GPS定位技术在某大型建筑物变形监测中的应用

姜宇杰

（上海嘉房房地产测绘有限公司 201800）

引言

改革开放以来，随着我国经济的飞速发展，人们的生产和生活所占据的空间越来越大，各种建筑物的高度和层数不断增加，其稳定性和可靠性已成为人们关注的焦点，因此高效、高精度、实时地监测大型建筑物变形的规律是一项重中之重的工作。此外，GPS定位技术还具有速度快、自动化程度高、全天候、受外界环境影响小等特点，相较于传统的常规测量技术，GPS定位技术大大提高了大型或超大型建筑物变形监测的效率和质量。本文详细阐述了目前国内GPS定位技术在大型建筑物变形监测中的应用及研究现状，依据上海市某商业中心高层建筑物的变形监测项目，利用GPS定位技术进行高层建筑物沉降和水平位移监测，监测结果表明一个观测周期内GPS观测的精度小于《建筑变形测量规范》规定的±3.0mm的极限误差要求，论证了GPS定位技术应用于大型建筑物变形监测的可行性和可靠性。

1 GPS定位技术概述及其特点

GPS的全称是全球定位系统（Global Positioning System，GPS），是一个拥有全方位、实时、高精度三维导航和定位功能的卫星导航与定位系统。GPS定位技术以其全天候、效率高、对外界环境要求低、测站之间无需通视、自动化程度高等优势在各行各业得到了用户的广泛认可和应用，尤其大型建筑物变形监测中，规避了传统常规测量技术中测站必须要求通视、多次支站造成误差累计、测量精度受环境影响大等困难，GPS定位技术展示出了其不可比拟的优势。

GPS系统具有全球覆盖连续导航定位、高精度三维定位、实时导航定位、被动式全天候导航定位、抗干扰性能好、保密性强等特点[1]。与传统常规的水平、沉降位移变形监测观测方法相比，GPS定位技术更适合应用于大型建筑物的变形监测工作，本文通过对比分析这两种不同监测技术的技术手段、监测连续性与自动化、环境影响因素、成本与效率等因素进行对比，结果见表1从表中可以看出，传统常规的变形监测技术无论是在理论层面还是在技术层面都已非常成熟，但由于其工作量大、监测周期长、不能实现实时动态监测、作业成本高、效率低等特点，使得其发展的空间和市场将会越来越小。GPS定位技术借助于其可实时、动态、连续高精度观测的优势正在逐步替代部分传统的变形监测技术，且随着科学技术的不断进步，其前期投入成本高、部分地区信号差、精度低等缺点也将会被逐一克服，从而将大大提高变形监测的效率、精度和应用范围。

2 GPS定位技术在建筑物变形监测中的应用进展

以往建筑物水平和垂直位移的监测通常采用三角测量或交会方法、水准测量等传统的测量方法[2]。由于这些传统的测量手段受外界环境影响较大，且大多施工场地环境复杂，施工过程中各种仪器设备极易影响点位之间的通视性，这些因素进一步加剧了常规变形监测工作的难度和时效性，难以实现大型建筑物水平或沉降位移的实时监测，并给建筑物的安全施工带来一定的安全隐患。而GPS定位技术的实现，可以较好地解决这一问题，且其定位精度也在逐渐提高，比如沉降位移监测可以获得不大于±10mm的精度，水平位移观测更是能达到小于±2mm的精度。目前有些项目借助于GPS定位技术实现精确、实时地监测大型建筑物的水平方向和竖直方向的位移量，并建立具有数据实时采集、处理分析、存储管理、预报等功能的建筑物变形监测系统，实现建筑物水平、垂直位移变形数据的自动采集、处理分析和预测报警，并根据预设的变形阀值发出警报，从而实现大型建筑物动态变化的自动监测与预警。

20世纪90年代以来，GPS空间定位技术取得了长足的进步，并在越来越多领域中得到了广泛的应用，其中在小范围内的建筑物变形监测或者大范围的区域变形监测，GPS定位技术逐渐展现出来了其强有力的形变监控能力。例如美国Southern California的一个大坝（Pacoima Dam）的连续自动变形监测，意大利Ancona地区的滑坡动态变形监测，新加坡地区公共购物中心大楼的GPS动态变形监测等。我国武汉大学与清江水电开发公司共同研发的清江隔河岩大坝外观变形GPS自动监测系统在1998年夏季长江流域特大洪水期间发挥出了巨大的作用，为我国基础设施和当地居民规避了大量的经济损失。冒爱泉等[3]应用GPS定位技术对约旦18号海堤施工工程进行水平位移监测，同时应用数字水准测量进行海堤工程施工中的沉降监测，通过GPS高程拟合试验的模型选择与固定点方案的确定、和试验结果统计分析、高程拟合的误差分析等工作，结果表明将GPS与数字水准测量技术相结合应用于变形监测，可以取得较高的精度，完全满足海堤变形监测的要求，并且能提高效率30～50%。伊晓东[4]利用GPS技术监测某超高层建筑物在强风下的变形试验，通过对计算的数据进行分析，结果表明GPS定位技术应用于超高层建筑物变形监测的有效性，且具有较高的精度。

应用GPS定位技术进行建筑物变形监测时，由于该类工程对精度的要求很高（通常是毫米级或者亚毫米级），需要精确地测定大型建筑物在水平方向和垂直方向的动态偏移量。以满足项目设计要求，而合适、合理的观测步骤和方法是提高GPS观测精度的前提，本文依托于上海市某商业购物中心大型建筑物变形观测项目，详细阐述在本项目运行过程中利用GPS定位技术实现建筑物水平方向和垂直方向位移量的高精度、动态实时监测的方法及结果。

3 GPS定位技术在上海某大型建筑变形监测中的应用实例

项目区位于上海市嘉定区安亭新镇，该大型建筑物为100m高的居民住宅楼，其在自身重力及风力等外力的作用下，极易发生建筑物水平方向偏移、倾斜、沉降、裂缝等，严重影响到建筑物的安全使用和使用寿命。因此在房屋主体结构建造过程中，不仅需要精确的测定承重结构安装位置及安装垂直度，也需要在安装过程中对建筑物进行变形监测，实时测定其顶端位移及垂直度，为建筑物的顺利施工、竣工、运营提供安全保障。

首先，笔者在公司顶层平台上利用徕卡GX1230型GPS接收机进行了建筑物变形监测的系统测试，数据处理软件采用LEICA Geo Office－Combiner软件。在位于建筑物楼顶的控制点上安装一台GPS接收机，并且保证在项目运行过程中GPS接收机固定不动。此外，将GPS接收机的天线安置在楼顶一个可以在东西和南北两个方向移动的平台上，平台上带有测微器，可以精确测定天线的位移量，精度可达到0.1mm，由此可认为天线的移动量为已知量。试验分每隔5h、2h、1h三个小组分别测定GPS定位的结果，各小组分别进行10次，利用软件进行后期处理后分别计算三个小组GPS测量天线偏移量，结果见下表2。从表中可以看出，利用5个小时、2个小时、1个小时进行观测求出的监测点平移量中误差分别达到±0.4mm、±0.6mm、±1.0mm。依据《建筑变形测量规范》规定二级地基基础变形监测观测点坐标中误差小于±3.0mm，由此可认为在GPS数据采集时间大于1小时的情况下，GPS定位技术是可以满足《建筑变形测量规范》要求的。

表2 基于GPS定位技术进行建筑物变形监测的系统测试

在该试验中，采用五台GPS接收机同时进行观测，首先在施工区域外布设一个首级控制点，建筑物墙体外侧各焊接四个变形监测点，主要选择建筑物重要节点或者易发生变形的位置，变形监测点的选取原则主要有四种：①尽量远离易产生多路径效应的地物（如大型水域、树林、带玻璃幕墙的建筑物）；②尽量选择开阔地带，保证视角有10°以上，避开施工干扰区域等易产生振动的地带；③尽量避开微波站、高压线等电磁干扰区域；④变形监测点则选择在能敏感反映建筑物变形的重要拐点处，大多布设在建筑物四角处。此外，在建筑物封顶之前完成GPS系统设置及自动监测软件的调试工作，在建筑物施工完成后，立即打开GPS接收机，对建筑物在日照、风力及起重机等外力作用的形变及位移进行观测。为保险起见，本项目在用GPS观测的同时，也采用全站仪同步观测，并将两种方法观测的结果进行对比，发现在一个观测周期内GPS观测的精度与全站仪观测精度差值均在1.0mm范围之内，其变形量小于《建筑变形测量规范》规定的±3.0mm的极限误差要求。由此可认为利用GPS定位技术进行建筑物变形监测是可行的，本项目的顺利进行为以后同类建筑物的变形监测方案设计提供了一定的参考和借鉴基础。

4 结束语

由于传统常规的建筑物变形监测方法往往受外界环境影响较大，且大型建筑物施工现场环境复杂，监测点之间通视环境不好，进一步加剧了变形监测工作的难度和工作量。随着GPS定位技术的快速发展，其在大型建筑物变形监测中的应用逐渐得到了从业者的认可，其精度也逐渐接近传统的常规测量手段，甚至在某些领域要远远超过常规测量技术，且GPS定位技术具有全天候、实时、动态、高精度、自动化程度高、不受通视条件影响等优势，逐渐在建筑物变形监测领域取得了巨大的进步，其精度也已逐渐满足相应的测量标准要求，本文通过对不同的GPS观测方式与常规测量手段的精度进行对比，通过与全站仪监测结果进行对比，监测结果表明一个观测周期内GPS观测的精度与全站仪观测精度相当，均小于《建筑变形测量规范》规定的±3.0mm的极限误差要求。该结果表明GPS技术可以在一定程度上代替全站仪进行建筑物变形监测工作，为以后在同类建筑物变形监测的方案设计上提供了新的方法和思路。本文通过实践证明，GPS定位技术在大型建筑物变形监测中是一种值得采用、可快速提高监测效率的有效手段，相信随着我国北斗卫星导航系统的进一步完善和发展，我国的导航定位技术将会得到更加广泛和深入的应用。

[1]丁锐.GPS技术在建筑物变形监测中的应用研究[D].天津大学，2008.

[2]齐海龙.高层建筑物沉降观测技术应用[D].中国地质大学（北京），2013.

[3]冒爱泉.海堤工程施工监测技术与应用[D].河海大学，2007.

[4]伊晓东.GPS用于强风引起的超高层建筑物位移测量研究[J].测绘通报，2009（3）：8～11.