高层建筑物垂直变形观测及

高层建筑物垂直变形观测及

数据处理方法研究

作者：邵丽敏

单位名称：大庆油田建设集团有限责任公司安装公司

2006年12月

高层建筑物垂直变形观测及

数据处理方法研究

邵丽敏

大庆油田建设集团有限责任公司安装公司第四工程处

[摘要]该论文结合具体工程（石油大学新图书馆的沉降观测工程），阐述了有关沉降观测过程中技术方案问题的确定及实施，并计算出绝对沉降值、累计沉降值，绘制沉降量—时间曲线、沉降等值线、三维模型透视图。

[关键词]变形观测；变形分析；数据处理

0 前言

随着我国社会经济的发展，高大建筑物日益增多，由于各种因素的影响，在这些工程建筑物及其设备的运营过程中，都会产生变形。这种变形在一定限度内，应认为是正常的现象，但如果超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全。因此，在建筑物的施工和运营期间，必须对它们进行变形观测。为了监视建筑物在施工的过程和使用中的安全，需在施工过程及使用过程中对其进行变形观测；另一方面，为了进行科学研究以及为以后的地基基础设计提供

一些经验数据，也需要对建筑物进行变形观测。建筑物的变形监测内容一般有沉降观测、位移监测和倾斜变形监测等等，而建筑物的倾斜、裂缝等情况往往是由建筑物不均匀沉降引起的，这就要求对建筑物尤其是对高层建筑物进行沉降观测。通过变形监测，对所得到的变形观测数据进行分析，从而对建筑物的运营状态进行判断，当发现不正常状况时，需及时对其进行分析，找出原因并采取措施，以保证建筑施工及使用的安全。

1 沉降观测的技术方案

变形监测方案的制定必须建立在对工程场地的地质条件、施工方案、施工周围环境详尽的调查了解基础之上，同时还需与工程建设单位、施工单位、监理单位、设计单位以及有关部门进行协调。由于变形监测方案的制定将影响到观测的成本，成果的精度和可靠性，因此，应当认真、全面地考虑[1]。

一般地，变形监测方案制定的主要内容有：

1)监测内容的确定；

2)监测方法、仪器和监测精度的确定；

3)施测部位和测点布臵的确定；

4)监测周期（频率）的确定。

监测内容的确定主要根据监测工程的性质和要求，在收集

和阅读工程地质勘查报告、施工组织计划的基础上，根据施工周围的环境确定变形监测的内容。

1.1 基准网的设计

在现场踏勘的基础上,在远离工程变形区域外，选择1个水准基点A，另外埋设3个工作水准基点J0、J1、J2，工作基点布设成闭合环，按技术要求，定期对1个基准点，3个工作水准点进行联测，根据观测成果选其中比较稳定的点为起算基点以便检查其稳定性。水准基点的观测等级按“垂直位移监测网的主要技术要求”中的二等技术要求施测。

1.2 变形监测的精度及频率的确定

1997年国际测量工作者联合会第十三届会议上工程测量组提出变形观测的要求：如果观测是为了监测建筑物的安全，其观测中误差应小于容许变形值的1/10～1/20[2]；如果观测是为了研究变形的过程，则其中误差比上述数值小得多。根据这一原则，通常采用“以当时可能达到的最高精度”确定变形观测精度。而B．H甘申等人在其所著的《建筑物垂直位移的观测与水准标石稳定性分析》一书曾提出，在不同情况下测定建筑物沉降容许误差，对于岩石和半岩石地基为 1 mm，对于砂土、粘土及其它压缩性土地基为2mm,对于填充土、下陷土、

泥岩土及其它高压缩性土地基为5mm。则相应的沉降观测中误差分布为0.5mm、1.0mm和2.5mm。

参考以上方法，本工程沉降观测精度可确定为沉降点中最弱点高程中误差〈1mm。

根据有关规定，沉降观测的时间和次数，应与建筑工程规定的各施工阶段日期相配合。具体规定为：

工程施工期间，每增加一层，观测一次；特殊情况下，可根据工程需要适当增加观测次数。全部竣工（荷载传达到基础）后，做一次沉降检核，并给出沉降结论。

1.3 水准测量技术要求及使用仪器设备

为了满足所设定的精度要求，本监测工作选用N3精密水准仪及配套的铟钢水准尺进行观测。且观测前需对仪器进行检较，各项指标应符合《规范》要求，实施时定人、定仪器，每期观测路线相同。

基准网按国家I等水准测量的标准实施；从工作点对沉降点的观测采用国家II等水准测量的要求实测。I、II等水准测量各项技术要求见表1。

表1 I、II等水准测量各项技术要求

所用仪器设备

1.4 沉降观测方法

建筑物垂直位移观测是测定地基和建筑物本身在垂直方向上的位移。它应该在基坑开挖之前开始进行，而贯穿于整个施工过程中，并继续到建成后若干年，直至沉陷现象基本停止。垂直位移的观测方法主要是精密水准测量。

该工程就是采用精密水准仪，按二等水准测量操作规定进行施

测。由于沉陷观测贯穿于整个工程的始末，所以受施工干扰大。

水平位移观测的任务是测定建筑物在平面位臵上随时间变化的移动量。当要测定某大型建筑物的水平位移时，可以根据建筑物的形状和大小，布设各种形式的控制网进行水平位移观测，当要测定建筑物在某一特定方向上的位移量时，这时可以在垂直于待测定的方向上建立一条基准线，定期地测量观测标志偏离基线的距离，就可以了解建筑物的水平位移情况。水平位移观测一般有以下几种方法：基准线法、角度前方交会法、角度后方交会。

此外，建筑物水平位移观测方法还包括近景摄影测量、GPS 卫星定位测量。

用地面摄影测量方法测定工程建筑物、构筑物、滑坡体等（以下称为变形体）的变形就是在变形体周围选择稳定的点，在这些点上安臵摄影机，并对变形体进行摄影，然后通过内业量测和数据处理得到变形体上目标点的二维或三维坐标，比较不同时刻目标点的坐标得到它们的位移。用地面摄影测量进行变形观测有两种基本的方法：一种是固定摄站的时间基线法（或称伪视差法）；另一种是立体摄影测量法。时间基线法是把两个不同时刻所拍像片作为立体相对，量测同一目标像点的

左右和上下视差，这些视差乘上像片比例尺既为目标点的位移。这种方法仅能测定变形体的二维变形，不能获得目标点沿摄影机主光轴方向的位移。立体摄影是在两个或两个以上测站对变形体进行摄影，构成立体像对，然后通过内业处理得到目标点的三维坐标。

在变形监测方面，与传统方法相比较，GPS定位技术具有观测不受气候条件限制、测站间无需保持通视、可同时测定点的三维位移及自动化程度高等优点外，利用GPS和计算机技术、数据通讯技术及数据处理与分析技术进行集成，可实现从数据采集、传输、管理到变形分析及预报的自动化，达到远程在线网络实时监控的目的。因而它为小范围、短距离、高精度的工程建筑物的变形监测提供了一种新的有效手段[3]。在目前，GPS 应用于变形监测的研究有以下方面：GPS用于大坝变形监测，主要研究其应用的可能性及应用中应采取的措施[4]；GPS应用于变形监测的优缺点以及长期连续监测和间断复测的监测模式；GPS变形监测中数据处理方法的研究；利用卡尔曼滤波对GPS变形监测数据的处理等等。

1.5 沉降点布设

观测点的布设是沉降观测工作中一个很重要的环节，观测

点布设的优劣直接影响到观测数据能否反映出建筑物的整体沉降趋势和局部及局部间的沉降特点。因此，在沉降观测工作中，观测点的布设是一个很重要的环节。

在观测点布设之前，应先收集资料，熟读图纸，对建筑结构、施工现场、工程进度等有一个全面细致的了解，然后遵循以下原则和步骤进行选点。观测点的布设原则是：从整体到局部；先设计后实施[5]。即，先选取能控制住整体建筑物的点位，后根据局部特征调节、加密；先在图纸上规划、设计，然后到实地踏勘、对照、修改、确定、埋设。观测点的布设步骤[6]是：(1)选取作业场地；(2)布设整体网观测点；(3)布设局部特征点。

沉降点的布设以石油大学测绘工程教研室所设计的32个沉降点（R1～R32）为准。沉降点的分布情况如图（1）所示。

1.6 作业依据

（1）执行国家测绘局1974年6月发布的《国家水准测量规范》；

（2）参照国家城乡建设保护部标准《城市测量规范》（GBJ-85）；

（3）参照中华人民共和国国家标准《工程测量规范》（GB50026-93）；

（4）参照国家测绘局1987年05月26日发布的《水准测

量电子记录规定》（ZBA-76005-87）；

（5）参照国家测绘局1989年03月23日发布的《测绘技术设计规定》（ZBA-75001-89）；

2. 沉降观测资料的整理

对石油大学新图书馆进行沉降观测得到前20个点的7期数据和后12个点的4期数据，对它们进行整理，得到下面三个沉降观测记录表。

3 沉降观测资料的分析

对沉降观测资料进行分析，可以绘制出沉降值—时间曲线、沉降等值线和三维模型透视图。使用Surfer 8.0 可以绘制出沉降等值线和三维模型透视图。

Surfer的主要功能是绘制等高线图（contour map），此外它还可以绘制post map， classed post map， vector map，image map， wireframe map， 3d surface map，等形式的图形。其功能是比较强的，但没有各种投影变化是它的一大缺点。

尤其是在等高线领域，这不能不说是它的应用受到限制的地方。Golden Software Surfer 8.0是一款画三维图的软件，该软件简单易学，可以在几分钟内学会主要内容，且其自带的英文帮助（help菜单）对如何使用Surfer解释的很详细，其中的tutorial教程更是清晰的介绍了Surfer的简单应用，应该说Surfer软件自带的帮助文件是相当完美且容易阅读的,只要学过英语的人都可以很快上手。

3.1 沉降—时间曲线

由沉降观测数据资料可以绘制下面的沉降值—时间曲线图，图（2）中只绘制出点R1至R7七个点的沉降—时间曲线。

3.2 沉降等值线

用surfer绘制的最后一次观测数据的等值线和累计沉降值的等值线分别如图（3）和图(4)所示。

3.3 三维模型透视图

4 结论

整个观测时间历时50天，通过观测结果分析，本楼整体沉降基本均匀。对沉降量数据、沉降等值线和沉降三维模型透视图进行分析，可以得到沉降观测点沉降变化规律，北轴线各点累计沉降量基本均匀, 东西两边沉降点累计沉降量相对较小, 中部、南部沉降点的沉降量相对较大，例如中部的沉降点R7和南部的沉降点R23和R26的沉降值都相对较大。

参考文献：

[1] 黄声享，尹晖，蒋征.变形监测数据处理.武汉大学出

版社. 2002.11.

[2] 李青月，陈永奇.工程测量学.测绘出版社. 1993.10.

[3] 张小红，李征航，徐绍铨.高精度GPS形变监测的新方法及模型研究. 武汉大学学报〃信息科学版. 2001.10,26(5).

[4] 李征航，刘志赵，王泽民.利用GPS定位技术进行大坝变形观测的研究.武汉水利电力大学学报.1996,29(6):26～29.

[5] 王建中，赵志海，义和胜，曲小军.山西国贸中心大楼沉降观测实践与分析. 三晋测绘. 2003，10(4).

[6] 黄振杰.高程建筑物沉降观测点的布设.测绘通报.2002,第2期:22～23.