高層建筑傾斜檢測方法的思考

陳立樟

(福建省建筑科學研究院， 福建 福州 350025)

0 前言

在傳統(tǒng)的建筑施工過程中，為了能夠?qū)Ω邔咏ㄖ膬A斜情況進行檢測，一般采用免棱鏡全站儀的方法，隨后又出現(xiàn)了坐標觀測傾斜拐角線的方法。前者雖然擁有悠久的使用歷史和成熟的檢測方法，但是對建筑拐角點的判斷存在誤差，后者在其基礎(chǔ)上利用拐角線實現(xiàn)坐標測量，但是計算過程十分復(fù)雜，不適宜大面積推廣。本文在對兩種方法進行綜合后，提出了利用系統(tǒng)平臺建設(shè)的方式實現(xiàn)傾斜檢測。

1 傾斜檢測系統(tǒng)框架設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計背景

隨著產(chǎn)業(yè)革命和人口數(shù)量不斷的增長，在現(xiàn)有的城區(qū)中通過建筑的方式獲得更大的使用面積是現(xiàn)代建筑工作的重要工作內(nèi)容。基于這一要求，高層建筑開始涌現(xiàn)出來。在以往對于建筑等級進行評定的研究中，一般遵循1972年國際高層會議對高層建筑的定義，認為 25-40層的建筑即為高層建筑，超過這一標準即為中高層建筑或超高層建筑。隨著建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這一標準被逐漸取締，1995年我國出臺的《高層民用建筑防火規(guī)范》（GBJ45-82）[1]中，認為 250m高度以上的建筑才被認為是高層建筑，這部分建筑在結(jié)構(gòu)上和施工工藝上與低層建筑有著較為明顯的差異，主要目的在于解決高層建筑所受到的自然條件和地質(zhì)條件的影響。

1.2 系統(tǒng)任務(wù)

但不可否認，高層建筑在建筑穩(wěn)定性方面相較于低層建筑而言仍然較差，在一旦發(fā)生傾斜就會影響建筑物的使用壽命，甚至會釀成工程事故。為了解決這一問題，建筑業(yè)科研人員提出了高層建筑的傾斜檢測。本文所進行的系統(tǒng)平臺建設(shè)正是基于這一目的而開展的，系統(tǒng)整體性能需要滿足建筑物實時狀態(tài)的精確判斷、建筑物與傾斜度設(shè)定值的對比、建筑物出現(xiàn)傾斜超標時發(fā)出預(yù)警。

1.3 上下機位系統(tǒng)組成

系統(tǒng)選用了單片機技術(shù)，通過上下機位的分離方式完成對高層建筑的傾斜信息監(jiān)測。其中，下機位作為信息采集端，需要通過相應(yīng)的設(shè)備對高層建筑所處的環(huán)境中的溫度、濕度、風速、風向進行監(jiān)測，由單片機對所獲得的數(shù)據(jù)進行分析和計算，將計算結(jié)果顯示在液晶顯示屏幕上，并利用接口電路將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)缴蠙C位。上機位為建筑部門的監(jiān)控中心，負責高層建筑傾斜度標準預(yù)設(shè)值的設(shè)定和對建筑傾斜存在問題進行研究處理。在預(yù)先設(shè)定的傾斜度標準值中，下機位單片機一旦發(fā)現(xiàn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)超過標準值，就會自動生成預(yù)警信號，向上機位傳遞警告信息，請求上機位的處理。

2 傾斜檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件功能

通過系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計可以看出，系統(tǒng)硬件的設(shè)計需要具備幾個方面的功能。首先，為了能夠?qū)崿F(xiàn)高層建筑的信息采集，硬件系統(tǒng)需要具備自然信息、建筑信息等數(shù)據(jù)采集功能，通過不同應(yīng)用環(huán)境傳感器設(shè)備的搭建，使系統(tǒng)能夠完成前端的信息采集，提供具有時效性的建筑數(shù)據(jù)。其次，進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)分析，需要擁有合適算法的處理器，通過處理器的運算使建筑數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整合分析，從而得出建筑存在的傾斜情況數(shù)據(jù)，并完成與預(yù)先設(shè)定的標準值的對比，了解建筑的實時狀態(tài)。第三，系統(tǒng)需要完成數(shù)據(jù)結(jié)論的顯示，顯示內(nèi)容應(yīng)當包括實時的溫度、濕度、建筑縱橫向角度、達到設(shè)定數(shù)值的次數(shù)、風向、風速等信息，幫助管理人員進行判斷[2]。最后，還需要借助報警裝置來完成報警信息的傳遞。

2.2 硬件選型

信息采集端，系統(tǒng)主要需要完成的信息采集內(nèi)容包括自然環(huán)境中的溫度、濕度和風向風速等。其中，溫度和濕度的檢測可以分別選用溫度傳感器和濕度傳感器。本文在進行系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計時選用了DS型號傳感器，在該型號傳感器中，數(shù)字溫度計利用單線接口實現(xiàn)多點分布式的檢測。風向、風速的檢測則可以利用氣象大風車完成。在大風車中，可以裝設(shè)入霍爾元件、光柵感應(yīng)器等設(shè)備，使之能夠完成縱向值和橫向值的A/D轉(zhuǎn)換，分析得出風向指示。

此外，信息采集還需要對建筑的實時傾角情況進行檢測，本文選用了 WQ型號高精度傾角傳感器，通過過橫向和縱向的布置，使組件和重力擺結(jié)構(gòu)能夠提升精度，獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

單片機作為微控制器和處理器，需要完成對采集數(shù)據(jù)的分析和描述。本文選用了16位高性能指令單片機HT46，在該單片機中，A/D轉(zhuǎn)換模塊能夠同時完成40個雙向輸入/輸出信號的轉(zhuǎn)換；還加入了數(shù)據(jù)分析裝置。該裝置能夠?qū)⑸蠙C位的存儲信息進行調(diào)用，并與下機位采集數(shù)據(jù)相結(jié)合，完成針對高層建筑的晃動曲線、受力曲線的繪制，從而對高層建筑的角度變化情況和變化規(guī)律進行分析。

3 傾斜檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)流程

上機位控制系統(tǒng)軟件設(shè)計時選用了C語言作為軟件設(shè)計語言，在系統(tǒng)當中，操作管理人員，通過界面操作開始指令下機位進行當前信息監(jiān)測，在完成監(jiān)測后，對數(shù)據(jù)進行整理，完成判斷，并分析建筑當前傾斜角度是否超出了預(yù)先設(shè)定的標準值，如果超出標準值，則上機位報警蜂鳴器發(fā)出蜂鳴警報，提醒管理人員及時處理；未超過標準值，則在顯示器當中，顯示當前分析數(shù)據(jù)，并形成分析報告，存儲入歷史檔案當中，方便管理人員隨時調(diào)取。

3.2 功能模塊

為了方便管理人員對系統(tǒng)進行操作和使用，本文在系統(tǒng)設(shè)計的過程中選擇使用了功能模塊化設(shè)計，通過不同的模塊來完成不同的功能。在高層建筑檢測系統(tǒng)內(nèi)部，系統(tǒng)共設(shè)計了四個功能模塊，分別為信息搜集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、顯示模塊和查詢模塊。管理人員登錄到系統(tǒng)后，系統(tǒng)會在界面顯示模塊內(nèi)容[3]。管理人員根據(jù)操作需求點擊模塊按鈕選擇相應(yīng)的功能，模塊開始運作。其中，信息搜集模塊主要完成對下機位的指令發(fā)布，使傳感器開始實時的信息采集。當采集完成后，系統(tǒng)會出現(xiàn)提示，管理人員點擊數(shù)據(jù)分析模塊按鈕，單片機即開始進行數(shù)據(jù)分析，并通過顯示模塊將分析結(jié)果和高層建筑傾斜趨勢進行展示。管理人員可以在查詢模塊當中對以往的分析數(shù)據(jù)進行調(diào)閱，并對數(shù)據(jù)進行打印。

4 傾斜檢測系統(tǒng)功能實現(xiàn)

某高層建筑共計55層，樓高260m，管理人員利用檢測系統(tǒng)對該建筑的傾斜角度進行為期 6個月的檢測。根據(jù)所處地基情況和所在地的自然條件，管理人員預(yù)設(shè)了傾斜標準值為 35mm，總傾斜率上限 2.0%。在監(jiān)測周期內(nèi)，利用系統(tǒng)分析得到了各個月份的傾斜數(shù)據(jù)和傾斜變化規(guī)律，總結(jié)出這 6個月內(nèi)建筑總傾斜量穩(wěn)定在27-31mm區(qū)間內(nèi)，總傾斜率未超過1.3%。在受到夏季季風影響下，傾斜度稍有上升，但仍維持在標準值以內(nèi)。

5 結(jié)論

與以往的高層建筑傾斜檢測方法不同，傾斜檢測系統(tǒng)的搭建和功能的實現(xiàn)，依靠高精度的傳感器完成信息采集，并利用微控制器進行數(shù)據(jù)分析，相較于以往傾斜檢測方法中的外業(yè)人工數(shù)據(jù)采集而言，有更高的精度和趨勢判斷能力，能夠幫助管理人員作出準確判斷。

[1]賈俊偉,龔?fù)? 基于單片機技術(shù)的超高層建筑傾斜監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 吉林建筑工程學院學報,2013,30(01):51-54.

[2]李俊寶. 淺談高層建筑變形監(jiān)測[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014,(27):249.

[3]桂維振,辛星,李亞靜. 測量機器人在高層建筑物傾斜穩(wěn)定性檢測中的應(yīng)用研究[J]. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報,2013,12(04):8-10.