高层建筑沉降监测方案设计
第1章 绪 论 1.1概述 随着我国社会经济的高速发展，土地资源也变得日益紧张,为了更加充分的利用土地资源,高层建筑也就越来越多的出现在城市的各个角落。高层建筑的出现在一定层度上缓解了城市建设给土地资源带来的压力，但是高层建筑自身的巨大荷载会引...
- 作者：黄宗健来源：2014测绘学|2015年01月04日
第1章 绪 论
1.1概述
随着我国社会经济的高速发展，土地资源也变得日益紧张,为了更加充分的利用土地资源,高层建筑也就越来越多的出现在城市的各个角落。高层建筑的出现在一定层度上缓解了城市建设给土地资源带来的压力，但是高层建筑自身的巨大荷载会引起的均匀和不均匀沉降。这些现象的产生是否危害高层建筑及其附属设施的使用安全，也就成为了人们关注和研究的对象。
建筑物的沉降观测工作不是一次性的，它将贯穿于建筑物从施工到建成使用的整个过程，它对施工的重要性和建筑物本身使用的安全性是不言而喻的。因此，设计人员、施工人员、监理人员等等都应该对沉降观测工作高度重视。特别是进行沉降监测人员更应该意识到自己工作的重要性，在观测过程中应该抱着认真、负责、实事求是的态度。这样才能为高层建筑物的施工安全和使用安全保驾护航。
1.2高层建筑沉降观测的意义
由于高层建筑物其自身荷载极大,再加上施工地基的土质条件比较复杂，因此，对于高层建筑沉降监测的精度要求就极高。特别是在土质较软的地方，基础要深埋，基坑挖得就比较深,深度可达十几米甚至几十米。深基坑的开挖、桩基对周围土体的挤压,都会引起地基和周围建筑物的变形。从建筑物开始建设到建成运营这段时间内，随着建筑物荷载的增加，基础会发生沉降现象。基础的实际沉降量、水平位移、倾斜角度等是否满足设计要求，对建筑物的安全有何影响。这些都是投资单位、设计部门、建设部门特别关心的问题,为了解决这些问题，就必须进行沉降观测。
沉降观测已经成为高层建筑施工建设过程中必不可少的步骤，这在包括《建筑地基基础设计规范》(GBS0007一2002)在内的许多勘察设计规范中均有规定,除此之外建设部还专门制定和颁布了《建筑变形测量规程》(JGJ/T8-97)来作为变形观测的标准。根据建筑物对变形的敏感性和建筑的重要性规定了针对不同建筑物的测量等级。
综上所述,高层建筑的建设必须进行沉降观测,通过观测数据处理与分析,找出沉降发生的原因,并沉降趋势进行预测,及时地采取措施,确保施工建设的安全进行，保证建筑物的使用安全。通过对观测数据、工程地质、水文的分析,得出建筑物沉降的规律,再对建筑物的稳定性进行评价。
第2章 高层建筑沉降观测的技术分析
2.1概述
沉降是一种普遍的自然现象。它指外界的作用力或自身重力使变形体的空间位置发生了下沉、偏移、倾斜等自然现象。
建筑物的沉降并不一定就意味着灾难。在一定范围，沉降是不会造成危害的，只有当其超过规定上限时才会造成巨大破坏。在施工和运营期间,建筑物在多种主客观因素的作用下会发生沉降现象，如果沉降值超出了规定的限度,建筑物的一定程度的破坏,严重时会对建筑物造成巨大破坏,带来巨大的经济损失和安全隐患。通过对沉降数据分析发生沉降的原因,掌握沉降的规律，应用到以后的施工设计中去，降低沉降带来的危害，这就是进行沉降观测的目的。
变形监测分为内部监测和外部监测。外部监测的是变形体空间位置的变化,一般采用经纬仪、水准仪、全站仪等。现今，外部测量的相关技术已经相当成熟，能够相当精确的反应出建筑物的空间位置随时间和荷载变化产生变化的过程。内部变形观测包括对变形体结构内部的应力、应变、渗压以及伸缩缝等项目的监测,这就需要使用与之对应的专业仪器。内部变形监测容易实现自动化和连续观测，但只能反映变形体的局部形态变化。虽然内、外变形监测采用不同技术手段进行观测,但在对变形体进行变形分析和预报的时候，需要结合内、外资料才能得到更加精确的成果。
2.2.1沉降观测的精度指标
沉降监测的数据是确定施工方案和检核工程质量的重要依据，所以沉降观测必须能准确地反映建筑物的实际沉降的程度以及其沉降的趋势。建筑物的沉降程度是检验建筑设计方案是否合理以及建筑物质量的重要指标，所以，必须保证沉降观测的精确性。在选着观测方案和观测仪器以及观测人员的时候我们就必须严格把关。因此,确定一个合理的精度是相当重要的。
在制定变形监测方案时，首先要确定精度要求。怎样确定必须观测的精度，这不是一件容易的事，经过国内外学者的多次讨论。终于在1971年的国际测量工作者联合会（FIG）第十三届会议上提出：“如果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许的数值而确保建筑物的安全，则其观测的中误差应小于允许变形值得1/10～1/20；如果观测的目的是为了研究其变形过程，则其中误差应比这个数值小得多。”
2.2.2沉降观测周期的确定
沉降观测的周期数取决于沉降幅度的大小、沉降的速度以及观测的目的，并且与工程的规模大小、监测点数量的多少、位置以及观测一次所需要的时间的长短有关。某些与外界因素比价密切的观测项目，还必须结合外界自然条件的变化，如工程地质条件等因素综合考虑。当有多种原因使某一变形体产生变形时，我们分别以各种因素考虑观测周期后，以其最短的周期为观测周期。
在工程施工建设的初期，沉降的速度比较快，在设计观测周期的时候，应该将观测频率安排的高些，随着时间的推移和建筑物荷载停止增加，建筑物就慢慢地趋于稳定，这时就可以降低观测频率，但不能就此停止观测，必须要建筑物稳定之后才能停止观测。对于建筑物是否达到稳定期，相关规范上有着明确规定，一般情况下，如果建筑物的沉降速率小于0.01～0.04mm/d，我们就认为建筑物进入了稳定期，但具体取值个确定要根据建筑物所处的地质条件和对沉降的敏感性来确定。沉降观测的周期一般根据建设时间和建筑物的荷载增加来确定，一般是3天、7天、15天观测一次，或者每增加一层观测一次。还有一些特殊情况需要注意，比如工程建设中途停工的情况，要在停工时和开工前各进行一次观测。
及时地进行第一周期的观测具有极其重要的意义。因为延误初始观测量就有可能失去已经发生的变形资料，以后各周期的测量成果是与第一个周期的数据相比较的，所以应该特别重视第一次观测的时间与质量。
施工控制网、测量控制网、变形监测网统称为测量控制网。在测量控制网完成之后难免会有一些缺陷。为了使控制网的精度、灵敏度、和可靠性能最大，或者控制网的精度、灵敏度和可靠性能在一定的限制条件下能使精度最高，这就有必要对变形监测网进行优化设计。
监测网优化设计就是在现行技术条件和工程所处环境允许的前提下,通过一定的方法和步骤，找出最能满足精度要求和最节约成本的点位布设方案。对于变形监测网的质量评定，有以下三个指标：
1、变形监测网的可靠性；
2、变形监测网的分辨能力，即变形监测网的精度和灵敏度要能精确的反应变形体的形变状况；
3、布设变形监测网的成本。
变形监测网的优化设计就是一个求取的极大值或极小值的过程。它可以分为单目标设计和多目标设计。单目标设计即根据工程的需要，以一个目标为主，剩下的两个目标为约束条件，求取主要目标的极大值或极小值。多目标设计是指综合分析和考虑三个质量指标和设计需求得出三个指标的最优分配。单目标设计比较简单，只需在保证两个约束条件的前提下求出主要目标的极大值和极小值就可以了；而多目标优化设需要充分考虑各指标的重要性分配问题，然后才能得出结果。在目前的施工设计中，变形监测网的优化设计大多都是使用单目标设计。使目标设计优化变形监测网有三种模型:
(l)在保证变形监测网可靠性和分辨能力的前提下，使变形监测网的成本降到最低；
(2)在成本和可靠性满足一定的条件的前提下，使变形监测网的分辨能力最高；
(3)在成本和分辨能力满足一定条件的前提下,使变形监测网的可靠性最高。
2.2.4沉降观测点的布设要求
建筑物的水平监测和垂直监控制网对于建筑物的变形监测及其重要,需要经过一多次高精度的观测和对数据进行复杂的平差计算后才能确定。变形观测观测点的的点位变化是与基准点进行比较的,所以，要想得到观测点准确的位移量，就必须保证基准点的稳定性。因此,必须对基准点的稳定性进行严格的检验。
根据相关规范的规定：为了确保基准点高程的准确性和相互检核,基准点的数量应该大于等于三个。埋设水准点时必须将水准点埋设在变形体影响的范围以外。为了保证其稳定性，对不同地区的埋设要求也做了相关规定。为了保证观测精度，基准点与观测点距离应不超过100m。观测点应该均匀地布设在变形特征点上，这样才能反映建筑物的沉降情况。且相邻点之间的距离一般在15-30米之间。
2.2.5沉降观测数据整理
在沉降观测的过程中，要对每次观测的数据认真地进行记录，并画好沉降观测示意图。对此，有如下要求：
(l)在绘制沉降观测示意图的时候，应该准确的标注出观测点的位置和编号以及观测路线。
(2)沉降观测应采用标准的、统一的表格记性数据的记录。观测的数据必须经过测量员确认无误之后,方可进行记录,并且不能随意更改观测数据。对于观测数据，要如实地进行记录，不得根据自己的臆断更改数据。在沉降观测外业工作结束后,应对当次观测的数据进行整理，并将采集的外业原始数据导入到计算机上,在计算机上对水准网进行严密的平差计算。得出观测成果。
(3)每次沉降观测结束后，应及时地将整理出的成果反馈给施单位、监理单位以及设计单位,以便其对施工过程作出相应调整。当观测值达到或超过预警值时应马上发出预警通知,不得拖延；
(4)在全部观测工作和数据处理工作结束后,应提交数据成果，包括: 沉降观测技术报告书、基准点及沉降观测点布设平面图、沉降观测点沉降一荷载一时间曲线图、沉降观测成果汇总表。
沉降观测工作需要严格按照相关规范和技术设计书的要求进行。在观测过程之中，有许多需要注意的地方，比如，在进行首次沉降观测的时候，我们在必须确保基准点和观测点稳固之后才能进行。高层建筑物一般都会有一层或数层地下结构,首次观测应该在基础上埋设临时沉降观测点，在临时观测点稳固后开始测量。
以后各次沉降观测的数据都将与首次观测的数据进行比较和计算。可以说，首次观测的数据是今后进行数据计算的基础，所以对于首次观测就需要较高的精度要求。因此，我们在进行首次沉降观测的时候，必须严格按照沉降观测的步奏和操作要求进行观测。
随着建筑物荷载的增加，我们沉降观测工作应该持续进行。主体封顶以后，并不意味着沉降观测工作的结束，沉降观测工作仍应该继续进行，因为主体虽然完工了，但是建筑还在进行内部装饰，其荷载仍然在不断增加，所以沉降观测必须继续进行，直至建筑物稳定以后沉降观测工作才算完成。一般情况下，若沉降速度小于 0.01～0.04mm/d，我们则认为建筑物进入稳定时期。
在进行观测的时候，我们必须严格按照沉降观测的操作规范来进行，只有这样才能保证数据的精度。在进行观测的时候有以下几点需要注意的：
（1）在进行沉降观测的时候,尽量使用同一把标尺进行前后视观测；
（2）在观测之前，最好确定一条固定的观测路线，以后的观测就按这条路线进行,在今后的观测中，最好不要换用仪器,观测工作也要由同一个人完成；
（3） 观测的时候应该严格按测量规范的要求施测；
（4） 观测环境也是相当重要的，观测时要尽量避免温度突增和强光直射等情况,且各次观测环境最好保持相同。
（5） 观测过程中，要注意后视距差和前后视距累积差的变化，不能超出规定的限制；
（6） 每次观测必须要在成像清晰、仪器数据显示稳定之后才能读数；
（7） 每次观测要在规定的时间段内完成,观测过程要一气呵成；
（8）每次所观测沉降成果要进行及时的处理，并反馈给有关部门。
第4章 数据处理与分析
在进行完沉降观测以后，需要对观测所得的数据进行及时的、统一的处理。本工程的数据处理我们主要使用的是科傻数据处理软件。其具体操作步奏如下：
1、将数据从仪器之中导出；
2、对导出的数据进行处理，将原来的.mdt格式转换为软件能够识别的.in1格式，以便进行计算。其具体操作为：首先，将导出的数据文件用记事本打开，然后将里面的数据复制出来，并将其张贴到ZDL700数据计算表格里面，将其格式转换为.in1格式。
3、将转换好的.in1格式的文件在记事本中打开，设置好起始点的高程，并将多余数据删除。
4、打开科傻平差软件选着菜单栏上的工具按钮-闭合差计算-高程网，然后导入转换好的数据文件，再点击打开，就能得到闭合差的计算成果。计算完闭合差以后，还需要进行平差计算。其步奏如下：选择菜单栏的平差按钮-高程网，然后导入数据，计算得出成果。最后是打印报表，步奏如下：报表-平差结果-高程网，然后导入数据，得出成果。
5、在完成平差计算以后，需要将计算出的成果编入Excel表格，并且绘制出时间与沉降量关系曲线图。
6、 分析数据成果：根据现有的观测数据，分析得出建筑物沉降的具体情况，并对其趋势做出预测，最后将所得的成果提供给施工单位。
第5章 展望
随着科学技术的不断发展，测量仪器和测量技术也在随着科学的发展而不断进步，电子数字水准仪的出现定会代替了光学水准仪；测量机器人的出现，是测量实现了自动化。我相信随着科学技术的发展，各种新技术的不蹲涌现，我们将会用上更先进的仪器。沉降观测方法也越来越完善、精确，为建筑物安全的预测提供更加精确的数据。比如，在进行数据处理的时候，各种新的数据处理软件的使用，可以大大地减少人员的工作量。我相信，在将来的某一天，沉降观测工作必然会实现自动化和智能化。
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