超高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測控制點(diǎn)的選擇

梁強(qiáng)武 周澤宇

1. 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 510006；2. 深圳市華陽國際工程設(shè)計(jì)股份有限公司廣州分公司 廣東 廣州 510080

當(dāng)前，世界各國城市相繼興建了大量的超高層與高聳結(jié)構(gòu)。而200 m以上的超高層建筑，由于地球運(yùn)動(dòng)作用，我們不能再視其是靜止的；同時(shí)加上外力作用，超高層建筑也一定是動(dòng)態(tài)的。對于超高層建筑，當(dāng)水平變形超過電梯的容差，可能導(dǎo)致電梯無法安裝或無法正常運(yùn)行。同時(shí)，上部樓層的水平變形使質(zhì)心偏離塔樓的剛心產(chǎn)生附加彎矩，對超高層建筑的P－Δ效應(yīng)有放大的作用，對塔樓的整體穩(wěn)定有不利影響[1]。

為保證這種超高層復(fù)雜建筑的安全使用，就必須進(jìn)行長期的精密變形監(jiān)測，以確保其變形形態(tài)在允許范圍內(nèi)。而在建筑施工過程中，進(jìn)行精密的變形監(jiān)測，更可以及時(shí)了解塔樓在施工條件下的變形情況，供施工單位決策是否需要調(diào)整、怎么調(diào)整提供技術(shù)支持[2-4]。

對于用地面控制網(wǎng)不能監(jiān)測到核心筒或是玻璃幕墻已經(jīng)遮擋的監(jiān)測點(diǎn)，可以在樓上架設(shè)全站儀，采用后方交會法或內(nèi)導(dǎo)線法。但對于在運(yùn)動(dòng)中的塔樓而言，使用后方交會法或內(nèi)導(dǎo)線法，兩者的監(jiān)測精度有很大的差異。為了能夠獲得更加精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，必須探討在運(yùn)動(dòng)的塔樓中如何架設(shè)全站儀、同時(shí)又能獲得精確數(shù)據(jù)的方法。本文以南寧某寫字樓為例，進(jìn)行探索和分析。

1 工程概況

南寧某寫字樓是集商業(yè)、辦公和酒店于一體的超高層綜合體，總占地面積7 030 m2，總建筑面積約為278 000 m2，地上247 000 m2，地下3層，地上裙房4層；塔樓84層，連屋頂幕墻構(gòu)架建筑高度402.6 m。本塔樓為帶加強(qiáng)層的鋼筋混凝土核心筒＋鋼管混凝土框架混合結(jié)構(gòu)。塔樓核心筒豎向分3次向北收進(jìn)，塔樓南側(cè)框架柱整體向北2°。

2 地面控制網(wǎng)的建立

2.1 選用坐標(biāo)體系

由于本工程位于南寧市青秀區(qū)，為了與總包單位的測量放線數(shù)據(jù)和鋼構(gòu)單位等的放線能夠形成對比校核，本工程和總包單位同樣選取南寧市當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)體系。由本坐標(biāo)體系，X軸正方向向北，Y軸正方向向東。

2.2 建立地面控制網(wǎng)

當(dāng)監(jiān)測單位進(jìn)場時(shí)，施工單位向監(jiān)測單位提供現(xiàn)場測量樁的技術(shù)交底，高程點(diǎn)不少于2個(gè)，平面點(diǎn)不少于3個(gè)，并提供測量成果報(bào)告[5-6]。

根據(jù)現(xiàn)場及周邊環(huán)境的實(shí)際情況，先是選定能夠?qū)ㄖ镞M(jìn)行觀測的控制點(diǎn)（該點(diǎn)為監(jiān)測時(shí)架設(shè)全站儀），該點(diǎn)不能有遮擋，與建筑的距離要適當(dāng)，以盡可能看到多個(gè)被監(jiān)測點(diǎn)；并且該點(diǎn)要能夠與整個(gè)控制網(wǎng)的相鄰2個(gè)控制點(diǎn)相互觀測，以便使用全站儀將該點(diǎn)的坐標(biāo)測出以及定期的控制網(wǎng)坐標(biāo)復(fù)核。

根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的實(shí)際情況，選取整個(gè)控制網(wǎng)的控制點(diǎn)（圖1）。為計(jì)算更加準(zhǔn)確，監(jiān)測時(shí)盡量使用3個(gè)后視點(diǎn)，即全站儀盡量架設(shè)在控制點(diǎn)上，再加上2個(gè)后視棱鏡點(diǎn)。在圖1中，加粗的點(diǎn)位置為將來架設(shè)全站儀的點(diǎn)，其他點(diǎn)為小黑圈。監(jiān)測時(shí)，全站儀架設(shè)在加粗的有數(shù)字標(biāo)識的控制點(diǎn)上，2個(gè)后視棱鏡分別架設(shè)在相鄰的2個(gè)控制點(diǎn)上。

圖1 地面控制網(wǎng)點(diǎn)的大致位置

在進(jìn)行監(jiān)測前，先由業(yè)主或是總包單位提供當(dāng)?shù)氐拇蟮刈鴺?biāo)點(diǎn)資料，根據(jù)本坐標(biāo)控制點(diǎn)，采用全站儀四等精度導(dǎo)線測法控制網(wǎng)進(jìn)行引測，形成閉合、平差，得出每個(gè)控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)，給出控制網(wǎng)大地坐標(biāo)信息表[7]。

3 使用地面控制網(wǎng)的監(jiān)測分析

3.1 地面架設(shè)全站儀能夠?qū)ΡO(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測的部分

按照設(shè)計(jì)院提出的監(jiān)測點(diǎn)位置，在監(jiān)測樓層設(shè)置了用于安裝棱鏡的彎鉤。為提高監(jiān)測精度，本工程使用瑞士徠卡全站儀TM30，水平定位精度為3 mm＋0.3×10-6D（D為測量距離） ppm，垂直為5 mm＋0.3×10-6D，測角精度為0.5"，測距精度為0.6 mm＋1×10-6D，使用配套的徠卡360°棱鏡。

為提高測量精度和方便使用三維變形監(jiān)測程序，我們將全站儀架設(shè)在控制網(wǎng)點(diǎn)上，再加上2個(gè)架設(shè)在控制網(wǎng)點(diǎn)上的后視徠卡圓棱鏡。3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，待外業(yè)監(jiān)測完，使用徠卡三維變形軟件，手動(dòng)輸入相應(yīng)控制網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)，便可得出每個(gè)被監(jiān)測點(diǎn)的大地坐標(biāo)。首次監(jiān)測時(shí)，可利用三維變形監(jiān)測軟件的學(xué)習(xí)功能，先進(jìn)行學(xué)習(xí)測量，然后整個(gè)監(jiān)測測量6個(gè)測回，每個(gè)測回中，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)測10次取平均值。再次監(jiān)測時(shí)，由于全站儀架設(shè)在固定的控制點(diǎn)上，可以利用學(xué)習(xí)測量的方法，調(diào)出本設(shè)站點(diǎn)的學(xué)習(xí)信息，除了新增的監(jiān)測點(diǎn)，便可以不用再次學(xué)習(xí)即可監(jiān)測。

3.2 地面架設(shè)全站儀不能對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測的部分

由于施工中外框架的鋼梁吊裝后會遮擋核心筒上的監(jiān)測點(diǎn)，或是玻璃幕墻安裝到該樓層時(shí)，從外控制網(wǎng)就無法對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，只能采用在樓上架設(shè)全站儀的方法。

當(dāng)全站儀架設(shè)在樓上時(shí)，使用后方交會法，由于樓上沒有控制網(wǎng)點(diǎn)，故此時(shí)的全站儀是自由設(shè)站。每次監(jiān)測均由地面架設(shè)在控制網(wǎng)點(diǎn)的2個(gè)棱鏡作為后視點(diǎn)，提供坐標(biāo)來反算被監(jiān)測點(diǎn)的大地坐標(biāo)（圖2）。

由于篇幅限制，這里僅以最新的5期（第四～八期）偏差值數(shù)據(jù)為例展開分析（表1）。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置位置

表1 31層監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)偏差（mm）

據(jù)表1，在第四、六期的數(shù)據(jù)中，最大的偏差值都達(dá)到了5 cm以上，第六期的05號點(diǎn)X軸更是達(dá)到了5.87 cm。而采用有限元模擬對應(yīng)此時(shí)的施工情況，核心筒的最大水平位移為2.50 cm，柱的最大水平位移2 cm。比較可知，外框柱的數(shù)據(jù)相對比較可靠，但是核心筒的數(shù)據(jù)相差就過大，精度不能夠滿足要求。而此時(shí)，外框柱采用的是用地面控制網(wǎng)的外控法，核心筒是在樓上架設(shè)全站儀的后方交會法。由此說明，在復(fù)雜的施工現(xiàn)場條件下，在樓上架設(shè)全站儀的方法有所不妥，必須找出一種可靠的方法。

3.3 核心筒數(shù)據(jù)誤差過大的原因分析

外框柱使用外控法監(jiān)測的數(shù)據(jù)和有限元模擬對比相差在可接受范圍內(nèi)，而核心筒的數(shù)據(jù)精度已不滿足要求。

經(jīng)分析，當(dāng)全站儀架設(shè)在樓上時(shí)，由于施工現(xiàn)場各種施工機(jī)械的振動(dòng)、塔吊起吊重物、施工電梯等，整個(gè)樓面的振動(dòng)很大，全站儀的調(diào)平難度很大，可以認(rèn)為已經(jīng)超出全站儀自帶的自動(dòng)安平范圍。此時(shí)，架設(shè)在地面的2個(gè)棱鏡受周圍環(huán)境的影響較小，誤差在允許范圍內(nèi)，而全站儀卻是隨時(shí)晃動(dòng)的，此時(shí)測出來的數(shù)據(jù)當(dāng)然是不理想的。

4 將控制網(wǎng)引到樓上的監(jiān)測分析

4.1 探討解決方案

為解決施工振動(dòng)難題，我們提出將控制網(wǎng)引測到樓面上的內(nèi)控法。為驗(yàn)證其合理性，在使用此方法之前，先做了一些小實(shí)驗(yàn)。首先，將控制網(wǎng)點(diǎn)引測到樓面，得出樓面上每個(gè)控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)，樓上控制點(diǎn)大致位置見圖2。在引測到樓面上的控制點(diǎn)架設(shè)2臺后視棱鏡，然后分為2種方式：打開全站儀的自動(dòng)安平功能；關(guān)閉全站儀的自動(dòng)安平功能。最后測出來的結(jié)果顯示，關(guān)閉全站儀的自動(dòng)安平功能得出的結(jié)果更加可靠。

分析以上得出的結(jié)果，我們認(rèn)為，當(dāng)沒有將控制網(wǎng)引測到樓上時(shí)，架設(shè)在地面的2個(gè)棱鏡是穩(wěn)定的，而全站儀不管是否打開自動(dòng)安平功能，都不能將塔樓晃動(dòng)帶來的誤差抵消；在將控制網(wǎng)點(diǎn)引測到樓面上時(shí)，由于塔樓的晃動(dòng)，帶動(dòng)樓面上的物體同時(shí)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)若是將全站儀的自動(dòng)安平功能打開，那么就相當(dāng)于人為地使全站儀不同步于塔樓和2個(gè)后視棱鏡（沒有自動(dòng)安平功能）的運(yùn)動(dòng)，相對來說，就是人為地形成一個(gè)角度差；而如果關(guān)閉全站儀上的自動(dòng)安平功能，那么整個(gè)塔樓晃動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)樓面上的后視棱鏡及全站儀同時(shí)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)角度差相對來說就比較小。因此，當(dāng)關(guān)閉自動(dòng)安平功能時(shí)，得出的結(jié)果更加可靠。

4.2 將控制網(wǎng)點(diǎn)引測到樓面

地面的控制網(wǎng)點(diǎn)定期復(fù)核，確認(rèn)坐標(biāo)值可靠，可以使用。每次監(jiān)測時(shí)，對于能夠用地面控制網(wǎng)點(diǎn)監(jiān)測的外框柱上的被監(jiān)測點(diǎn)，盡量用地面控制點(diǎn)。在對核心筒監(jiān)測之前，先將控制網(wǎng)點(diǎn)引測到樓上，形成一個(gè)閉合網(wǎng)，經(jīng)過平差得出每個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，然后在該控制網(wǎng)點(diǎn)上架設(shè)后視棱鏡和全站儀。每次監(jiān)測時(shí)，由于相較于上一次的監(jiān)測，塔樓又有水平位移，所以，每次在樓上架設(shè)儀器監(jiān)測前，先將控制網(wǎng)點(diǎn)引測到樓上。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的使用

將控制網(wǎng)點(diǎn)引測到樓上后，在樓上架設(shè)儀器，每次監(jiān)測完后，如同在地面架設(shè)儀器監(jiān)測，同樣是使用三維變形軟件，輸入2個(gè)后視棱鏡架設(shè)點(diǎn)和全站儀架設(shè)點(diǎn)的本期實(shí)際坐標(biāo)值，即可得到被監(jiān)測點(diǎn)的大地坐標(biāo)值。

5 數(shù)據(jù)分析

5.1 沒有將控制點(diǎn)引測到樓面上的數(shù)據(jù)分析

通過分析表1，核心筒第四期最大值是5.11 cm，甚至還有－2.88 cm，而外框柱在同一期的最大值是1.75 cm，因?yàn)檎麄€(gè)塔樓的結(jié)構(gòu)是往北偏心（塔樓的北面柱的豎向，南面是向北傾斜2°，48層以上，特別是71層以上，核心筒向北收進(jìn)），所以整個(gè)塔樓模擬結(jié)果是向北運(yùn)動(dòng)。而第四期和第五期監(jiān)測數(shù)據(jù)都不同程度出現(xiàn)比較大的負(fù)值。在第六期中，核心筒的04、05號點(diǎn)的偏差值分別是5.21 cm、5.87 cm。而在同一期的有限元模擬中是2.50 cm，此時(shí)外框柱使用外控法監(jiān)測出來的最大值是2.93 cm，有限元模擬是2 cm，可見外框柱的監(jiān)測數(shù)據(jù)是可靠的。同時(shí)，對比前六期數(shù)據(jù)，核心筒的數(shù)據(jù)較外框柱離散度大，而外框柱的離散度較小，相對穩(wěn)定（因?yàn)榈诹谥笆┕み€沒到斜墻，沒有往北收筒，偏心較小）。在第五、第六期的監(jiān)測中，各個(gè)點(diǎn)的偏差值離散度也很大，并沒有有限元模擬得出向北傾斜的情況，而是雜亂無章的狀態(tài)。

5.2 將控制點(diǎn)引測到樓面上后的數(shù)據(jù)分析

表1中的第七、第八期皆是將控制網(wǎng)點(diǎn)引測到樓面上后監(jiān)測的數(shù)據(jù)，從這個(gè)表中的數(shù)據(jù)可以看出，沒有出現(xiàn)過大偏差數(shù)據(jù)，相對前面的數(shù)據(jù)也比較平穩(wěn)，與有限元模擬的數(shù)據(jù)相比，誤差在可接受范圍之內(nèi)。

從第七、第八期數(shù)據(jù)也可以看出，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的偏差值都在X軸上方，也就是表明塔樓是在向北傾斜，這符合有限元模擬的結(jié)果，而且在當(dāng)期的所有監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，相對來說也比較平穩(wěn)、集中，未出現(xiàn)過大的混亂狀態(tài)。

6 結(jié)語

在施工現(xiàn)場中，作為施工監(jiān)測的施工方案，要考慮到現(xiàn)場的實(shí)際，選擇合適的方案，方可得出理想的結(jié)果。

在本工程中，在樓上架設(shè)全站儀，同時(shí)在地面控制點(diǎn)架設(shè)后視棱鏡的方法，由于此時(shí)塔樓的晃動(dòng)，帶動(dòng)全站儀晃動(dòng)，監(jiān)測的數(shù)據(jù)誤差大。在將控制網(wǎng)點(diǎn)引測到樓面上，并將全站儀的自動(dòng)安平功能關(guān)閉后，由于塔樓的晃動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)全站儀和后視棱鏡，此時(shí)可以認(rèn)為它們之間是相對靜止的，所以監(jiān)測出來的數(shù)據(jù)相對來說比較可靠，與有限元模擬數(shù)據(jù)比較吻合。