北斗高精度技术在既有建筑变形监测领域的广泛应用前景展望_黄从裕

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应用篇

1、前言

随着改革开放经济建设和城市化的进程，我国每年建造的各类楼宇数量不断上升，建筑物越建越高，跨度越来越大，每年都有一批超高层建筑和特大型建筑物开工建设及投入使用，超高层与特大型建筑物的建设呈现高速发展的势态。同时，老旧危房数量大大增加，对既有建筑进行持续监测是必要的，及早发现并采取相应保护措施，以保护居民人身安全，减少财产损失。为了预防各种事故的发生，国家也出台了各种针对建筑安全监测的规范和政策。

对于高层建筑的安全性问题，特别是异型结构超高层建筑安全性问题，住建部十分重视，制定了相应规范，从施工过程到建筑物使用、运营过程都应进行变形监测和建筑物健康评估。如《建筑工程施工过程结构分析与监测技术规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》、《建筑变形测量规程》中对“复杂高层建筑及房屋高度大于250m 的高层建筑、跨度大于60m 的柔性大跨结构、大于25m 悬挑楼盖和大于50m 悬挑屋盖结构的工程”在施工过程中要做变形监测，工程完工后还要对建筑物进行安全监测。

在上世纪90年代以前，建筑物变形监测以传统的地面测量技术以及和某些特殊的测量方法为主。随着科学技术的进步以及更先进的数据采集设备的出现，无线通讯、计算机、地球科学及空间技术等相关领域的更新与结合,带动了建筑物变形监测技术不断提高和完善。如今建筑物变形监测技术正向多学科、多领域交叉融合的边缘学科方向发展，已逐渐成为各学科研究人员合作研究开发的技术领域。随着测绘技术和信息科学的日新月异，建筑物变形监测技术也得到了极大的发展与完善。

2、当前建筑物变形监测需求分析

对建筑物进行变形监测通常包括以下几种情况：

（1）超高层建筑物

高层建筑在建设中安全问题时有出现，如十多年前武汉一幢18层楼突然发生倾斜，在三五天内可能倾覆，抢险不成，歪楼被“拦腰”炸倒，造成重大经济损失。建成后的高楼，也会因强风荷载作用、地面沉降及地震灾害作用造成楼的损害，影响建筑物的使用寿命。

（2）施工过程的变形监测北斗高精度技术在既有建筑变形监测领域的广泛应用前景展望

□ 北斗建筑安全监测应用示范实施组 黄从裕

建筑基坑施工变形监测

基坑监测的时效性要求对应的方法和设备具有采集数据快、全天候工作的能力，甚至适应夜晚或大雾天气等严酷的环境条件。目前基坑变形监测数据主要采用常规的大地测量方法由人工采集，监测数据偶然误差大，数据可靠性容易受到影响，增加了预警难度。另外由于采用静态数据处理方式，无法及时直观地反应基坑这一变形动态系统的状态。将卫星定位技术应用于基坑变形监测，特便是基坑四周围护结构顶端水平位移的监测中，能快速、自动、准确地获取高精度监测数据，利用三维位置和速率等参数，可以实现变形可视化，数据分析，预测报警等一系列功能。

建筑施工塔吊位移监测

建筑施工塔吊坍塌是施工过程中常见一种安全事故，对塔吊的安全监控非常必要。塔式起重机（塔吊）监测是基于传感器技术、嵌入式技术、数据采集技术、数据处理技术、无线传感网络与远程通信技术相融合，通过前端监控装置和平台无缝融合，实现开放式的实时塔吊作业监控。在对塔吊实现现场安全监控的同时，通过远程高速无线数据传输，将塔吊运行工况安全数据和报警信息通过通讯网络实时发送到远程可视化监控平台，并能在报警时自动触发手机短信向相关人员告知，从而实现实时的动态远程监控、远程报警和远程告知，使得塔吊安全监控成为开放的实时动态监控。实时数据显示塔吊当前状态，包括：起升重量，起升高度，回转角度，变幅幅度，起重机力矩百分比，倍率。

（3）重点区域建筑物的变形监测

我国是陆地强震最多的国家，这些地震带近年来比较活跃，给国家财产和人民生命安全带来了很大的威胁和隐患。近年来我

国大部分城市的沉降现象也十分严重，导致了建筑物的沉降，最坏情况导致建筑的倒塌。为此，应该尽快在这些比较严重的地区开展建筑物安全监测。

地震断裂带地区的建筑物变形监测

地震又称地动或地振动，是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。我国以占世界7%的国土承受了全球33%的大陆强震，是大陆强震最多的国家。在我国境内的陆地上，太平洋板块、印度板块、菲律宾海板块与欧亚板块相互作用，再加上欧亚板块深部地球动力作用的影响，巨大的第四纪活动断裂十分发育，而这些断裂又正是大地震的温床。有历史记载以来，中国大陆的几乎所有的8级和80-90%的7级以上的强

震都发生在这些断裂的边上。20世纪以来，中国共发生6级以上

DOI：10.16116/ki.jskj.2016.06.008

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地震近800次，遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外所有的省、自治区、直辖市，死于地震的人数达55万之多，占同期全球地震死亡人数的53%。

沉降地区的建筑物变形监测

地面沉降，又称“地陷”。在我国《地质灾害防治条例》中，它被定义为“缓变性地质灾害”。近年来，我国各大城市地面沉降频发，如广深港客运专线工程发生6起地面塌陷事故；大连地铁修建曾出现一周内三次塌陷；上海在建第一高楼上海中心大厦工地周边也出现了地面裂缝等。目前，我国已有超过50个城市发生了不同程度的地面沉降。全国已形成区域地下水降落漏斗100多个，面积达15万平方公里，其中长江三角洲、华北平原和汾渭盆地最为严重，而在城市中上海市是受沉降危害最大的。

统计发现，在我国需要进行安全性变形监测的建筑物数量非常巨大，而且意义重大，直接关系到居民的生命财产安全，因此，在全国范围内大规模地推进建筑物的安全变形监测迫在眉睫，也是大势所趋。

3、北斗高精度定位技术的应用发展

北斗卫星导航定位系统（BeiDou Navigation Satellite Sys-tem，BDS）是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。北斗作为一种全新的、极具潜力的空间定位技术,在变形监测中得到了越来越广泛的应用和推广。

利用北斗高精度定位技术进行变形监测,与常规变形监测技术相比,其突出的优越性主要体现在以下几个方面:

（1）测站之间无需通视

利用北斗进行定位时,对测站间的通视情况不作要求,只要测站信号接收良好、点位易于保存即可,因此北斗监测网在选点时更加灵活、方便,避免了常规测量中观测过渡点和转点的工作量,减轻了劳动强度,提高了观测精度,测绘效益显著。

（2）全天候观测

北斗卫星星座由24颗卫星组成,均匀分布在6个轨道面上,在离地面1万2千公里的高空上,以12小时的周期环绕地球运行。因此北斗用户可在一天内在任意时刻、在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星,可全天候连续进行北斗定位测量,不受气候条件的影响,即使在风雪雨雾的天气中也能进行正常工作,大大提高了监测效率,减少了外业工作强度。

（3）自动化程度高

北斗接收机能自动跟踪锁定卫星信号,自动实时地接收数据,而且还为用户预留了必要的接口,便于结合计算机技术建立形成无人值守的自动化监测系统,从而实现数据从采集、传输、处理、分析、报警到入库的自动化和实时化,这对于长期连续运行的变形监测系统具有十分重要的意义,缩短了观测周期,大大降低了监测成本,提高监测资料的可靠性以及用户对变形的响应能力。

（4）高精度三维定位

采用传统测量方法进行变形监测时,平面位移和垂直位移需分别处理,且监测的点位和时间也可能不一致,从而增加了工作量,加大了变形分析的难度。而北斗可同时精确测定测站点的平面位置和大地高,即一次性获得高精度的测站点的三维坐标,实现了监测时域、空域的严格统一,对进一步数据处理和变形分析具有重要作用。

（5）减少系统误差的影响

变形监测主要是根据大量长期变形监测的观测数据,计算出变形监测点在不同周期中坐标数据之间的差值,即形变量,而对于变形监测点的三维坐标不做要求。在监测数据处理与分析过程中,某些共同系统误差可能会直接影响到不同周期变形监测点的坐标值,但对形变量的影响却不大。因此在变形监测中,可以采用一定的方法对系统误差进行消除或削弱,就能保证变形监测的精度,减少各种因素对变形监测结果的影响。

（6）抗干扰性能好、保密性强

利用北斗进行定位监测,实质是一种被动式导航定位,即用户设备不需要发射任何信号,只需单一地接收北斗卫星信号即可得到定位信息和导航数据。这种定位形式不仅可容纳用户数量多,而且隐蔽性好。此外,伪噪声码技术的应用使得数据的保密性和抗干扰性特别好。

（7）用大地高进行垂直变形观测

在日常生活及地形测量、工程测量中,需要的一般是正高或正常高,而在北斗定位中测定的只能是大地高, 通常情况下,大地水准面差距的精度不高,从而导致转换而来的正高或正常高的精度也较低。而在垂直位移监测中,只需要计算和表达高程相对变化量的大小,对本身的高程值要求不高,因而在高程沉降的垂直位移监测中,可直接使用北斗所测的大地高,有效保证了监测精度,避免高程系统在转换过程中精度的损失,完全可以满足变形监测的要求。

北斗作为一种全新的、极具潜力的空间定位技术，在变形监测中得到了越来越广泛的应用和推广，它具有测站之间无需通视、全天候观测、自动化程度高、高精度三维定位、系统误差小、抗干扰性能好、保密性强等特点，并可与其它传感器进行有效数据融合，基于北斗的建筑安全监测是完全可行的。

4、结语

随着经济的快速发展，沿海地区的高层和超高层建筑数量越来越大，老城区中旧建筑的健康状态越来越差，沉降和地震等地质灾害也越来越频繁。因此，对某些类别的建筑物进行长期连续的安全性监测是必不可少的，也是迫在眉睫的任务。而利用北斗卫星高精度定位技术对建筑物进行大规模的安全性变形监测是一种非常合适的方法，技术上也是可行的，市场前景非常广阔。

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