高层建筑物的倾斜观测方法探讨
2015-09-01余新梅山西省勘察设计研究院山西太原030013
□ 余新梅（山西省勘察设计研究院，山西太原030013）
高层建筑物的倾斜观测方法探讨
□余新梅
（山西省勘察设计研究院，山西太原030013）
随着社会的进步，高层建筑越来越多，对高层建筑的质量、技术、施工及运营期间的安全提出了更高的要求。本文以某高层建筑物为例，从建筑物的参数以及所使用的仪器软件，技术原理，作业方法、数据处理分析等方面介绍了倾斜观测的方法，对建筑物进行了简单的评价。
高层建筑物；建筑物参数；倾斜观测原理；作业方法
随着我国土地资源越来越稀缺，为了节约土地资源，提高土地利用效率，目前在大中城市民用建筑领域，已开始限制低层民用建筑的审批，取而代之的是高层建筑，而高层建筑面临的问题是施工难度大，隐患多。目前，在高层建筑物中出现倾斜问题就是一个非常严重的问题，直接影响建筑物的耐用年限，影响建筑物的质量。因此必须对高层建筑进行倾斜观测，这已成为高层建筑物施工和运营过程中的一个常态性的工作。本文针对某小区1#楼主体建筑物进行一次倾斜观测。
1.任务概况
1.1目的与任务
为查明建筑物倾斜状态是否满足有关规范要求，受某单位的委托，对某小区1#楼建筑物进行一次倾斜观测。
1.2建筑物参数
某小区1#楼具体参数如下：长约84米，宽约17米，北面25层，南面26层，其中北面底下2层为商铺。
1.3工作量
对某小区1#楼布设倾斜观测点34个，进行了1次倾斜观测。
1.4所使用的仪器
本次建筑物主体倾斜观测使用Ⅰ级全站仪进行观测，型号：索佳NET05X，技术规格：测角0.5″，300米免棱镜观测。
2.观测依据
（1）《工程测量规范》GB50026-2007
（2）《建筑变形测量规范》JGJ8-2007
（3）《本工程合同》
（4）相关图纸
3.测量技术方案
3.1建筑物主体倾斜观测常用原理
建筑物主体倾斜观测，是测定建筑物房角的顶部、底部的相对偏移量（称为倾斜量e）。其基本原理如图1所示，O为底部，O/点为对应顶部观测点的投影点，A、B为测站点，AO，BO大致（目估）垂直且应大于建筑物高度的1.5倍。分别测出两小角∠OAO/，∠OBO/和距离AO、BO，可求得垂直方向上顶部观测点的相对偏移量a，b进而求得建筑物的倾斜量。
图1 常用观测方法示意
3.2建筑物主体倾斜观测常用原理存在的问题
（1）居民区建筑稠密，要在所测建筑物周围选择两条与顶底部观测点都通视且相互垂直的方向线，比较困难。
（2）观测方向不垂直，目估使AO，BO大致垂直，有时会有相当大的误差，这种误差对观测结果会产生多大的影响，进行探讨。
3.3倾斜观测的通用原理及准确度分析
（1）观测方向不垂直时倾斜量的计算
图2 倾斜方向与观测方向关系图
如图2，O，O/和AO，BO含义同前，是分别与B1O，A1O垂直的方向。这里A1O，B1O也可作为观测方向，表示两观测方向夹角小于90o的情形，而AO，BO则表示夹角大于90o的情形。AO，BO，A1O，B1O这4条方向线将投影平面分成8个区域，O/可能位于这4条线 (8个方向)上或是这8个区域内，共有16种可能。再考虑观测方向还可能是AO，BO或A1O，B1O两种可能，因此，通用方法应考虑到32种可能。设AO，BO对应（1）～（16）种，A1O，B1O对应（17）～（32）种。按每种可能情况作图(如图3，限于篇幅及推导过程类似，这里仅绘出其中两种)，图3中a1，b1为观测方向上的偏移量，为a，b两方向线间的锐角，θ为两观测方向的夹角，其他字母含义同前。根据观测求得的与观测方向垂直的方向上的偏移量a，b便可推算出观测方向上的偏移量a1，b1。全部32种可能情形的计算结果列于表1中，其中(3)、(4)分别与图3对应。
图3 观测方向上偏移量推导示意图
设a，b在O点的水平夹角为β，β＞90°时
表1 观测方向上偏移量计算表达式表
式(6)即为计算建筑物倾斜量的通用公式。同时，还可利用a，a1或b，b1计算出e与AO或BO间的夹角以表示倾斜方向。使用该式时应注意：①其中的“±”号，当β＞900时取“+”，反之取“-”；②当a=0或b=0时，以a1，b1代替a，b进行计算。
（2）观测方向间的夹角θ对倾斜量e的影响1)了解的观测误差对 e的影响程度，因mα=mθ，也就是了解θ具有多大的观测误差时对e不会具有明显影响；
由式（6）求微分，并应用误差传播定律可得：
其中，“±”号含义同上。（7）式可以看出me与mα、a、b、e、大小有关。如果me≤1mm即认为mα对e无明显的影响，根据式（7），对不同的a计算出mα的限差列于表2（这里a=b=10cm）。
表2 me=1mm时ma(mθ)随不同a的变化情况
由表2可知，对（或说θ）的观测精度要求，随夹角的变化是极不平衡的，但大多数情况下都是很低的，一般为几分、几十分甚至几度。进一步分析计算表明，只有在θ接近0°或180°情况下，其观测精度要求有时会高于1/。
2）在常用方法中，目估使两方向垂直可以容许有多大的近视程度，也即θ在90°附近多大范围内变化时其倾斜观测结果与θ=90°时相差不会过大。
现给出a、b、的一些不同值，由式（6）计算相应的e值列于表3中=90°的值与其它e值，可得目估θ产生的误差对倾斜量e的影响。
表3 观测方向的夹角与倾斜量的关系
由表3可知：①β＞900时要求θ估值精度高；②a、b相差越小要求θ估值精度越高；③进一步的实例还证明，a、b值越大，要求θ估值精度越高；④a、b相差较大且β＜900时，对θ要求精度较低。
若假定e值改变5mm实际上可以接受。当a，b较大且a≈b时，则要求θ估值与900之差不大于50。可见，这种条件下目估使两观测方向垂直是很难满足要求的，尤其在β＞900时更是如此。β＜900且a，b相差较大时，对θ的估值精度要求较低，目估基本上能满足要求。但在观测之前β，a，b的大小未知，是无法一次性做出这种判断的，需要对θ角进行测量,保证θ角的精度。θ的观测精度要求很低，一般很容易做到。当两测站A，B通视时，可在观测偏移量a，b的同时观测r1，r2而求得；当两测站不通视时，可临时选择若干点观测各转角而求得(如图4)。
图4 通用观测方法外业布置
4.建筑物主体倾斜观测
4.1作业方法
4.1.1观测方法
采用测水平角法进行建筑物主体倾斜观测。观测方法如下图所示：
如上图，第一步：分别测出两小角∠OAOˊ，∠OBOˊ和距离AO，BO，可求得两垂直方向上顶部观测点的相对偏移量a，b；第二步：观测水平角r1，r2（如A、B两点不通视时，还要测出r3，r4等等），算得θ值。第三步：根据a，b值，可由式（1）—式（4）求得β，第四步：由下式
求得倾斜量。
4.1.2点位布设原则
依据《建筑变形测量规范》规定：对于一次性倾斜观测项目，观测点标志可采用标记形式或直接利用符合位置与照准要求的建筑特征部位，测站点可采用小标石或临时性标志。
（1）测站点布设原则
依据《建筑变形测量规范》规定：当从建筑物外部观测时，测站点的点位应选在与倾斜方向成正交的方向线上距照准目标1.5～2.0倍目标高度的固定位置。本次所有观测点位均选在大于1.5倍楼高的小区部位，使用钢钉作为临时性测站点标志。
（2）观测点布设原则
本次观测选建筑物的四个角的大转角线与地面的交点为4个底部观测点（西北角、东北角、东南角、西南角依次标记为O1、O2、O3、O4）；然后从每个底部观测点往上每3层选取一个上部观测点（如O4底部观测点，其对应的上部观测点分别取第3层、第6层、第9层等作为上层观测点O31、O32、O33、……O3n），每个观测点观测2个测回（水平角观测、距离观测）。
测站点、观测点布设位置见下图。
观测点布置示意图
4.1.3某小区1#楼观测点位布设
根据二期初设测算，水库多年平均淤积量为10.6万m3，到2020水平年，水库淤积库容为521万m3。淤积库容的增大使水库有效库容逐渐减小，兴利库容与防洪库容都会相应减小，兴利、防洪会受到很大影响。
本建筑物北面25层，南面26层；其北面底下2层为商铺，我们选取西北角和东北角第3层特征部位作为底部观测点O1、O2，选取东南角和西南角的底部作为底部观测点O3、O4。所有观测点位置如下表所示。
底部 3 6 9 12 15 18 21 24 25/26西北角 O1 O11 O12O13O14O15O16O17 O18东北角 O2 O21O22O23O24O25O26O27 O28东南角 O3O31O32O33O34O35O36O37O38 O39西南角 O4O41O42O43O44O45O46O47O48 O49层数部位
4.2观测精度要求
4.2.1观测级别
综合考虑建筑物用途、等级、结构、层数及地基基础的设计等级，
本工程位移观测的级别定为：《建筑变形测量规范》中三级位移观测。
变形测量级别沉降观测 位移观测主要适用范围观测点测站高差中误差（mm）观测点坐标中误差（mm）三级 ±1.5 ±10.0地基基础设计为甲级的建筑的变形测量；重要的古建筑和特大市政桥梁等变形测量等
4.2.2数据精度要求
变形测量平差计算和分析中的数据取位要求
级别 高差(mm)角度（″）边长(mm)坐标(mm)高程(mm)沉降值(mm)位移值(mm)三级 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
4.2.3实测结果：水平角观测2测回，测回差3″，要求5″，符合要求。采用算术平均值；距离观测2测回，测回差3mm，要求5mm，符合要求。采用算术平均值。
5.观测数据及结果分析
5.1观测数据处理
式中：a=（n-1）×180°-γ1-γ2-…-γn（其中n为水平角的测量次数，n≥2；当a＜90°时，取“+”号；当a＞90°时，取“-”号）。
5.2结论
5.2.1本次观测所得的观测点位移量e如下表：
单位：m底部 3 6 9 12 15 18 21 24 25/26西北角 O1 O11 O12 O13 O14 O15 O16 O17 O180.0258 0.0232 0.0306 0.0381 0.0298 0.0482 0.0461 0.0550东北角 O2 O21 O22 O23 O24 O25 O26 O27 O280.0110 0.0263 0.0233 0.0360 0.0309 0.0338 0.0545 0.0562层数部位底部 3 6 9 12 15 18 21 24 25/26东南角 O3O31 O32 O33 O34 O35 O36 O37 O38 O390.0149 0.0126 0.0149 0.0238 0.0337 0.0252 0.0243 0.0189 0.0320东北角 O4O41 O42 O43 O44 O45 O46 O47 O48 O490.0153 0.0286 0.0338 0.0368 0.0389 0.0385 0.0449 0.0435 0.0394层数部位
根据上表所示，在建筑物4条角线不同楼层所取的34个观测点中，最大倾斜量e=0.0562m位于东北边第25层O28观测点。
5.2.2建筑物倾斜量要求
引起建筑物位移的原因有三：其一是基础不均匀沉降引起的倾斜，根据《建筑变形测量规范》JGJ8—2007条文说明中表3—10中规定：
多层和高层建筑基础的整体倾斜 倾斜率Hg≤24m 24m
其二是由于结构施工中楼层轴线放样引起的误差限差为2cm，其三是由于楼层内钢筋混凝土施工中建筑模板施工误差小于5cm。
以上三种因数的综合影响下，本建筑物西北边和东北边的倾斜量的水平投影偏差允许值为：；东南边和西南边的倾斜量的水平投影偏差允许值按矢量叠加原理为：
5.2.3通过观测
该建筑物整体偏移量最大值位于东北边第25层O28观测点e=5.62cm<19.51cm，地基倾斜率0.00075<0.0025，该建筑物整体垂直性良好，符合规范要求。
6.结束语
高层建筑越来越多。对房屋的质量及安全也要求更为严格。目前执行质量终身责任制，为随时监测建筑质量。因此房屋的沉降观测与倾斜观测任务也随之增多。随着经济建设的发展，现场施工条件也越来越便利。本文从高精度全站仪测角测距的优点方面介绍了全站仪进行倾斜观测的方法，采用两个在垂直方向与直角越接近，观测距离在建筑物高度1.5～2.0倍等距离的两个测站点观测的精度最高。
【1】JGJ8-2007.建筑变形测量规范[S].2007.
【2】李青岳，陈永奇.工程测量学（修订版）[M].北京测绘出版社.2008.
P201
B
2095-7319（2015）06-0045-06
余新梅（1978-），女，2000年毕业于北京工业职业技术学院工程测量专业，2006年毕业于太原理工大学测绘工程专业。工程师，现在山西省勘察设计研究院从事测量等工作。
