GPS定位技術在某大型建筑物變形監測中的應用

姜宇杰

（上海嘉房房地產測繪有限公司 201800）

引言

改革開放以來，隨著我國經濟的飛速發展，人們的生產和生活所占據的空間越來越大，各種建筑物的高度和層數不斷增加，其穩定性和可靠性已成為人們關注的焦點，因此高效、高精度、實時地監測大型建筑物變形的規律是一項重中之重的工作。此外，GPS定位技術還具有速度快、自動化程度高、全天候、受外界環境影響小等特點，相較于傳統的常規測量技術，GPS定位技術大大提高了大型或超大型建筑物變形監測的效率和質量。本文詳細闡述了目前國內GPS定位技術在大型建筑物變形監測中的應用及研究現狀，依據上海市某商業中心高層建筑物的變形監測項目，利用GPS定位技術進行高層建筑物沉降和水平位移監測，監測結果表明一個觀測周期內GPS觀測的精度小于《建筑變形測量規范》規定的±3.0mm的極限誤差要求，論證了GPS定位技術應用于大型建筑物變形監測的可行性和可靠性。

1 GPS定位技術概述及其特點

GPS的全稱是全球定位系統（Global Positioning System，GPS），是一個擁有全方位、實時、高精度三維導航和定位功能的衛星導航與定位系統。GPS定位技術以其全天候、效率高、對外界環境要求低、測站之間無需通視、自動化程度高等優勢在各行各業得到了用戶的廣泛認可和應用，尤其大型建筑物變形監測中，規避了傳統常規測量技術中測站必須要求通視、多次支站造成誤差累計、測量精度受環境影響大等困難，GPS定位技術展示出了其不可比擬的優勢。

GPS系統具有全球覆蓋連續導航定位、高精度三維定位、實時導航定位、被動式全天候導航定位、抗干擾性能好、保密性強等特點[1]。與傳統常規的水平、沉降位移變形監測觀測方法相比，GPS定位技術更適合應用于大型建筑物的變形監測工作，本文通過對比分析這兩種不同監測技術的技術手段、監測連續性與自動化、環境影響因素、成本與效率等因素進行對比，結果見表1從表中可以看出，傳統常規的變形監測技術無論是在理論層面還是在技術層面都已非常成熟，但由于其工作量大、監測周期長、不能實現實時動態監測、作業成本高、效率低等特點，使得其發展的空間和市場將會越來越小。GPS定位技術借助于其可實時、動態、連續高精度觀測的優勢正在逐步替代部分傳統的變形監測技術，且隨著科學技術的不斷進步，其前期投入成本高、部分地區信號差、精度低等缺點也將會被逐一克服，從而將大大提高變形監測的效率、精度和應用范圍。

2 GPS定位技術在建筑物變形監測中的應用進展

以往建筑物水平和垂直位移的監測通常采用三角測量或交會方法、水準測量等傳統的測量方法[2]。由于這些傳統的測量手段受外界環境影響較大，且大多施工場地環境復雜，施工過程中各種儀器設備極易影響點位之間的通視性，這些因素進一步加劇了常規變形監測工作的難度和時效性，難以實現大型建筑物水平或沉降位移的實時監測，并給建筑物的安全施工帶來一定的安全隱患。而GPS定位技術的實現，可以較好地解決這一問題，且其定位精度也在逐漸提高，比如沉降位移監測可以獲得不大于±10mm的精度，水平位移觀測更是能達到小于±2mm的精度。目前有些項目借助于GPS定位技術實現精確、實時地監測大型建筑物的水平方向和豎直方向的位移量，并建立具有數據實時采集、處理分析、存儲管理、預報等功能的建筑物變形監測系統，實現建筑物水平、垂直位移變形數據的自動采集、處理分析和預測報警，并根據預設的變形閥值發出警報，從而實現大型建筑物動態變化的自動監測與預警。

20世紀90年代以來，GPS空間定位技術取得了長足的進步，并在越來越多領域中得到了廣泛的應用，其中在小范圍內的建筑物變形監測或者大范圍的區域變形監測，GPS定位技術逐漸展現出來了其強有力的形變監控能力。例如美國Southern California的一個大壩（Pacoima Dam）的連續自動變形監測，意大利Ancona地區的滑坡動態變形監測，新加坡地區公共購物中心大樓的GPS動態變形監測等。我國武漢大學與清江水電開發公司共同研發的清江隔河巖大壩外觀變形GPS自動監測系統在1998年夏季長江流域特大洪水期間發揮出了巨大的作用，為我國基礎設施和當地居民規避了大量的經濟損失。冒愛泉等[3]應用GPS定位技術對約旦18號海堤施工工程進行水平位移監測，同時應用數字水準測量進行海堤工程施工中的沉降監測，通過GPS高程擬合試驗的模型選擇與固定點方案的確定、和試驗結果統計分析、高程擬合的誤差分析等工作，結果表明將GPS與數字水準測量技術相結合應用于變形監測，可以取得較高的精度，完全滿足海堤變形監測的要求，并且能提高效率30～50%。伊曉東[4]利用GPS技術監測某超高層建筑物在強風下的變形試驗，通過對計算的數據進行分析，結果表明GPS定位技術應用于超高層建筑物變形監測的有效性，且具有較高的精度。

應用GPS定位技術進行建筑物變形監測時，由于該類工程對精度的要求很高（通常是毫米級或者亞毫米級），需要精確地測定大型建筑物在水平方向和垂直方向的動態偏移量。以滿足項目設計要求，而合適、合理的觀測步驟和方法是提高GPS觀測精度的前提，本文依托于上海市某商業購物中心大型建筑物變形觀測項目，詳細闡述在本項目運行過程中利用GPS定位技術實現建筑物水平方向和垂直方向位移量的高精度、動態實時監測的方法及結果。

3 GPS定位技術在上海某大型建筑變形監測中的應用實例

項目區位于上海市嘉定區安亭新鎮，該大型建筑物為100m高的居民住宅樓，其在自身重力及風力等外力的作用下，極易發生建筑物水平方向偏移、傾斜、沉降、裂縫等，嚴重影響到建筑物的安全使用和使用壽命。因此在房屋主體結構建造過程中，不僅需要精確的測定承重結構安裝位置及安裝垂直度，也需要在安裝過程中對建筑物進行變形監測，實時測定其頂端位移及垂直度，為建筑物的順利施工、竣工、運營提供安全保障。

首先，筆者在公司頂層平臺上利用徠卡GX1230型GPS接收機進行了建筑物變形監測的系統測試，數據處理軟件采用LEICA Geo Office－Combiner軟件。在位于建筑物樓頂的控制點上安裝一臺GPS接收機，并且保證在項目運行過程中GPS接收機固定不動。此外，將GPS接收機的天線安置在樓頂一個可以在東西和南北兩個方向移動的平臺上，平臺上帶有測微器，可以精確測定天線的位移量，精度可達到0.1mm，由此可認為天線的移動量為已知量。試驗分每隔5h、2h、1h三個小組分別測定GPS定位的結果，各小組分別進行10次，利用軟件進行后期處理后分別計算三個小組GPS測量天線偏移量，結果見下表2。從表中可以看出，利用5個小時、2個小時、1個小時進行觀測求出的監測點平移量中誤差分別達到±0.4mm、±0.6mm、±1.0mm。依據《建筑變形測量規范》規定二級地基基礎變形監測觀測點坐標中誤差小于±3.0mm，由此可認為在GPS數據采集時間大于1小時的情況下，GPS定位技術是可以滿足《建筑變形測量規范》要求的。

表2 基于GPS定位技術進行建筑物變形監測的系統測試

在該試驗中，采用五臺GPS接收機同時進行觀測，首先在施工區域外布設一個首級控制點，建筑物墻體外側各焊接四個變形監測點，主要選擇建筑物重要節點或者易發生變形的位置，變形監測點的選取原則主要有四種：①盡量遠離易產生多路徑效應的地物（如大型水域、樹林、帶玻璃幕墻的建筑物）；②盡量選擇開闊地帶，保證視角有10°以上，避開施工干擾區域等易產生振動的地帶；③盡量避開微波站、高壓線等電磁干擾區域；④變形監測點則選擇在能敏感反映建筑物變形的重要拐點處，大多布設在建筑物四角處。此外，在建筑物封頂之前完成GPS系統設置及自動監測軟件的調試工作，在建筑物施工完成后，立即打開GPS接收機，對建筑物在日照、風力及起重機等外力作用的形變及位移進行觀測。為保險起見，本項目在用GPS觀測的同時，也采用全站儀同步觀測，并將兩種方法觀測的結果進行對比，發現在一個觀測周期內GPS觀測的精度與全站儀觀測精度差值均在1.0mm范圍之內，其變形量小于《建筑變形測量規范》規定的±3.0mm的極限誤差要求。由此可認為利用GPS定位技術進行建筑物變形監測是可行的，本項目的順利進行為以后同類建筑物的變形監測方案設計提供了一定的參考和借鑒基礎。

4 結束語

由于傳統常規的建筑物變形監測方法往往受外界環境影響較大，且大型建筑物施工現場環境復雜，監測點之間通視環境不好，進一步加劇了變形監測工作的難度和工作量。隨著GPS定位技術的快速發展，其在大型建筑物變形監測中的應用逐漸得到了從業者的認可，其精度也逐漸接近傳統的常規測量手段，甚至在某些領域要遠遠超過常規測量技術，且GPS定位技術具有全天候、實時、動態、高精度、自動化程度高、不受通視條件影響等優勢，逐漸在建筑物變形監測領域取得了巨大的進步，其精度也已逐漸滿足相應的測量標準要求，本文通過對不同的GPS觀測方式與常規測量手段的精度進行對比，通過與全站儀監測結果進行對比，監測結果表明一個觀測周期內GPS觀測的精度與全站儀觀測精度相當，均小于《建筑變形測量規范》規定的±3.0mm的極限誤差要求。該結果表明GPS技術可以在一定程度上代替全站儀進行建筑物變形監測工作，為以后在同類建筑物變形監測的方案設計上提供了新的方法和思路。本文通過實踐證明，GPS定位技術在大型建筑物變形監測中是一種值得采用、可快速提高監測效率的有效手段，相信隨著我國北斗衛星導航系統的進一步完善和發展，我國的導航定位技術將會得到更加廣泛和深入的應用。

[1]丁銳.GPS技術在建筑物變形監測中的應用研究[D].天津大學，2008.

[2]齊海龍.高層建筑物沉降觀測技術應用[D].中國地質大學（北京），2013.

[3]冒愛泉.海堤工程施工監測技術與應用[D].河海大學，2007.

[4]伊曉東.GPS用于強風引起的超高層建筑物位移測量研究[J].測繪通報，2009（3）：8～11.