超高層建筑物變形檢測技術(shù)在保利琶洲眼項(xiàng)目中的應(yīng)用

王齊林，宿勇軍

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

隨著國內(nèi)城市建設(shè)的發(fā)展，涌現(xiàn)出許多地標(biāo)性建筑物，在高度和建造規(guī)模上你追我趕，如何對(duì)超高層建筑物進(jìn)行有效的變形檢測和第三方施工檢測成為各個(gè)測繪單位需要突破的技術(shù)難點(diǎn)。超高層建筑物第三方檢測的主要內(nèi)容包括：控制點(diǎn)檢測、軸線檢測、核心筒和電梯井偏差檢測、垂直度測量、高程檢測和地面沉降監(jiān)測等，在廣州保利琶洲眼項(xiàng)目中主要利用測量機(jī)器人，激光垂準(zhǔn)儀和CCD相機(jī)系統(tǒng)等多種測量手段實(shí)現(xiàn)對(duì)超高層建筑物的檢測工作，獲得了超高層建筑物核心筒垂直度變化趨勢、電梯井偏差和塔體48小時(shí)動(dòng)態(tài)擺動(dòng)軌跡等成果，實(shí)踐證明各種設(shè)備在檢測工作中能有效地反映建筑物的變形情況，并能對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行全過程監(jiān)督，保障了超高層建筑物結(jié)構(gòu)的安全健康，掌握其變形規(guī)律。

2 多種測量手段在超高層建筑變形檢測中的應(yīng)用

超高層建筑的施工環(huán)境復(fù)雜多變，傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法和設(shè)備很難滿足超高層建筑變形檢測的需要，故有必要采用新的技術(shù)手段建立一套切實(shí)可行的超高層建筑施工監(jiān)測體系[1]。傳統(tǒng)的超高層建筑對(duì)各層的施工質(zhì)量監(jiān)測工作還是通過核心筒預(yù)留孔來量取墻體厚度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工質(zhì)量的監(jiān)測，這種手段不能全面反映超高層建筑的施工質(zhì)量，本項(xiàng)目采用激光垂準(zhǔn)儀和測量機(jī)器人相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)的控制點(diǎn)投遞，對(duì)各層核心筒及其中心點(diǎn)的偏差進(jìn)行測量，準(zhǔn)確反映超高層建筑的施工質(zhì)量；傳統(tǒng)的超高層建筑物變形監(jiān)測主要通過安裝在外部基準(zhǔn)點(diǎn)的全站儀對(duì)變形體上的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，從而得到變形體的水平位移情況，其受到觀測間隔和人員安排的限制，只能得到變形體的離散變形軌跡，無法反映超高層建筑物的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變化規(guī)律，本項(xiàng)目采用CCD相機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔體擺動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測。

2.1 利用激光垂準(zhǔn)儀實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)的高精度傳遞

控制點(diǎn)投遞一直是超高層建筑物施工監(jiān)測的難點(diǎn)，琶洲眼項(xiàng)目第三方監(jiān)測方案中施工控制網(wǎng)需要從首層分段向上傳遞，具體做法是每隔10層設(shè)置1個(gè)轉(zhuǎn)換層，借助高精度的激光垂準(zhǔn)儀向上投點(diǎn)，將首層的施工控制網(wǎng)(包括內(nèi)控制網(wǎng)和外控制網(wǎng))在轉(zhuǎn)換層之間分段進(jìn)行傳遞引測，從而進(jìn)行分段控制，控制點(diǎn)投遞誤差就成了影響控制網(wǎng)精度的重要因素，因此在施工監(jiān)測中需要盡可能地減少投遞誤差[2]。本項(xiàng)目采用標(biāo)稱精度1/200000的激光垂準(zhǔn)儀。

由儀器標(biāo)稱精度計(jì)算每50 m傳遞理論誤差為：

m儀=50×1000/200000=0.25 mm

對(duì)中誤差和人工描點(diǎn)誤差可以估算為：

m對(duì)中=m描點(diǎn)=1 mm

因此每次投點(diǎn)誤差：

2.2 測量機(jī)器人在第三方監(jiān)測中的應(yīng)用

2.3 基于CCD相機(jī)的超高層建筑動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測與分析

超高層建筑物塔體受日照、地球自轉(zhuǎn)、風(fēng)力、溫差等多種動(dòng)態(tài)因素的影響較大，處于不斷運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)[3]。為了分析塔體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律從而保證施工以及后期運(yùn)營階段的建筑安全，本項(xiàng)目采用CCD相機(jī)進(jìn)行48小時(shí)不間斷的塔體動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測并分析出了在外部環(huán)境等多種動(dòng)態(tài)因素作用下的塔體運(yùn)動(dòng)規(guī)律[4]。

CCD相機(jī)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分包括激光垂準(zhǔn)儀、接收靶及工業(yè)相機(jī)等；軟件部分包含了光環(huán)中心自動(dòng)提取軟件與數(shù)據(jù)處理軟件(圖1)。

圖1 CCD系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

在施工現(xiàn)場選取內(nèi)控點(diǎn)的預(yù)留孔作為激光傳遞路徑，激光垂準(zhǔn)儀安裝固定在起始樓層，接收筒(包含攝像機(jī)、接收靶)安裝在觀測樓層對(duì)應(yīng)的孔洞上，并使激光垂準(zhǔn)儀的光斑落在接收靶的中間區(qū)域，連接電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理，可即時(shí)獲取激光束中心位置，并通過用戶界面控件實(shí)時(shí)顯示光斑的相對(duì)位移量，通過連續(xù)觀測即可獲得高層建筑物結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡和變化規(guī)律，杜絕了人工讀取激光點(diǎn)位偏移產(chǎn)生的觀測誤差，實(shí)現(xiàn)變形檢測數(shù)據(jù)錄入的自動(dòng)化。

3 利用測量機(jī)器人和激光垂準(zhǔn)儀對(duì)保利琶洲眼核心筒的變形檢測

保利琶洲眼項(xiàng)目酒店主塔樓38層，建筑高度約為 200 m，辦公主塔樓60層，建筑高度約為 310 m，項(xiàng)目屬于超高層建筑范疇，易受到諸如日照、風(fēng)力、荷載、地質(zhì)等因素的影響，對(duì)施工質(zhì)量和施工安全有極高要求。超高層建筑物的核心筒能有效反映整個(gè)建筑物的垂向偏差情況，本項(xiàng)目采用測量機(jī)器人和激光垂準(zhǔn)儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)保利琶洲眼項(xiàng)目核心筒的全過程檢測。核心筒施工時(shí)，每施工到一定高度時(shí)，必須做控制點(diǎn)測量轉(zhuǎn)換[7]，轉(zhuǎn)換高度控制在 50 m左右(圖2)，采用激光垂準(zhǔn)儀垂直投測。

圖2 各轉(zhuǎn)換層高度

內(nèi)筒控制點(diǎn)和外筒控制點(diǎn)是軸線檢測、核心筒和電梯井偏差檢測的基準(zhǔn)，在控制點(diǎn)投遞到轉(zhuǎn)換層后要利用測量機(jī)器人聯(lián)測所有投遞的控制點(diǎn)，檢核控制點(diǎn)之間的內(nèi)符合精度，在施工平臺(tái)抬升至轉(zhuǎn)換層時(shí)利用GPS測量法檢核控制點(diǎn)的外符合精度[3]。保利琶洲眼項(xiàng)目內(nèi)外控制點(diǎn)的內(nèi)符合檢測導(dǎo)線按照一級(jí)導(dǎo)線要求布設(shè)，先驗(yàn)單位權(quán)中誤差為5.00″，各層內(nèi)符合導(dǎo)線的精度如表1所示：

控制點(diǎn)內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果 表1

控制點(diǎn)投點(diǎn)并檢測完畢后，需要對(duì)超高層建筑物的核心筒偏差、垂直度進(jìn)行測量。首先在樓層中布設(shè)一級(jí)導(dǎo)線，以激光垂準(zhǔn)儀投遞的控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)，采用測量機(jī)器人觀測，以保證導(dǎo)線相對(duì)精度優(yōu)于 1/15000，然后在一級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)上架設(shè)全站儀免棱鏡測量核心筒壁的碎步點(diǎn)，通過這些碎步點(diǎn)可以獲取建筑物核心筒的偏差情況和計(jì)算垂直度。

各層的垂直度Kj計(jì)算公式如下：

上式中，Sj為按靜力矩法計(jì)算該層(如第j層)實(shí)測中心與設(shè)計(jì)中心的偏心差，Hj為j層相對(duì)于地面的總高度。

考慮到全站儀采集碎部點(diǎn)的高度對(duì)垂直度的影響，在計(jì)算總垂直度Kj時(shí)，將該高度與j層樓板相對(duì)于地面的總高度之和作為Hj參與垂直度計(jì)算[5]。圖3為保利琶洲眼C-1棟酒店核心筒垂直度分布圖。

圖3 C-1棟酒店垂直度分布圖

4 基于CCD相機(jī)系統(tǒng)的保利琶洲眼塔體動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測與分析

受日照、地球自轉(zhuǎn)、風(fēng)力、溫差等多種動(dòng)態(tài)因素的影響，保利琶洲眼主塔樓處于周期性的偏擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[6](如圖4所示)，這種動(dòng)態(tài)特性直接影響控制點(diǎn)向上投點(diǎn)的準(zhǔn)確性，為此本項(xiàng)目引進(jìn)了一套CCD相機(jī)系統(tǒng)(圖5)對(duì)主塔樓進(jìn)行了分階段的48小時(shí)連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測成果分析總結(jié)出了該超高層塔體的擺動(dòng)規(guī)律。

圖4 塔體擺動(dòng)對(duì)激光投點(diǎn)的影響

圖5 CCD系統(tǒng)接收裝置及用戶操作界面

在保利琶洲眼項(xiàng)目辦公樓42層～59層采用CCD系統(tǒng)對(duì)塔體進(jìn)行48小時(shí)動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測，獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)后剔除其中的噪聲，并采用多項(xiàng)式、傅立葉變換等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行擬合和分析，獲得了X坐標(biāo)(東西方向)和Y坐標(biāo)(南北方向)變化曲線(如圖6、圖7所示)。

利用擬合后X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)繪制點(diǎn)位軌跡如圖8所示：

由圖8可知塔體59層相對(duì)于42層在東西方向相對(duì)中心位置最大偏移量約為 0.65 mm，在南北方向相對(duì)中心位置最大偏移量約為 1.15 mm。由于激光投點(diǎn)的光斑半徑與樓層高差的正相關(guān)性，為了避免光斑發(fā)散影響CCD系統(tǒng)對(duì)光斑軌跡的識(shí)別，本項(xiàng)目采用分階段的48小時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測方式，在已完成的40層相對(duì)于21層的CCD系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)中顯示塔體在東西方向相對(duì)中心位置最大偏移量約為 0.18 mm，在南北方向相對(duì)中心位置最大偏移量約為 0.65 mm，綜合儀器識(shí)別誤差和測量系統(tǒng)誤差，以上偏移量均在合理范圍內(nèi)，塔體自身的擺動(dòng)對(duì)投遞后的控制點(diǎn)使用不會(huì)產(chǎn)生影響[7]，另一方面通過48小時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測我們掌握了該超高層建筑塔體的擺動(dòng)規(guī)律，為后期運(yùn)營階段的變形監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[8]。

圖6辦公樓42層～59層CCD系統(tǒng)監(jiān)測軌跡擬合后X坐標(biāo)變化曲線圖

圖7 辦公樓42層～59層CCD系統(tǒng)監(jiān)測軌跡擬合后Y坐標(biāo)變化曲線圖

圖8 辦公樓42層～59層CCD系統(tǒng)監(jiān)測軌跡周日點(diǎn)位變化曲線圖

5 結(jié) 語

本文以廣州市保利琶洲眼項(xiàng)目為例，綜合應(yīng)用測量機(jī)器人，激光垂準(zhǔn)儀，CCD相機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等技術(shù)手段對(duì)超高層建筑物的結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行全過程檢測，并在施工階段提前介入超高層建筑物的檢測中，對(duì)建筑物的施工質(zhì)量進(jìn)行第三方監(jiān)督，保證了超高層建筑物的施工質(zhì)量安全，掌握了建筑物的變形規(guī)律，為建筑物竣工后運(yùn)營階段的變形檢測工作提供了技術(shù)保障和理論基礎(chǔ)，解決了超高層建筑物的控制點(diǎn)投遞，核心筒垂直度測量和超高層建筑物核心筒擺動(dòng)規(guī)律監(jiān)測等技術(shù)難點(diǎn)，集成多種測量手段構(gòu)建超高層建筑物變形檢測體系，對(duì)超高層建筑物的結(jié)構(gòu)健康檢測工作具有借鑒意義，在建筑物質(zhì)量檢測市場中具有較好的應(yīng)用前景。