高層建筑物沉降監測成果可視化方法研究

郭樹森，黃新民，鄧建林，胡伍生

(1.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096；2.如皋市勘測院有限公司，江蘇 如皋 226500；3.如皋市基礎地理信息中心，江蘇 如皋 226500)

0 引 言

高層建筑物是指建筑層數達到10層以上、建筑高度不低于24 m的住宅建筑物或不低于28 m的其他民用性建筑物[1]。自21世紀以來，我國基建發展迅速，高層建筑物在全國各地立地而起。高層建筑物的大量興建給人民帶來便利、快捷的生活的同時也隱含了一定的安全風險。在多種內外因素影響下，建筑物會發生以沉降、傾斜為主的變形，當建筑物變形量超過規定的設計限值時，會對建筑物自身的結構和居民的生命、財產安全帶來巨大的危害。而導致建筑物變形的原因中，不均勻沉降不僅危害最大，而且也是導致傾斜與裂縫產生的主要原因?，F今，建筑物正朝著樓層高、體積大、重量大、結構復雜等方向發展，因此非常有必要在建筑物施工建設與運營管理期實施定期的沉降監測，從而確保建筑物的安全。

建筑物沉降監測是根據建筑物地理位置與周邊環境情況，結合國家和地方標準與規范，設置一系列水準點與沉降監測點對建筑物進行周期性觀測，通過數據表達其沉降程度[2]。而沉降監測成果可視化是借助圖形化手段，對沉降監測數據進行圖形、圖像以及動態表達，清晰快速地向施工與建設單位傳達建筑物的沉降情況。當前，建筑物沉降監測成果可視化大多采用表格、曲線圖、條形圖等可視化方法形成監測報表綜合表達建筑物沉降情況。這些方法雖然能較為全面地反映建筑物沉降情況，但可視化效果一般。本文將圍繞某市某高層建筑物的沉降監測成果研究沉降成果可視化表達的幾種方法及其內涵。

1 工程概況

1.1 建筑物建設情況

A#大樓位于某市市區C小區內，于2013年4月開始施工。A#大樓建設樓層高度68 m，地下1層，地上23層。2015年12月，施工單位開始對已封頂的A#大樓進行高精度變形監測，分析其在施工后期的變形情況。沉降監測采用一等精密水準測量，沿用A#大樓的獨立高程系統建立高程監測控制網。沉降監測點共布設10個，點間距8～15 m，均在地基以上0.5～0.8 m(圖1)。沉降監測時間為2015.12.11～2019.11.9，觀測時長1 430 d，觀測次數為599次，平均觀測周期為2.4 d/次。

圖1 A#大樓沉降監測點布設圖

1.2 可視化需求

可視化是運用計算機圖形學與圖像處理技術，將數據轉換為圖形、圖像，通過在顯示器屏幕上顯示，并進行交互處理的理論、方法與技術。自1987年2月美國國家科學基金會“科學計算之中的可視化”研討會中將可視化正式定義為一門研究學科以來，可視化技術迅速發展，國內外計算機軟件公司出品了一批商業化的可視化軟件、系統以及具有可視化功能的數據分析軟件。另外也有不少的學者將可視化技術應用于建筑物變形監測監測中：陳曉龍[3]運用OpenGL軟件實現對大型橋梁變形監測成果的三維動態可視化表達；馬路濱[4]就建筑物基坑監測開發了基于GIS平臺的基坑變形監測三維可視化模擬系統；丘穎新[5]運用BIM技術對高速鐵路變形監測進行三維可視化表達。在本文中，我們運用可視化軟件Matlab與可視化庫Highcharts分別實現A#大樓沉降監測成果的二維、三維及動態可視化表達。

2 二維可視化表達

2.1 沉降曲線圖

曲線圖是變形監測成果分析中最常見的二維可視化方法，結構簡潔，信息表達直觀明了，能有效表達各種變形信息。曲線圖主要分為單縱軸曲線圖與雙縱軸曲線圖，而后者是前者的改進，能同時展示不同類型的信息。我們根據A#大樓的沉降觀測成果運用自編軟件繪制時間-荷載-沉降量曲線圖(雙縱軸)(圖2)。

如圖2所示，A#大樓各沉降監測點在大概在750 d后沉降速率減小，趨于平緩。而在900 d后各沉降監測點沉降速率趨近于0，沉降曲線趨近于水平線。根據《建筑變形測量規范》5.5.5規定，可以認為A#大樓在沉降監測后期處于穩定階段。時間-荷載-沉降量曲線，可以較直觀地反映建筑物不同時期內的沉降情況。

圖2 A#大樓時間-荷載-沉降量曲線圖

2.2 沉降量等值線圖

等值曲線圖是工程建設行業上應用最廣泛、信息表達最形象的可視化方法之一。等值曲線圖是以數值相等的各點連成曲線，投影到平面上表示被攝對象的外表特征的二維圖像。在測繪、地理信息與土木行業上，等值曲線圖常采用的形式為等高線圖，并且有很多繪圖軟件具有繪制等值曲線的功能。繪制等值曲線圖的關鍵在于如何根據給定的三維地理數據，選擇合適的插值與離散算法，從而得到既符合實際、又直觀形象的等值曲線圖。在本小節中，我們將根據A#大樓2019年11月9日的沉降監測成果，運用數學軟件Matlab繪制A#大樓的“沉降量等值線圖”(圖3)。

圖3 A#大樓沉降量等值線圖

根據圖3，可以看出在2019年11月9日，A#大樓南部沉降量普遍大于北部沉降量，南部沉降量最大的地方分別位于東南角與西南角，整棟大樓東西兩端沉降量大，中部沉降量小。根據某一時刻的建筑物等值沉降曲線圖，可以更直觀、清楚的觀察到該時刻建筑物各部分的沉降情況。

3 三維可視化表達

三維可視化是借助三維立體技術，根據被攝對象的數據建立三維模型，將被攝對象立體化呈現的可視化方法。與二維可視化相比，三維可視化不僅具有立體感、更真實、形象的表達效果，而且還能載負、表達更多被攝對象特征信息的優點。近十幾年來，隨著計算機技術與圖形設備的發展，二維可視化無法滿足測繪、土木等工科行業的需求，三維可視化由此嶄露頭角，并快速發展為一個研究方向。我們沿用A#大樓沉降觀測成果，運用Matlab繪制A#大樓沉降三維曲面圖。三維曲面圖的繪制原理、方法與等值曲線圖一致，只是無須將建立的三維模型調整為二維俯視視角。A#大樓三維曲面如圖4所示。

圖4 A#大樓三維曲面圖

根據圖4，可以看出截至2019年11月9日，A#大樓南部沉降量普遍大于北部沉降量，并且大樓東西兩端的沉降量大，中部沉降量少。整幢大樓西南角沉降量最大，正北處沉降量最小。與圖3等值曲線圖相比，三維曲面圖能更明顯、形象地反映建筑物各部分的沉降情況。

4 動態可視化表達

動態可視化是對被攝對象的數據進行處理，將其靜態圖表、圖像動態化，從而實現自動更新的可視化方法。動態可視化作為當今可視化領域的一個新穎的研究方向，與三維可視化相比，具有自動更新、更加形象的特點。特別是在計算機信息技術領域中，衍生一批直接用于動態可視化的商業軟件與開源可視化庫，為各行各業的報表數據提供了動態可視化的實現可能。近幾年來，動態可視化也在測繪、土木等工程建設行業中興起，更有一些研究機構嘗試三維與動態可視化結合的實現，但是動態可視化發展時間較短，發展方向較窄，實現成本普遍高于三維可視化，因此工程建設行業在可視化上的研究重心仍然是以三維可視化為主。我們根據沉降觀測成果，運用可視化庫Highcharts繪制A#大樓動態沉降態曲線圖(圖5)。

圖5 A#大樓動態曲線截圖

Highcharts是挪威Highsoft公司開發的基于JavaScript編程的可視化庫。Highcharts提供了大量的可視化模板與對應的源代碼，操作用戶可以根據自己的需求選擇可視化模板與源代碼并進行編輯修改。運用Highcharts繪制動態曲線的原理主要分為數據格式的調整、程序代碼的編寫、程序讀取數據，生成動態曲線、根據可視化成果修改程序代碼并調試4個環節。

5 結 語

(1)曲線圖、等值線圖等二維可視化方法、表格再加上必要的文字闡述所組成的變形監測成果報表雖然存在可視化效果一般的缺點，但仍能全面、直觀地反映被監測對象的變形情況，并且實現效率高，基本滿足工程建設行業的實際需求。

(2)動態可視化作為當今可視化領域的一個新穎的研究方向，具有更加形象直觀的特點。本文運用可視化庫Highcharts實現了A#大樓動態沉降態曲線圖，應用效果更好。