公共建筑運行安全性評估信息數據采集分析研究

引文格式： 張亞雄. 公共建筑運行安全性評估信息數據采集分析研究[J].測繪通報，2015(4)：91-96.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0119

公共建筑運行安全性評估信息數據采集分析研究

張亞雄

(上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032)

Information Data Acquisition Operation Safety Assessment of Public Buildings

ZHANG Yaxiong

摘要：針對大型公共建筑運行健康安全性評估，以上海8萬人體育場為例，利用測量監測方法，通過三維坐標數據采集計算空間物體的線性姿態，并結合相關數據資料分析了建筑物運行過程中的變化情況，從而了解該類建筑物的健康安全狀況，為后期運行使用和決策提供第一手數據資料，確保公共建筑的安全運行，并以期對建筑物健康安全性評估信息系統的建立提供參考。

關鍵詞：健康安全性；監測控制網；懸挑梁和環形梁；監測數據采集分析

中圖分類號：P258

收稿日期：2014-02-11

作者簡介：張亞雄(1965—)，男，工程師，研究方向為工程測量。E-mail：taxinan169@sina.com

一、引言

目前，我國已有部分上世紀末建成的大型公共建筑，其運行已接近20年，使用年限已達到壽命周期的20%～30%，雖然還處在“青壯年”時期，但也歷經了各種環境因素和超負荷運行的考驗。為了了解和掌握多年運行后建筑物的變形情況，以及結構安全狀況，有必要盡早對此類大型公共建筑物建立健康安全性評估信息系統，以便及時掌控其變形發展趨勢，確保結構安全和健康平穩運行，避免安全事故的發生。大型公共建筑物健康安全性監測及評估所涉及的專業項目較多，但多數離不開測量數據的采集和處理，本文以上海8萬人體育場(如圖1所示)為例，就有關測量數據的采集，以及測量數據的分析和處理等方面進行探討，為今后大型公共建筑健康安全評估信息系統的建立提供參考。

圖1　上海8萬人體育場

二、測量監測控制網的建立及測點設置

1. 測量監測控制網的建立

測量監測控制網是測量作業和數據采集的控制基準和依據，其控制點的設置、觀測以及精度將直接影響到后期測量數據的可靠性和準確性，因此，建立完整可靠的測量控制網是建筑物健康安全性評估的測量作業首要工作。測量控制網設置應結合建筑物的結構特點和所需監測的區域部位，以及后期測量作業的需要，如上海8萬人體育場監測控制網的設置如圖2所示。

圖2　體育場監測控制網平面圖

本次所設置的監測控制網為相對獨立控制網，根據現場控制點測量觀測數據情況，對其4項測量精度進行了內業計算和評定，即測角中誤差mβ=±2.24″，測邊中誤差mD=±1.25mm，測邊相對中誤差mD/D=1/105000，高程閉合差W=1.55mm。

根據以上測量精度評定計算值，平面控制精度達到了四等三角測量技術要求，高程精度達到了三等水準測量技術要求，滿足了本次測量技術作業的精度標準，確保了觀測數據的精確度和可靠性。

2. 監測點的設置

根據前期制定的測量方案，本次擬對體育場外環梁和懸挑梁進行三維測量數據采集，并通過相關數據處理分析，以便能較準確地反映鋼結構的整體空間姿態，從而對其安全性進行初步評定。

(1) 監測部位選擇和測點設置

針對體育場屋架結構對稱性的特點，擬對其主要結構控制部分進行監測，在懸挑梁監測部分，主要選擇4個區域，分別在東南西北4個方向。以對稱軸及其兩側各一榀桁架梁所圍成的區域，體育場屋架體系中共有3道環形梁，本次僅對其最內圈的外環形梁進行監測，如圖2所示。

筆者對此4個區域內的部分鋼構件進行了全面監測，對于建筑物安全性監測，其監測點的位置選擇非常重要，下面就體育場鋼結構懸挑桁架梁和環形梁(內環)的具體監測點位布置進行闡述。鋼結構環形梁主要觀測其在懸挑梁最前端、短橫梁中部上表面的中點，點位設置如圖3所示。對于鋼結構懸挑梁監測，主要在其設定的4個區域8榀懸挑桁架上進行監測點設置，懸挑梁監測項目包括豎向擾度和側向彎曲度，點位設置如圖4所示，本次實測的是下懸梁。

圖3　體育場鋼結構屋架內環形桁架梁監測點位置分布圖

體育場鋼結構屋架內環形桁架梁監測點位于下懸挑梁兩根鋼管端部連接桿上頂表面中點(如圖3所示)。體育場鋼結構屋架懸挑梁起拱度監測點位于鋼管頂表面，懸挑梁側向彎曲監測點位于鋼管側表面，編號由外向內設置(如圖4所示)。所有監測點位置確定后，在其現場進行點位標注標示，環形梁監測點共布設32組(點)，懸挑梁共在8條軸線累計布設152點，本次體育場共設置184個監測點，采集數據552組。

圖4　體育場下懸梁上表面及側面監測點位置示意圖

(2) 監測項目統計和內容

該體育場所需監測項目較多，本文主要針對其環形桁架梁和懸挑梁進行姿態監測，具體項目情況見表1。

表1　體育場主要監測項目及部位

根據前期監測方案的要求，本次監測的主要內容包括懸挑梁的起拱(或下擾)度、側向彎曲度，以及環形梁對稱性變化等。

三、監測點測量數據觀測和計算

該體育場鋼結構屋架體系監測數據主要依據本文設立的“獨立監測控制網”，以及相關設計圖紙，對各項目的監測點進行三維坐標數據采集、匯整和相關計算，并整理成監測數據成果(本文平面坐標數據均為相對值)。

1. 懸挑梁觀測數據及成果

本文懸挑梁共計監測8條軸線，計152點，采集三維坐標數據456組，見表2(由于數據量較多，僅提供95軸部分數據)。

表2　鋼結構懸挑梁監測數據測量成果(95軸)

表2僅以本次監測的95軸懸挑梁的起拱度和側向彎曲所采集的測量數據為例，其余軸線上的懸挑梁測量成果省略。懸挑梁測量觀測平面坐標為相對數據，標高為絕對數據，起拱度測點位于鋼管頂表面，側向彎曲測點位于鋼管側表面，編號均由外向內設置。

2. 環形梁觀測數據及成果

該體育場環形梁共有4道(如圖2所示)，其內圈和外圈為全封閉式環形桁架梁，中間兩道梁未封閉或僅有局部梁，本文主要針對內圈環形桁架梁進行監測分析，在內環梁共布設32個監測點，采集三維坐標數據32組，見表3。

表3　鋼結構環形梁監測數據測量成果(內環)

續表3

環形梁平面坐標為相對數據，標高為絕對數據，測點位于下懸挑梁兩根鋼管端部連接桿上頂表面中點(如圖3所示)。

四、監測數據的處理和分析

根據該體育場鋼結構屋架的建筑特點，以及前期制定的相關監測評估方案，本文主要對該建筑物的部分結構控制性項目進行了健康安全性評估。根據本建筑呈現的對稱性特點，僅在對稱軸線上的主要懸挑梁和內環形桁架梁等特征性結構部位上進行了監測數據觀測計算，并以此來進行分析評估。

由于監測之前該建筑物未建立健康安全性評估信息系統，因此本次評估僅以原設計圖紙和建筑物自身對稱性特征等為依據進行分析評估。

1. 懸挑梁監測數據處理和分析

共對兩組對稱軸上的4條軸線8根懸挑圓管梁進行了信息數據采集，由于篇幅所限，文中僅以95軸上的一根下懸挑梁起拱度為例(如圖5、圖6所示)，進行相關監測數據的處理和分析研究(側向彎曲本文不作探討)。

圖5　32#懸挑梁(95軸)圓管頂表面標高偏差數據圖

圖6　32#懸挑梁(95軸)圓管姿態示意圖

在95軸鋼圓管懸挑梁上表面共設置14個監測點(如圖6所示)，現場實測采集三維坐標數據14組(見表2)。在梁撓度的處理上，以該梁兩端根部為基準連線，計算各監測點距離基準線的偏差值，并以此來判斷鋼梁撓度(上撓或下撓)，從各測點的計算數據來看(見表4)，偏差值為2.9～67.5mm，最大值67.5mm基本位于梁中部，且各監測點的偏差值均為正值，位于基線的上面，以此判斷該鋼梁存在上撓姿態，實測該梁傾斜角i=11°25′52″，此兩項均與設計要求基本吻合。其余軸線上的懸挑梁數據計算分析略。

表4　體育場鋼結構懸挑梁撓度偏差計算值(95軸)

注：以該梁兩端根部為基準連線，“+”偏差值表示位于基線上部(上撓)，“-”偏差值表示位于基線下部(下撓)

2. 環形桁架梁監測數據處理和分析

該體育場鋼結構屋面設計理念是以東西向中心軸線為對稱的軸對稱結構，本文僅對內環梁進行整體監測，共測得內環形梁上的數據32組，包括平面坐標數據和絕對高程數據值(見表3)。

首先，計算出南、北側兩對稱區域的相對測點的空間平面投影長度，并將對稱部位的長度進行比對，計算出其偏差數據值，具體偏差數據見表5。從長度偏差計算值(見表6)來看，南側區域的空間連線投影長度比北側區域的長，偏差范圍為18.2～48.0mm不等，由此反映出南側區域鋼結構屋面開口有增大的趨勢，或者說明由于其他結構的沉降變形造成了其增大。

表5　內環梁平面對稱測點投影長度偏差表　mm

接下來將內環梁從對稱軸處展開，如圖7所示，計算測點軸線長度和絕對標高，并計算其相對應的對稱部位的兩項偏差數據，具體數據見表6、表7。從表中計算結果來看，對稱軸線長度(相鄰)偏差無一定的規律，可能是施工安裝過程中積累的偏差。而從對稱測點絕對標高偏差計算數據來看(見表7)，北側區域整體上較南側區域偏高，由此反映出南側區域整體鋼結構屋面呈較小的下落的形態，這一點與南側區域鋼結構屋面開口有增大的趨勢相吻合。

表6　內環梁軸線對稱測點平面長度偏差表　mm

表7　內環梁軸線對稱測點絕對標高偏差表　mm

續表7　mm

五、結束語

本文對現場采集的測量數據和計算結果進行了初步分析。由于無前期可對比的監測資料，本次相關計算結果分析主要與設計圖紙要求為參照，并對其空間姿態現狀進行描述。該體育場正常運行已超過15年，從整體空間形態上來看，即使所測得的數據和計算結果都是由于前期的沉降變形所造成的，其變形量和變化速率均較小。僅從測量結果上來看，該體育場屋面鋼結構現行整體姿態相對穩定。若要對其相對穩定性進行較為全面的整體性評定，最好進行周期性監測，并結合其他專業(如結構專業、焊接專業等)一起進行監測分析評估。

據此，筆者建議對類似大型公共建筑物的健康安全性的問題，有必要建立一套長期有效的監測分析信息系統，以便及時了解掌握建筑物安全運行狀況，確保其健康平穩地運行。

圖7　體育場內環梁線性展開對稱測點高程數據對比圖

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