超高層建筑物變形檢測技術(shù)在保利琶洲眼項目中的應(yīng)用

王齊林，宿勇軍

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

隨著國內(nèi)城市建設(shè)的發(fā)展，涌現(xiàn)出許多地標性建筑物，在高度和建造規(guī)模上你追我趕，如何對超高層建筑物進行有效的變形檢測和第三方施工檢測成為各個測繪單位需要突破的技術(shù)難點。超高層建筑物第三方檢測的主要內(nèi)容包括：控制點檢測、軸線檢測、核心筒和電梯井偏差檢測、垂直度測量、高程檢測和地面沉降監(jiān)測等，在廣州保利琶洲眼項目中主要利用測量機器人，激光垂準儀和CCD相機系統(tǒng)等多種測量手段實現(xiàn)對超高層建筑物的檢測工作，獲得了超高層建筑物核心筒垂直度變化趨勢、電梯井偏差和塔體48小時動態(tài)擺動軌跡等成果，實踐證明各種設(shè)備在檢測工作中能有效地反映建筑物的變形情況，并能對施工質(zhì)量進行全過程監(jiān)督，保障了超高層建筑物結(jié)構(gòu)的安全健康，掌握其變形規(guī)律。

2 多種測量手段在超高層建筑變形檢測中的應(yīng)用

超高層建筑的施工環(huán)境復(fù)雜多變，傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法和設(shè)備很難滿足超高層建筑變形檢測的需要，故有必要采用新的技術(shù)手段建立一套切實可行的超高層建筑施工監(jiān)測體系[1]。傳統(tǒng)的超高層建筑對各層的施工質(zhì)量監(jiān)測工作還是通過核心筒預(yù)留孔來量取墻體厚度，進而實現(xiàn)對施工質(zhì)量的監(jiān)測，這種手段不能全面反映超高層建筑的施工質(zhì)量，本項目采用激光垂準儀和測量機器人相結(jié)合的方式實現(xiàn)了毫米級的控制點投遞，對各層核心筒及其中心點的偏差進行測量，準確反映超高層建筑的施工質(zhì)量；傳統(tǒng)的超高層建筑物變形監(jiān)測主要通過安裝在外部基準點的全站儀對變形體上的目標點進行監(jiān)測，從而得到變形體的水平位移情況，其受到觀測間隔和人員安排的限制，只能得到變形體的離散變形軌跡，無法反映超高層建筑物的動態(tài)實時變化規(guī)律，本項目采用CCD相機監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對塔體擺動的動態(tài)特性監(jiān)測。

2.1 利用激光垂準儀實現(xiàn)控制點的高精度傳遞

控制點投遞一直是超高層建筑物施工監(jiān)測的難點，琶洲眼項目第三方監(jiān)測方案中施工控制網(wǎng)需要從首層分段向上傳遞，具體做法是每隔10層設(shè)置1個轉(zhuǎn)換層，借助高精度的激光垂準儀向上投點，將首層的施工控制網(wǎng)(包括內(nèi)控制網(wǎng)和外控制網(wǎng))在轉(zhuǎn)換層之間分段進行傳遞引測，從而進行分段控制，控制點投遞誤差就成了影響控制網(wǎng)精度的重要因素，因此在施工監(jiān)測中需要盡可能地減少投遞誤差[2]。本項目采用標稱精度1/200000的激光垂準儀。

由儀器標稱精度計算每50 m傳遞理論誤差為：

m儀=50×1000/200000=0.25 mm

對中誤差和人工描點誤差可以估算為：

m對中=m描點=1 mm

因此每次投點誤差：

2.2 測量機器人在第三方監(jiān)測中的應(yīng)用

2.3 基于CCD相機的超高層建筑動態(tài)特性監(jiān)測與分析

超高層建筑物塔體受日照、地球自轉(zhuǎn)、風(fēng)力、溫差等多種動態(tài)因素的影響較大，處于不斷運動的狀態(tài)[3]。為了分析塔體的運動規(guī)律從而保證施工以及后期運營階段的建筑安全，本項目采用CCD相機進行48小時不間斷的塔體動態(tài)特性監(jiān)測并分析出了在外部環(huán)境等多種動態(tài)因素作用下的塔體運動規(guī)律[4]。

CCD相機動態(tài)檢測系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分包括激光垂準儀、接收靶及工業(yè)相機等；軟件部分包含了光環(huán)中心自動提取軟件與數(shù)據(jù)處理軟件(圖1)。

圖1 CCD系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

在施工現(xiàn)場選取內(nèi)控點的預(yù)留孔作為激光傳遞路徑，激光垂準儀安裝固定在起始樓層，接收筒(包含攝像機、接收靶)安裝在觀測樓層對應(yīng)的孔洞上，并使激光垂準儀的光斑落在接收靶的中間區(qū)域，連接電腦進行數(shù)據(jù)接收處理，可即時獲取激光束中心位置，并通過用戶界面控件實時顯示光斑的相對位移量，通過連續(xù)觀測即可獲得高層建筑物結(jié)構(gòu)的運動軌跡和變化規(guī)律，杜絕了人工讀取激光點位偏移產(chǎn)生的觀測誤差，實現(xiàn)變形檢測數(shù)據(jù)錄入的自動化。

3 利用測量機器人和激光垂準儀對保利琶洲眼核心筒的變形檢測

保利琶洲眼項目酒店主塔樓38層，建筑高度約為 200 m，辦公主塔樓60層，建筑高度約為 310 m，項目屬于超高層建筑范疇，易受到諸如日照、風(fēng)力、荷載、地質(zhì)等因素的影響，對施工質(zhì)量和施工安全有極高要求。超高層建筑物的核心筒能有效反映整個建筑物的垂向偏差情況，本項目采用測量機器人和激光垂準儀實現(xiàn)了對保利琶洲眼項目核心筒的全過程檢測。核心筒施工時，每施工到一定高度時，必須做控制點測量轉(zhuǎn)換[7]，轉(zhuǎn)換高度控制在 50 m左右(圖2)，采用激光垂準儀垂直投測。

圖2 各轉(zhuǎn)換層高度

內(nèi)筒控制點和外筒控制點是軸線檢測、核心筒和電梯井偏差檢測的基準，在控制點投遞到轉(zhuǎn)換層后要利用測量機器人聯(lián)測所有投遞的控制點，檢核控制點之間的內(nèi)符合精度，在施工平臺抬升至轉(zhuǎn)換層時利用GPS測量法檢核控制點的外符合精度[3]。保利琶洲眼項目內(nèi)外控制點的內(nèi)符合檢測導(dǎo)線按照一級導(dǎo)線要求布設(shè)，先驗單位權(quán)中誤差為5.00″，各層內(nèi)符合導(dǎo)線的精度如表1所示：

控制點內(nèi)符合精度統(tǒng)計結(jié)果 表1

控制點投點并檢測完畢后，需要對超高層建筑物的核心筒偏差、垂直度進行測量。首先在樓層中布設(shè)一級導(dǎo)線，以激光垂準儀投遞的控制點作為起算點，采用測量機器人觀測，以保證導(dǎo)線相對精度優(yōu)于 1/15000，然后在一級導(dǎo)線點上架設(shè)全站儀免棱鏡測量核心筒壁的碎步點，通過這些碎步點可以獲取建筑物核心筒的偏差情況和計算垂直度。

各層的垂直度Kj計算公式如下：

上式中，Sj為按靜力矩法計算該層(如第j層)實測中心與設(shè)計中心的偏心差，Hj為j層相對于地面的總高度。

考慮到全站儀采集碎部點的高度對垂直度的影響，在計算總垂直度Kj時，將該高度與j層樓板相對于地面的總高度之和作為Hj參與垂直度計算[5]。圖3為保利琶洲眼C-1棟酒店核心筒垂直度分布圖。

圖3 C-1棟酒店垂直度分布圖

4 基于CCD相機系統(tǒng)的保利琶洲眼塔體動態(tài)特性監(jiān)測與分析

受日照、地球自轉(zhuǎn)、風(fēng)力、溫差等多種動態(tài)因素的影響，保利琶洲眼主塔樓處于周期性的偏擺運動狀態(tài)[6](如圖4所示)，這種動態(tài)特性直接影響控制點向上投點的準確性，為此本項目引進了一套CCD相機系統(tǒng)(圖5)對主塔樓進行了分階段的48小時連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測成果分析總結(jié)出了該超高層塔體的擺動規(guī)律。

圖4 塔體擺動對激光投點的影響

圖5 CCD系統(tǒng)接收裝置及用戶操作界面

在保利琶洲眼項目辦公樓42層～59層采用CCD系統(tǒng)對塔體進行48小時動態(tài)特性監(jiān)測，獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)后剔除其中的噪聲，并采用多項式、傅立葉變換等數(shù)學(xué)方法進行擬合和分析，獲得了X坐標(東西方向)和Y坐標(南北方向)變化曲線(如圖6、圖7所示)。

利用擬合后X坐標、Y坐標數(shù)據(jù)繪制點位軌跡如圖8所示：

由圖8可知塔體59層相對于42層在東西方向相對中心位置最大偏移量約為 0.65 mm，在南北方向相對中心位置最大偏移量約為 1.15 mm。由于激光投點的光斑半徑與樓層高差的正相關(guān)性，為了避免光斑發(fā)散影響CCD系統(tǒng)對光斑軌跡的識別，本項目采用分階段的48小時動態(tài)監(jiān)測方式，在已完成的40層相對于21層的CCD系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)中顯示塔體在東西方向相對中心位置最大偏移量約為 0.18 mm，在南北方向相對中心位置最大偏移量約為 0.65 mm，綜合儀器識別誤差和測量系統(tǒng)誤差，以上偏移量均在合理范圍內(nèi)，塔體自身的擺動對投遞后的控制點使用不會產(chǎn)生影響[7]，另一方面通過48小時的動態(tài)監(jiān)測我們掌握了該超高層建筑塔體的擺動規(guī)律，為后期運營階段的變形監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[8]。

圖6辦公樓42層～59層CCD系統(tǒng)監(jiān)測軌跡擬合后X坐標變化曲線圖

圖7 辦公樓42層～59層CCD系統(tǒng)監(jiān)測軌跡擬合后Y坐標變化曲線圖

圖8 辦公樓42層～59層CCD系統(tǒng)監(jiān)測軌跡周日點位變化曲線圖

5 結(jié) 語

本文以廣州市保利琶洲眼項目為例，綜合應(yīng)用測量機器人，激光垂準儀，CCD相機動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等技術(shù)手段對超高層建筑物的結(jié)構(gòu)健康進行全過程檢測，并在施工階段提前介入超高層建筑物的檢測中，對建筑物的施工質(zhì)量進行第三方監(jiān)督，保證了超高層建筑物的施工質(zhì)量安全，掌握了建筑物的變形規(guī)律，為建筑物竣工后運營階段的變形檢測工作提供了技術(shù)保障和理論基礎(chǔ)，解決了超高層建筑物的控制點投遞，核心筒垂直度測量和超高層建筑物核心筒擺動規(guī)律監(jiān)測等技術(shù)難點，集成多種測量手段構(gòu)建超高層建筑物變形檢測體系，對超高層建筑物的結(jié)構(gòu)健康檢測工作具有借鑒意義，在建筑物質(zhì)量檢測市場中具有較好的應(yīng)用前景。