remote monitoring system guiding 1#building construction ‰

5.3 三種測試方法相互驗證比較

從圖9可以看出，三種方法測出的傾斜率變化趨勢基本一致，光學測量的傾斜率絕對值和遠程監測系統基本吻合，表5列出了三種方法從6月15日至11月24日測出的累計傾斜率變化量，數據差別不大。

表5 累計傾斜率變化量Table 5 Variation of aumulated filt rate ‰

限于測量次數，光學測量不能反映在糾偏施工過程中建筑物每天的傾斜率變化，也不能反映在糾偏施工關鍵時間節點的傾斜率變化。因此，相較于遠程監測系統，光學測量有其局限性。另外，由于光學傾斜測量選取的是建筑物外棱線，含施工和裝修誤差，光學水準測量易受人為影響，因此光學測量還有其主觀性和不精確性。

綜上所述，遠程監測系統的結果是穩定可信的，且具有常規光學測量不能滿足的高精度、自動化、實時化、遠程控制等優勢。

6 結論

(1)遠程監測系統在該高層建筑糾偏工程中的成功應用，不但解決了常規光學測量方法無法滿足的高精度、自動化、實時化、遠程控制等問題，而且最大限度地降低了監測與施工之間的相互影響。

(2)通過遠程監測系統實時采集糾偏建筑物的各項數據信息，及時準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依據。

(3)遠程監測系統的數據和常規光學測量的數據比較，傾斜率變化趨勢基本一致，絕對值基本相等，變幅相近，可認為遠程監測系統的測試是穩定可靠的。

致謝 本文得到上海筑邦測控科技有限公司、上海同華特種土木工程有限公司、山東建筑大學及同濟大學結構試驗中心相關老師和學生的指導與幫助，在此一并致謝!

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