建筑物倾斜监测新方法的研究及其应用

张贵鑫

摘   要：建筑物变形监测中，倾斜监测工作是保障既有建筑基础及上部结构安全的重要安全监控环节;目前采用的常规监测方法存在实施困难、监测频率低、时效性差、精度难保障等问题，难以保障建筑物倾斜监测的有效性。本文提出了基于物联网技术的建筑物倾斜监测方法，提高监测频率和适用性，创新了建筑倾斜监测作业方法。

關键词：建筑物倾斜  监测  倾斜传感器  自动化

中图分类号：TU196.3                              文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0154-03

随着现代社会不断发展，超高层建构筑物数量的不断增加，建构筑物变形产生的安全隐患也不断受到重视，而建筑物倾斜监测数据在建筑物变形监测中起到关键性参考作用。建筑物发生倾斜不仅对已有建筑有安全隐患存在，而且影响着施工中的高层建筑的施工质量和安全。建筑物倾斜监测可评估建构筑物结构健康状态，及时做好对建筑物维护和管理，防范倾斜变形引起的安全问题。

当前建筑物倾斜涉监测项目中，既要避开风荷载和强日照影响大的时间段又对控制点的选取较苛刻;作业环境约束着常规倾斜监测方法，成为阻挠监测正常进行的主要原因之一，各常规倾斜监测方法又存在各自难以克服的缺陷。

1  常规的建筑物倾斜监测方法

1.1 全站仪监测

（1）投点法：采用全站仪照准建筑物顶部固定位置，竖轴投射到建筑物底部同一水平线，对建筑物两垂直面进行观测根据两周期观测点在建筑底部水平线上偏差值计算位移量，通过位移矢量与观测点高度比值计算建筑倾斜率;此方式观测对全站仪选站要求高（宜选在与倾斜方向成正交的方向线上测站点不少于2个），观测环境通视要求高（距照准目标1.5～2.0倍目标高度的固定位置），观测所需时间长监测频率低。

（2）前方交会法：观测点与基准线必须满足要求，交会角宜60°～120°。采用两周期方向值差值推算坐标变化量。此方式观测对全站仪选站要求高，难已选取基准线与观测点组成的最佳构形。同时，以上两种方式，应用于超高层建筑倾斜观测时，难以在合适的视线长度和合适的竖直角之前平衡，这两个因素过大都会影响观测精度。

1.2 激光扫描测量与近景摄影测量

通过激光扫描或近景摄影的方式准确、快速、批量地扫描或拍摄变形体。通过变形体数字影像的特征点的像点位置坐标数值经过批量转换计算变形量。适合建筑上监测点数量较多时实施;这种监测方法实施成本高，对监测人员要求高，劳动强度大、工作效率低、量测精度差。

1.3 激光铅垂监测

利用建构筑物底部与顶部竖向通视条件，安置激光铅直仪或激光经纬仪，通过激光接收靶读取和量测水平位移量和位移方向。作业时要求仪器严格对中置平、并通过回程180°取中值。对于超高层建筑通视要求高精度难把控还需要考虑大气湍流的影响。

1.4 相对沉降差法

采用测定变形体基础间的相对沉降量换算求得建筑整体倾斜率及倾斜方向。此作业方法以基础倾斜代表建筑整体倾斜适用于刚性结构建筑物，对于非刚性结构建筑物难以实施且劳动强度大，工作效率低。

2  无线倾角仪实时监测系统

2.1 设备组成

无线倾角仪实时监测系统是由无线倾角仪模块、太阳充电板、采集软件组成。具备实时采集数据，传输数据、处理数据及信息反馈一体化倾斜监测一体化系统。

2.1.1 采集软件

主要应用于数据的接收和处理，对倾角仪模块初始化以及设置预警值等操作，数据展示部分展示包括实时状态和数据记录（见图1）。

2.1.2 倾角仪模块

如图2，无线传输倾角仪设备构成是由倾角仪模块双轴倾斜传感器、集成电路、3G单点传输模块、内置锂电池、太阳能供电板组成。同时具备超长待机，根据自主设定采集频率和传输频率满足实时监测需求。倾斜传感器采用一种基于高精度半导体角度应变双轴倾角传感器和数字集成电路，双轴可以测相对于正交两个轴的角度变化。当倾斜传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。重力摆锤位与电阻器圆心链接，当装置倾斜时摆锤始终垂直地面从而转动电阻器改变输出信号值，经数据采集计算后得到相应倾斜值。

2.1.3 传输模式

采用单点传输，可使用移动或联通3G或定制其他通讯模块实现实时监测目的。模块终端通过集成电路设置在指定时间内下载主机设置的采集频率、传输频率等参数;按照设置的指定时间传输数据（最小采集间隔5min最小传输间隔10min），当数据采集值超过设定的预警值时终端启动时传输机制，保证监测实时性;传输数据通过网络存储于固定服务器内部，建筑物倾斜监测系统在确定开始监测时间后自动抓取服务器数据，自主运算倾斜率累计变化量、本次变化及变化速率。

2.2 数据对比测试

2.2.1 测试方法

在采用投点法对建筑物倾斜监测过程中利用将无线倾角仪安置建筑物上照准部位置如图3～5;通过同日同时取初值，在等周期两次数据的采集比对判断设备数据可靠性。

2.2.2 测试结果

从已经试验的工地来看，以下为实验数据，数据列表表明8月12日投点法与倾角仪最大位移差值为1.5mm最小差值为0.1mm，最大倾斜率差值为0.42‰，最小倾斜率差值为0.03‰。倾斜率曲线走向及趋势基本一致，符合度较好。

3  设备需完善方面

（1）实验过程遇南方雨季，高温高湿环境下防水性能较差，部分设备出现因设备短路引起的數据异常率高。目前通过提升设备防水等级设计，得到较好解决。

（2）内置传感器受气温影响高，在长期日照高温数据波动较大;同时发现内置传感器受工地基础施工时产生振动对数据引起偏差。

4  结语

采用无线倾角仪监测建筑物倾斜，可以节约成本较多并可以增加监测频率。因安装位置较好保护所以回收率较高，对比传统埋设方式埋设成本虽没有较多提升，但在过程实施监测中只需安排阶段性对设备进行维护其人员成本极低。大大缩减了建筑物倾斜监测的成本支出，提高了生产效率。

倾角仪的投入使用摆脱了常规监测中受作业环境的束缚，对于通视较差的及高层建筑的测量环境也能较好地适用，克服了常规监测方式的局限性。安装简单使用便捷：测量使用的无线倾角传感器是内置电池采用太阳能供电，与服务器之间使用无线通信，无需布线，安装简单，也不会破坏建筑整体性。同时满足了工程监测的远程自动化要求。

较高精度：测量模块搭载的是高精度双轴倾角传感器，满足测量需求，可精准的识别建筑的细微结构形变。

无线倾角仪设备处于第一代测试原型，技术性能及稳定性有待优化和挖掘，仍需进一步研究和应用测试。

另：研发、测试、应用全过程得到了领导、同事的大力支持，也得到了行业相关检测单位的大力配合，在此表示衷心感谢。

参考文献

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