建筑物傾斜監測新方法的研究及其應用

張貴鑫

摘? ?要：建筑物變形監測中，傾斜監測工作是保障既有建筑基礎及上部結構安全的重要安全監控環節;目前采用的常規監測方法存在實施困難、監測頻率低、時效性差、精度難保障等問題，難以保障建筑物傾斜監測的有效性。本文提出了基于物聯網技術的建筑物傾斜監測方法，提高監測頻率和適用性，創新了建筑傾斜監測作業方法。

關鍵詞：建筑物傾斜? 監測? 傾斜傳感器? 自動化

中圖分類號：TU196.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（c）-0154-03

隨著現代社會不斷發展，超高層建構筑物數量的不斷增加，建構筑物變形產生的安全隱患也不斷受到重視，而建筑物傾斜監測數據在建筑物變形監測中起到關鍵性參考作用。建筑物發生傾斜不僅對已有建筑有安全隱患存在，而且影響著施工中的高層建筑的施工質量和安全。建筑物傾斜監測可評估建構筑物結構健康狀態，及時做好對建筑物維護和管理，防范傾斜變形引起的安全問題。

當前建筑物傾斜涉監測項目中，既要避開風荷載和強日照影響大的時間段又對控制點的選取較苛刻;作業環境約束著常規傾斜監測方法，成為阻撓監測正常進行的主要原因之一，各常規傾斜監測方法又存在各自難以克服的缺陷。

1? 常規的建筑物傾斜監測方法

1.1 全站儀監測

（1）投點法：采用全站儀照準建筑物頂部固定位置，豎軸投射到建筑物底部同一水平線，對建筑物兩垂直面進行觀測根據兩周期觀測點在建筑底部水平線上偏差值計算位移量，通過位移矢量與觀測點高度比值計算建筑傾斜率;此方式觀測對全站儀選站要求高（宜選在與傾斜方向成正交的方向線上測站點不少于2個），觀測環境通視要求高（距照準目標1.5～2.0倍目標高度的固定位置），觀測所需時間長監測頻率低。

（2）前方交會法：觀測點與基準線必須滿足要求，交會角宜60°～120°。采用兩周期方向值差值推算坐標變化量。此方式觀測對全站儀選站要求高，難已選取基準線與觀測點組成的最佳構形。同時，以上兩種方式，應用于超高層建筑傾斜觀測時，難以在合適的視線長度和合適的豎直角之前平衡，這兩個因素過大都會影響觀測精度。

1.2 激光掃描測量與近景攝影測量

通過激光掃描或近景攝影的方式準確、快速、批量地掃描或拍攝變形體。通過變形體數字影像的特征點的像點位置坐標數值經過批量轉換計算變形量。適合建筑上監測點數量較多時實施;這種監測方法實施成本高，對監測人員要求高，勞動強度大、工作效率低、量測精度差。

1.3 激光鉛垂監測

利用建構筑物底部與頂部豎向通視條件，安置激光鉛直儀或激光經緯儀，通過激光接收靶讀取和量測水平位移量和位移方向。作業時要求儀器嚴格對中置平、并通過回程180°取中值。對于超高層建筑通視要求高精度難把控還需要考慮大氣湍流的影響。

1.4 相對沉降差法

采用測定變形體基礎間的相對沉降量換算求得建筑整體傾斜率及傾斜方向。此作業方法以基礎傾斜代表建筑整體傾斜適用于剛性結構建筑物，對于非剛性結構建筑物難以實施且勞動強度大，工作效率低。

2? 無線傾角儀實時監測系統

2.1 設備組成

無線傾角儀實時監測系統是由無線傾角儀模塊、太陽充電板、采集軟件組成。具備實時采集數據，傳輸數據、處理數據及信息反饋一體化傾斜監測一體化系統。

2.1.1 采集軟件

主要應用于數據的接收和處理，對傾角儀模塊初始化以及設置預警值等操作，數據展示部分展示包括實時狀態和數據記錄（見圖1）。

2.1.2 傾角儀模塊

如圖2，無線傳輸傾角儀設備構成是由傾角儀模塊雙軸傾斜傳感器、集成電路、3G單點傳輸模塊、內置鋰電池、太陽能供電板組成。同時具備超長待機，根據自主設定采集頻率和傳輸頻率滿足實時監測需求。傾斜傳感器采用一種基于高精度半導體角度應變雙軸傾角傳感器和數字集成電路，雙軸可以測相對于正交兩個軸的角度變化。當傾斜傳感器靜止時也就是側面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角。重力擺錘位與電阻器圓心鏈接，當裝置傾斜時擺錘始終垂直地面從而轉動電阻器改變輸出信號值，經數據采集計算后得到相應傾斜值。

2.1.3 傳輸模式

采用單點傳輸，可使用移動或聯通3G或定制其他通訊模塊實現實時監測目的。模塊終端通過集成電路設置在指定時間內下載主機設置的采集頻率、傳輸頻率等參數;按照設置的指定時間傳輸數據（最小采集間隔5min最小傳輸間隔10min），當數據采集值超過設定的預警值時終端啟動時傳輸機制，保證監測實時性;傳輸數據通過網絡存儲于固定服務器內部，建筑物傾斜監測系統在確定開始監測時間后自動抓取服務器數據，自主運算傾斜率累計變化量、本次變化及變化速率。

2.2 數據對比測試

2.2.1 測試方法

在采用投點法對建筑物傾斜監測過程中利用將無線傾角儀安置建筑物上照準部位置如圖3～5;通過同日同時取初值，在等周期兩次數據的采集比對判斷設備數據可靠性。

2.2.2 測試結果

從已經試驗的工地來看，以下為實驗數據，數據列表表明8月12日投點法與傾角儀最大位移差值為1.5mm最小差值為0.1mm，最大傾斜率差值為0.42‰，最小傾斜率差值為0.03‰。傾斜率曲線走向及趨勢基本一致，符合度較好。

3? 設備需完善方面

（1）實驗過程遇南方雨季，高溫高濕環境下防水性能較差，部分設備出現因設備短路引起的數據異常率高。目前通過提升設備防水等級設計，得到較好解決。

（2）內置傳感器受氣溫影響高，在長期日照高溫數據波動較大;同時發現內置傳感器受工地基礎施工時產生振動對數據引起偏差。

4? 結語

采用無線傾角儀監測建筑物傾斜，可以節約成本較多并可以增加監測頻率。因安裝位置較好保護所以回收率較高，對比傳統埋設方式埋設成本雖沒有較多提升，但在過程實施監測中只需安排階段性對設備進行維護其人員成本極低。大大縮減了建筑物傾斜監測的成本支出，提高了生產效率。

傾角儀的投入使用擺脫了常規監測中受作業環境的束縛，對于通視較差的及高層建筑的測量環境也能較好地適用，克服了常規監測方式的局限性。安裝簡單使用便捷：測量使用的無線傾角傳感器是內置電池采用太陽能供電，與服務器之間使用無線通信，無需布線，安裝簡單，也不會破壞建筑整體性。同時滿足了工程監測的遠程自動化要求。

較高精度：測量模塊搭載的是高精度雙軸傾角傳感器，滿足測量需求，可精準的識別建筑的細微結構形變。

無線傾角儀設備處于第一代測試原型，技術性能及穩定性有待優化和挖掘，仍需進一步研究和應用測試。

另：研發、測試、應用全過程得到了領導、同事的大力支持，也得到了行業相關檢測單位的大力配合，在此表示衷心感謝。

參考文獻

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