高层建筑物工程项目沉降观测技术方案设计

丁 涛，徐先峰，高学武

（安徽理工大学空间信息与测绘工程学院，安徽 淮南232001）

如今国内经济快速发展，人们在基础设施需求方面有了明显的提高，国内建筑行业如雨后春笋般迅速成长起来，高层建筑物也越来越多，缓解了地面空间建设压力的同时，也带来一定的安全隐患。为了杜绝隐患的发生，确保建筑物的安全，在建设前期及完成建造后有必要进行周期性沉降观测，从而获得建筑物沉降的变形数据，并分析和预测沉降变形的细节，以便纠正建筑物变形。在施工期间及时采取措施来预防事故发生，避免经济损失和人员伤亡，确保建设安全进行[1]。

1 沉降观测技术方案设计

1.1 工程概况

本次选取的高层建筑项目案例占地面积为7 352.32 m2，总建筑面积约为5.79万m2，总高度为111 m，地下3层，地上22层。场地位于平原微丘地区，地下土质以黄棕壤、水稻土为主。施工区域土壤土层较厚，质地黏重，其中黄土具有阻水、阻气的性质，进行施工前需对土质进行处理。

1.2 沉降观测基本要求

1）仪器设备、人员素质的要求。为了确保所做观测工作能精确地反映高层建筑物的沉降情况，对此在进行沉降观测时应保证高精度，符合在规定误差要求内。此次沉降观测工作使用天宝DiNi03电子水准仪及条纹编码尺等相关配套仪器。进行沉降工作时，观测期间的观测路线、观测程序、观测人员以及观测仪器应尽量保持一致[2]，从而确保在观测时获取准确的数据资料。

2）沉降观测时间要求。在进行建筑物沉降观测测量时，要严格控制观测时间，并按照相关标准执行，首次测量应该在规定的时间内完成。若未达到标准要求，则会出现测量误差，得到的原始数据也就不准确了，进而失去了沉降观测的意义。完成首次测量后还要进行多次复测，根据施工阶段来安排复测时间，避免补测漏测的现象发生。只有严格按照标准来执行工作，才可以得到较精确的沉降数据。一般情况下，建筑物楼层数增加一层就要复测一次，直到建筑物封顶[3]。所有沉降观测工作应结合具体施工情况，进行合理的观测工作安排，确保得到精确的沉降数据。

3）基准点布设。基准点布设应根据工程的沉降施测方案和布网原则的要求建立，根据现场条件，在建筑物周围布设4个基点分别为G1，G2，G3，G4，在距离建筑物60 m内的区域，选择隐蔽性好且通视良好的地点布设基准点。

4）沉降观测点布设。根据高层建筑项目的设计，并结合建筑物结构特点，沉降观测点主要选择建筑物四周和重要的承重结构部位，尽可能均匀地埋设在建筑物的墙体周围，相邻观测点的间距以15～30 m为宜[4]。根据现场实际情况选取沉降观测点位置，并完成观测点的布置。

根据建筑物的结构考虑受力情况，将观测点布设在真正受力体上[5]，确保准确反映建筑物的沉降情况，同时要方便工作人员开展沉降作业，且不会因装饰施工导致沉降观测点被破坏。该建筑物整体呈方行，在四周角点布设J1，J3，J6，J8观测点，在两侧和沉降缝布设J2，J7，J4，J5，J9，J10观测点，见图1。

图1 沉降观测点布设图

2 沉降观测灰色预测模型

2.1 灰色理论的基本概念

通常所指的系统是由客观世界中相关或相似的事物和因素组成的整体。例如，技术系统、社会系统、经济系统等。如果一个系统有足够的信息，其发展和变化规律是明确的，定量描述是有用的，结构和参数是具体的，那么通常称这个系统为白色系统；当系统的内部特征都是未知的，我们称这个系统为黑色系统，其是相对于白色系统而言的；如果系统的内部信息和功能部分已知而另一部分未知，这种系统被称为灰色系统[6]。对于这样的系统，它们之间的关系相对隐蔽，且其内部因素难以识别，因此很难准确理解这些系统的行为特征。对这类问题进行定量描述时，建模的难度较大。

目前，灰色系统理论已在实践中得到广泛应用，例如在工程技术、经济管理、气象预报以及政治、社会、工业、农业等领域都取得了一定的应用效果[7]。灰色系统分析方法是基于特定灰色系统的行为特征，它可以在信息数据缺乏时，充分利用较少数据找出相关因素与不同因素之间的数学关系，建立相应的数学模型。灰色预测是对灰色系统问题的未来预测。在实际问题中，通常使用基于灰色GM（1,1）模型进行预测，即当N=1时，GM（1,N）的特殊情况。

2.2 灰色预测理论与模型

灰色预测理论是整个灰色系统理论的重要组成部分。它主要指对原始数据的处理和模型的绘制，以了解系统开发的规律，并对系统的变化进行科学、合理的预测。可以对特定时期内发生事件的未来时间分布情况进行研究。灰色预测模型的本质是将预测数据序列视为灰度或随时间变化的灰色过程。当执行预测分析时，基于产生累积或其他操作的方法对原始数据进行分类以使序列看起来有规律性，产生相应的预测模型和预测[8]。当前研究出许多种灰色预测模型，而进行沉降数据预测时，使用的一般是GM（1,1）模型，其表达式为

对3-1做一阶累加生成序列为

GM（1,1）预测模型的微分方程为

式中：a为发展灰数；μ为内生控制灰数。可得

建立矩阵

按最小二乘法得到

通过式（6）计算出a和μ，将a和μ代入式（3）中，便可进行灰色预测。

确定灰度GM（1,1）预测模型以获得该结构。根据计算的预测值与实际观测值之间的相对误差来划分状态间隔。基于落入每个状态区间的点，预测未来状态，获得未来值的预测间隔和发生概率，其中将预测值区间的中间值作为最终预测结果，增加预测的可信度。处理观测到的沉降初始数据，以建立灰色GM（1,1）预测模型。再进行下一步，如果灰显，则GM（1,1）模型可用于精度测试，并且满足测试结果的准确性；如果不是这种情况，则必须更正模型。

3 沉降观测数据处理与预测

本文以某高层建筑物沉降数据为例，采用GM（1,1）模型预测进行分析，实际得出建筑物沉降趋于稳定，后期沉降量变化浮动很小，得出建筑物后期稳定的结论。根据沉降量和时间周期之间的关系，此次沉降工作最后1期沉降速度比0.01～0.04 mm/d小，符合施工设计工程标准，说明建筑物沉降现象进入稳定阶段。

灰色预测模型的优势在于它可以用更少的数据更好地预测未来趋势。同时，预测数据越早对预测的影响越小，因此最后的预测值被认为是数据序列的正确终点。在起点下，数据集的左端不应该离正确的终点太远，也就是说，序列的长度不应该太长。对此，选取J1，J3，J5，J7观测点测量数据进行GM（1,1）模型预测分析。

预测的第8期、第9期数据与实际测量数据对比，误差见表1。从预测结果来看，灰色预测建筑物沉降高度结果的精度较高，可以用于高层建筑物的沉降预测。

表1 预测数据与实际测量数据误差 （m）

4 结束语

为确保建筑物、人身及财产安全，有必要及时有效地评估建筑物安全。在对高层建筑物进行沉降观测工作后选取灰色预测理论，建立灰色GM（1,1）预测模型，将实际观测所得沉降数据代入进行分析。选择不同高度情况下观测点的测量数据序列进行处理。结果表明，灰色GM（1,1）预测模型可以更好地预测高层建筑物沉降情况，可以指导实际项目。在数据量较少的情况下，灰色预测模型能更好地表现沉降数据趋势，是大部分沉降观测数据处理工作采用的比较好的方法。在今后其他关于建筑物沉降预测项目中，可采用灰色预测分析方法来分析建筑物的稳定性，并找出安全隐患，从而杜绝隐患的发生。