建筑物變形分析與預(yù)報技術(shù)研究

池倫煌

1.概述

最近幾年，我國的綜合經(jīng)濟(jì)實力提升顯著，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常迅速，建筑領(lǐng)域有充裕的資源、資金投入，投入總量非常大且模式也很新穎，建造了一大批功能多樣的建筑物。多功能建筑物在為我們的生活帶來很大便利的同時，也極大地推動了社會經(jīng)濟(jì)的增長，不少多功能建筑物已經(jīng)成為城市地標(biāo)建筑，彰顯城市形象、傳播城市文化。我們知道，建設(shè)企業(yè)在具體的建設(shè)實踐中，做好建設(shè)成本管控、建設(shè)工程質(zhì)量管控、建設(shè)工程進(jìn)度管控是整個建設(shè)過程的重中之重，這三項工作互相影響，并且共同決定著整個工程的建設(shè)效果。目前，在上述這幾個方面，相關(guān)研究比較豐富，有很多可行方法，而且在具體的施工實踐中，都已經(jīng)證明了這些方法是正確的，可行性很高，但與建設(shè)變形分析與預(yù)報技術(shù)管控相關(guān)的研究不多，主要的原因是建設(shè)變形分析與預(yù)報技術(shù)很難控制，而且很多突發(fā)狀況極大地影響著建設(shè)變形分析與預(yù)報技術(shù)。筆者在此淺析了建筑物變形分析與預(yù)報技術(shù)的相關(guān)概述及其積極作用，并在這一基礎(chǔ)上，總結(jié)了建筑物變形分析與預(yù)報技術(shù)管控的可行性方法，希望這些方法可以對同行們有所幫助[1]。

2.建筑物變形分析與預(yù)報技術(shù)研究

圖1 頻譜分析儀原理示意圖

當(dāng)今技術(shù)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)幾乎被應(yīng)用在了所有行業(yè)中，且應(yīng)用的水平越來越高，在分析和預(yù)報建筑物變形方面，各種理論因為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)達(dá)而得以使用。建筑物變形的種類非常多，且變形理論十分復(fù)雜，因此，在研究過程中，一定要使用有效模型的方法，才能對建筑物變形的特征和規(guī)律進(jìn)行模擬和精準(zhǔn)總結(jié)，這對于建筑工程設(shè)計及災(zāi)害預(yù)防而言，是非常重要的。總體而言，對建筑物變形相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，解釋各種建筑物變形現(xiàn)象，才是建筑物變形設(shè)計的主要內(nèi)容，鑒于此，我們可以將建筑物變形分成兩個部分：變形物理解釋和變形幾何分析[2]。

2.1 變形物理解釋

變形物理解釋的目的是明確建筑物變形和導(dǎo)致變形形成原因二者的關(guān)系，同時解釋變形的原因，具體方法包括以下幾種：

2.1.1 統(tǒng)計分析法

創(chuàng)建回歸模型，分析建筑物變形和導(dǎo)致變形主要原因之間的關(guān)系，以建立體現(xiàn)荷載-變形二者關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。統(tǒng)計分析法目前的應(yīng)用非常廣泛，且有著明顯的“后驗”特性，變形因素具有很強(qiáng)的多樣性、不確定性，加之觀測資料非常有限，因此嚴(yán)重影響回歸分析建模的精準(zhǔn)性。

2.1.2 確定函數(shù)法

此法使用的是有限元法，先設(shè)定假設(shè)條件，再結(jié)合變形體的力學(xué)、物理學(xué)特性以及應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系建立變形與荷載函數(shù)模型。使用這一模型，預(yù)報變形體可能會在負(fù)荷下發(fā)生變形狀況，該模型具有明顯的“先驗”特性，和傳統(tǒng)模型相比，函數(shù)模型在物料概念方面的優(yōu)勢更強(qiáng)一些，但是函數(shù)模型的計算量較大，因此在計算數(shù)據(jù)方面的規(guī)定比較特殊。

2.1.3 混合模型法

混合模型法是在統(tǒng)計模型和確定性模型的基礎(chǔ)上得以發(fā)展的。如果效應(yīng)量和原音量之間的關(guān)系比較明確，則建議主要使用有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）進(jìn)行計算。假設(shè)原音量之間的函數(shù)關(guān)系就算是使用物理理論也無法確定或是和效應(yīng)量之間的關(guān)系不明確，那么在分析時，建議使用統(tǒng)計模型，然后在這一基礎(chǔ)之上，再與實際值擬合而把模型建立起來。比如，我國的一些專家，在分析壩體形態(tài)時，使用了應(yīng)用混合模型，取得的效果較好。另外，用應(yīng)用模型分析、預(yù)報建筑物變形情況時，還可以使用反分析法，此法是在效仿系統(tǒng)識別理論的基礎(chǔ)之上，用正分析成果為證據(jù)分析相關(guān)理論，借助反求向建筑物設(shè)計施工等單位反饋建筑物相關(guān)參數(shù)及規(guī)律，以對建筑物開展變形監(jiān)測。

2.2 幾何分析方法

2.2.1 時間序列分析

相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示：在檢測變形狀況的過程中，可以使用時間序列分析方法建立ARMA（p 階自回歸q 階滑動平均模型）。實踐證明：用組合動態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的方法或是趨勢函數(shù)模型+ARMA 組合的方法構(gòu)建模型，取得的效果可能會更好，上述兩種方法的作用分別是：（1）將非平穩(wěn)相關(guān)序列逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)相關(guān)序列；（2）可用建立模型的方法處理隨機(jī)動態(tài)系表達(dá)式的尋求過程。因為系統(tǒng)輸出的特征主要表現(xiàn)在模型參數(shù)方面，因此可以解釋導(dǎo)致變形的原因，然后，在這一前提下，再預(yù)報建筑物變形狀況。因為誤差可能會產(chǎn)生一定的影響，所以，我們可以考慮使用穩(wěn)健時間序列分析法構(gòu)建模型；如果時間序列的數(shù)據(jù)量不大，則可在建模時，使用灰色系統(tǒng)理論，用累加生成法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，讓其生成數(shù)列，這樣可以達(dá)到增強(qiáng)規(guī)律性的目的。在時序分析時，先分析單測點，假設(shè)在分析測點間相互關(guān)系時可用多點關(guān)聯(lián)變形分析法，那么對建筑物分析和預(yù)報的效果會更好。

2.2.2 頻譜分析法

假設(shè)變形時間序列有一定的周期性特性，例如大壩水平位移，具有較強(qiáng)的周期性，那么應(yīng)該用Fourier 變換，將時域信息轉(zhuǎn)換成頻域信息，同時對這些信息進(jìn)行分析，而后在這一基礎(chǔ)之上，計算各諧波頻率振幅，同時確定最大振幅的主頻，這樣就能確定變形變化的周期。估計響應(yīng)譜函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)等函數(shù)，計算輸入和輸出之間的關(guān)聯(lián)性，找出導(dǎo)致變形的主要因子，進(jìn)而對變形進(jìn)行物理解釋，在這一基礎(chǔ)上，預(yù)報建筑物變形狀況。

2.2.3 小波分析法

隨著科學(xué)不斷地發(fā)展，社會、自然等學(xué)科之間互相交叉，進(jìn)而就形成了小波理論，這一理論是學(xué)科交叉產(chǎn)生的結(jié)晶，目前，已經(jīng)被廣泛使用在各項科學(xué)研究和各類工程的建設(shè)過程中，使用小波分析法，可以有效提取時頻域局部信號中的有效信息，然后用離散小波變換的方法，將變形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、重構(gòu)，這樣可以有效分離誤差，也能更好地反映整體變形的趨勢和局部變形的具體特征。小波分析法和傅里葉變換有些相似，使用小波分析法也可以探測周期性變形，在分析動態(tài)變形時，可用小波分析法，成功構(gòu)建基于小波的多分辨卡爾曼濾波模型，這一模型可為分析、預(yù)報建筑物變形提供條件。

2.3 相關(guān)結(jié)論

實踐表明，進(jìn)行變形監(jiān)測，這是進(jìn)行各類工程建筑物及其地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性檢查的一個極其重要的手段，因為通過變形監(jiān)測，可把變形體相關(guān)變形數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲得，并以此來對變形體在時間特性及空間狀態(tài)方面進(jìn)行深入研究，從而能夠做到科學(xué)解釋變形成因，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對變形狀況做出準(zhǔn)確預(yù)報。而分析、預(yù)報土木工程建筑物變形狀況，是十分復(fù)雜的過程；總結(jié)變形分析在建筑物進(jìn)行了很多實踐，獲得了很多成果，然后在這一基礎(chǔ)上，深入研究與分析、預(yù)報土木工程建筑物變形相關(guān)的各項技術(shù)，對保證各種建筑物安全，推動建筑業(yè)穩(wěn)健發(fā)展，都有著非常重要的積極作用。

3.結(jié)束語

綜上所述，近年來國內(nèi)建筑水平持續(xù)提升，各種多功能建筑物的建設(shè)數(shù)量也在不斷增加。建筑規(guī)模持續(xù)增大，施工技術(shù)也越來越先進(jìn)、越來越復(fù)雜。建筑項目管理工作是建筑項目建設(shè)工作得以順利、高質(zhì)完成的基本保障。項目施工必須按照合同約定的完工時間組織具體的施工工作。在當(dāng)前建筑業(yè)飛速發(fā)展的今天，建筑物變形分析與預(yù)報技術(shù)管理是決定項目能否順利施工并安全投入運(yùn)營的關(guān)鍵因素，科學(xué)管控建筑物變形分析與預(yù)報技術(shù)，可確保項目施工的高質(zhì)完成和項目管理目標(biāo)的順利實現(xiàn)。另外，建筑物變形分析與預(yù)報技術(shù)管控能力是整個建筑項目監(jiān)管水平的直接體現(xiàn)，在建設(shè)項目的時候，施工企業(yè)將建筑物變形分析與預(yù)報技術(shù)管控工作做好了，對于美化企業(yè)市場形象、提高企業(yè)的綜合管理能力而言，都是十分有利的。這就需要施工企業(yè)結(jié)合施工現(xiàn)場的實際狀況，合理做好項目施工規(guī)劃工作和施工技術(shù)管控工作，保證現(xiàn)場的施工可以按照施工計劃順利落實到位，爭取建筑物變形在規(guī)范的要求內(nèi)，建筑項目可以完美投入運(yùn)營。另外，施工企業(yè)的各個部門之間，必須進(jìn)行及時有效的溝通，科學(xué)制定施工組織，切實落實施工計劃，并積極做好建筑物變形分析與預(yù)報技術(shù)管控工作，保證建筑項目以高性價比按時按質(zhì)按量竣工和運(yùn)營。