自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在歷史建筑改造工程中的應(yīng)用

周向陽(yáng) 況中華 沈志勇

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 201114

隨著社會(huì)的進(jìn)步，城市發(fā)展開始進(jìn)入新模式，有不少老舊建筑漸漸跟不上時(shí)代發(fā)展的潮流而將面臨淘汰。然而一些具有重要?dú)v史意義的建筑仍需我們悉心呵護(hù)，因此歷史建筑的保護(hù)與再利用在城市發(fā)展歷程中具有重要意義。

為了保證歷史建筑在修繕改造工程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全，對(duì)影響結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的因素進(jìn)行全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要[1-5]。本文以某大學(xué)歷史保護(hù)建筑加固改造修繕工程為例，對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 工程背景

背景工程位于某大學(xué)校園內(nèi)中西部，該樓建造于1922年，后經(jīng)過(guò)1947年、1963年、1984年3次修繕改造。現(xiàn)對(duì)此樓將再一次進(jìn)行修繕改造。

修繕改造項(xiàng)目分2個(gè)部分，即原歷史保護(hù)建筑南堂修繕加固保護(hù)項(xiàng)目及北堂新建項(xiàng)目（圖1）。南堂主體為木屋架、混凝土框排架組成的混合結(jié)構(gòu)體系，其中結(jié)構(gòu)柱、結(jié)構(gòu)梁、樓板均為鋼筋混凝土，1層結(jié)構(gòu)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，2層結(jié)構(gòu)接近混凝土排架結(jié)構(gòu)，修繕后整個(gè)建筑面積為1 777 m2。

新建北堂基坑緊鄰優(yōu)秀歷史建筑南堂北側(cè)，基坑南側(cè)過(guò)于靠近南堂（僅距4.5 m），新建的北堂三軸攪拌樁施工時(shí)外邊線幾乎緊貼南堂北立面室外樓梯。南堂基礎(chǔ)和地面受北堂基坑開挖時(shí)大型機(jī)械設(shè)備、車輛、材料堆放帶來(lái)的荷載影響較大，抵抗基礎(chǔ)沉降、結(jié)構(gòu)變形程度有限。因此，對(duì)南堂進(jìn)行全方位、全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控很有必要。

圖1 項(xiàng)目改造完成效果圖

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)原理及特征

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)采集模塊、存儲(chǔ)模塊、遠(yuǎn)程傳輸模塊（DTU）以及遠(yuǎn)程監(jiān)控顯示平臺(tái)組合而成。

其工作原理為：系統(tǒng)前端為多種類型的傳感器及其采集存儲(chǔ)模塊，數(shù)據(jù)以有線的方式傳遞到DTU，通過(guò)DTU超遠(yuǎn)距離傳輸功能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器，通過(guò)軟件程序監(jiān)聽串口，在云服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析入庫(kù)等操作，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)至Revit模型，經(jīng)輕量化處理后發(fā)布至Web頁(yè)面（圖2）。

與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段實(shí)時(shí)性差、監(jiān)測(cè)頻率低、監(jiān)測(cè)工作量大、精度差以及人工成本高相比，該系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集速度快、頻率高、精度高以及節(jié)省人力成本的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠全天不間斷實(shí)時(shí)采集，確保數(shù)據(jù)的完整性、連續(xù)性，能夠及時(shí)顯示結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)，滿足各方對(duì)數(shù)據(jù)關(guān)注的需求。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)施

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

南堂為歷史保護(hù)建筑，墻體及屋架的安全和穩(wěn)定是修繕加固施工過(guò)程中首先要解決的問(wèn)題，而對(duì)墻體及屋架進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是確保安全的一個(gè)有效手段。

此工程施工內(nèi)容涉及局部拆除、基礎(chǔ)加固、結(jié)構(gòu)加固、水電風(fēng)安裝、室外室內(nèi)保護(hù)性修繕復(fù)原。通過(guò)對(duì)改造影響較大的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，了解結(jié)構(gòu)構(gòu)件因荷載增加而發(fā)生的變形情況[3]，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)將結(jié)構(gòu)的狀態(tài)反映給施工管理人員，確保整個(gè)施工過(guò)程安全可控。

3.1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)建立

南堂木構(gòu)架的損壞主要包括木柱糟朽，柱身劈裂、折斷，檁條彎垂、腐朽，木屋架斷裂、傾斜以及早期加固不到位等情況。年久失修、木材材質(zhì)劣化、結(jié)構(gòu)性能持續(xù)惡化，使得結(jié)構(gòu)對(duì)外界環(huán)境影響、人為擾動(dòng)和施工荷載均比較敏感，故需要建立科學(xué)有效的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)全方位、全天候?qū)崟r(shí)修繕施工的精確控制。

3.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

監(jiān)測(cè)內(nèi)容根據(jù)結(jié)構(gòu)自身性質(zhì)、地基情況以及施工工況決定。利用專用儀器設(shè)備，采用特定方法，對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)、分析和預(yù)測(cè)。通過(guò)科學(xué)的監(jiān)測(cè)，可以確定結(jié)構(gòu)在各種荷載和外力作用下的受力反應(yīng)，為結(jié)構(gòu)修繕施工安全控制提供必要的信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)措施。

本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包含以下3個(gè)方面：

1）外立面墻體結(jié)構(gòu)以及屋架結(jié)構(gòu)的傾斜變形：外立面墻體結(jié)構(gòu)及屋架結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中因北堂基坑開挖和南堂內(nèi)部結(jié)構(gòu)修繕導(dǎo)致的平面外傾覆引起的豎向位移。

2）外立面墻體與屋架結(jié)構(gòu)的位移變形：施工過(guò)程中，監(jiān)測(cè)墻體內(nèi)側(cè)與屋架橫梁之間的相對(duì)位移變化。

3）外立面基礎(chǔ)沉降變形：外地面基礎(chǔ)因北堂基坑開挖和南堂內(nèi)部結(jié)構(gòu)修繕?biāo)鸬某两底冃巍?/p>

3.3 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為保護(hù)墻體及屋架在施工過(guò)程中的安全，通過(guò)監(jiān)測(cè)外墻及屋架的傾覆變形、外墻與屋架橫梁之間的相對(duì)位移以及基礎(chǔ)的不均勻沉降，來(lái)判定墻體及屋架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證施工安全進(jìn)行。

3.3.1 傾斜測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)墻體及屋架結(jié)構(gòu)傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用精密傾角儀進(jìn)行測(cè)量，在靠近北堂基坑側(cè)內(nèi)墻上部及屋架頂部按三軸位置布置傾角儀。三軸共計(jì)部署6套傾角儀，對(duì)應(yīng)編號(hào)為QX1～QX6（圖3）。

圖3 傾斜測(cè)點(diǎn)布置示意

3.3.2 位移測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)墻體與屋架橫梁之間相對(duì)位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用精密位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量，在南北兩側(cè)外墻內(nèi)側(cè)上部與橫梁之間按三軸位置相對(duì)布置位移計(jì)。三軸共計(jì)部署6套位移計(jì)，對(duì)應(yīng)編號(hào)為WY1～WY6（圖4）。

圖4 位移測(cè)點(diǎn)布置示意

3.3.3 沉降測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)基礎(chǔ)不均勻沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，在建筑四周角落及三軸北堂基坑側(cè)位置處布置靜力水準(zhǔn)儀。共計(jì)部署7套靜力水準(zhǔn)儀，各套之間通過(guò)水管進(jìn)行連接，對(duì)應(yīng)編號(hào)為CJ1～CJ7（圖5）。

圖5 位移測(cè)點(diǎn)布置示意

3.4 監(jiān)測(cè)設(shè)備

設(shè)備選型需具備滿足監(jiān)測(cè)需求、可靠耐用性以及可操作性等功能。

1）監(jiān)測(cè)需求：設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)該滿足監(jiān)測(cè)所需。儀器的測(cè)量范圍應(yīng)該可以覆蓋參數(shù)的變化范圍，并留有部分余量；儀器的精度及分辨率要足夠高，使得監(jiān)測(cè)對(duì)象的測(cè)量值足夠精確并有足夠高的信噪比。

2）可靠耐用性：設(shè)備應(yīng)具備很好的穩(wěn)定性和可靠性。由于該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，在整個(gè)期間儀器要保持良好的工作性能。

3）可操作性：該系統(tǒng)要求儀器設(shè)備安裝方便，使施工過(guò)程中損壞的設(shè)備易于更換。

最終選定的監(jiān)測(cè)設(shè)備的具體信息如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)設(shè)備類型匯總

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

選取監(jiān)測(cè)期間8—10月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖6～圖8）。

圖6 位移變形數(shù)據(jù)趨勢(shì)

圖7 沉降變形數(shù)據(jù)趨勢(shì)

圖8 傾斜率數(shù)據(jù)趨勢(shì)

由數(shù)據(jù)趨勢(shì)可知，在南堂修繕工程中，位移變形、不均勻沉降、傾斜變形受內(nèi)部修繕及北堂基坑開挖影響均較小，整體趨勢(shì)變化均較小。位移變形受影響最大的點(diǎn)為WY3點(diǎn)，最大位移變形為3.5 mm；不均勻沉降受影響最大的點(diǎn)為CJ7點(diǎn)，最大相對(duì)變形為6 mm（以CJ6為參照不動(dòng)點(diǎn)）；墻體及屋架傾斜變形受影響最大的點(diǎn)為QX1點(diǎn)，最大傾斜率為－0.07%。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的全天不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低了人工成本及消除了人為誤差，大大提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有高度自動(dòng)化以及網(wǎng)絡(luò)化功能，把各種類型的高精度精密傳感器通過(guò)通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，使現(xiàn)場(chǎng)人員能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)查看結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)，為施工安全提供有效保證。

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)結(jié)果反映出南堂在修繕過(guò)程中結(jié)構(gòu)受施工影響的變化趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)位移、傾斜及沉降的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，及時(shí)掌握了建筑結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，為后續(xù)施工提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，保證了施工的穩(wěn)定安全。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在工程施工中具有重大的意義，是新時(shí)代工程發(fā)展的必然趨勢(shì)。