建筑物沉降、倾斜自动化监测系统探究实践思考*

池汇海 伍砥柱 殷才华

贵州中建建筑科研设计院有限公司 贵州 贵阳 550009

引言

在建筑物施工过程中，做好沉降和倾斜监测，属于非常重要的工作内容。根据所得到的监测数据，可以对建筑物后期沉降/倾斜速度、后期沉降/倾斜总量等参数进行科学预估，及时采取措施对其进行处理，从而将建筑物沉降、倾斜量控制在安全范围内，提高建筑物工程的稳固性。

1 沉降监测要点

1.1 布设工作基点

在建筑物沉降监测中，布设工作基点属于非常基础的工作内容。在具体布设中需要综合考虑建筑物形状、结构方式、地形条件、地质参数、桩基础类型等因素，选择可以敏感反应建筑物沉降状态的位置。同时对于沉降监测点数量进行控制，例如，在高层建筑物沉降监测活动中，需要布设三个基准点，布设点和建筑物之间的距离控制在50～100m，以满足沉降监测要求。另外，应建立固定的观测路线，对于架设仪器的站点和转点做好标注，确保初始数据的统一性。

1.2 观测周期

合理地观测周期可以直观反映出目前该建筑的沉降状态，这也要求开展监测任务前，需做好统筹规划工作，明确时间间隔，以获取到完整的监测数据。基于以往的作业经验，在施工期间展开沉降监测活动时，时间间隔多以3d、7d、15d为主，并且随着建筑物层数、总荷载的增加，时间间隔也会进行缩减，确保获取监测数据的完整性。如果施工期间遇到暂时停工，那么在停工时和再次开工时展开一次观测，以确定建筑物在暂停施工时产生的沉降变化量，借此为后续观测方式、观测次数调整提供参考。在建筑物竣工后，也需要进行若干次沉降监测，监测间隔为1个月、2个月、3个月、半年与1年等，如果最后3个周期建筑物的沉降速度不超过0.04mm/d，那么可判定该建筑物已经进入到稳定阶段。

1.3 监测过程

确定监测周期之后，需要在工作基点稳固后展开监测，目前建筑物的层数较多，同时还有若干地下结构。因此在首次观测活动时，需要从基础开始进行监测，随后围绕纵横轴线来展开沉降监测，由于是第一次监测，因此对于观测数据精度要求较高，多使用N2级精密仪器来完成监测，同一监测点需进行至少2次观测，若所得数据高差小于±0.5mm，表明所得监测数据合规。随着建筑物高度的增加，需要对之前的监测点进行复测，直到建筑工程竣工。另外，在监测过程中也需要布置若干永久监测点，以便于后续监测活动的有序展开。

1.4 精度要求

基于建筑物的基本特点，也需要匹配相应的观测精度，通常情况下，在建筑物沉降监测活动中，使用二等水准测量方法便可满足沉降观测要求，而测量方法应用背景下对应的精度要求如下：①往返较差、附和或环线闭合差：△h=∑a-∑b≤1.0，n表示测站数；②沉降监测时的前后视距需控制在30m以下；③进行沉降监测时，监测点的前后视距高差值不应超过1.0m；④整个监测过程中仪器的前后视距累积差值不应超过3.0m；⑤在沉降观测点相对于后视点的高差容差≤1.0mm。

2 倾斜监测要点

2.1 测点布置

展开倾斜监测活动时，测点布置属于非常基础的工作内容。在建筑物的施工过程中，涉及土体开挖、回填等工作，过程中土体应力会发生改变，从而对建筑物整体产生影响，导致建筑物出现倾斜问题。此时建筑物的受力会出现偏心问题，使得其整体出现受力不均的情况，因此也需要在合理位置布设倾斜监测点，获取相应的倾斜监测数据，便于后续稳固措施的顺利拟定。在监测点布设过程中，会在建筑物的上部和下部均匀布设4个监测点，利用上下两测点水平投影位移差来确定建筑物的倾斜状态。

2.2 监测方法

在建筑物倾斜测量活动中，会使用到全站仪正倒镜法。该监测方法在应用中，应注意以下内容：第一，合理选择匹配型号的全站仪，将其固定在某点（记作Q），对中整平处理后，测量Q点和下部监测点（记作A点）之间的距离（记作d1）和标高（记作H1），随后再测量Q点和上部监测点（记作B点）之间的距离（记作d2）和标高（记作H2），以及上部监测点和下部监测点之间的距离H0。第二，假定建筑物出现了倾斜，即A点偏移到了A0位置，B点偏移到了B0位置。此时再次在Q点架设全站仪，重新获取Q点和A0、B0之间的距离，记作d3和d4，随后展开倾斜度的计算。第三，在倾斜度的计算中，需分别计算A点和B点的位移量，记作a0和b0，由此可以获得A0相对于B0的位移量，记作△AB，（△AB=|a0-b0|），从而得到倾斜度i=△AB/H0×100%。

3 建筑物沉降，倾斜自动监测系统设计

3.1 自动监测仪器选型

在自动检测系统的设计中，所使用到的监测仪器如下：①压差式静力水准仪。压差式静力水准仪是一款高精度压差式静力水准传感器，该传感器是由进口元件组成，通过工业化设计，具备体积小、响应速度快、长期稳定性的特点。该传感器在实际应用中，会使用到多个传感器，以此来组建测试体系，获取到更加完整和准确的监测数据。②AZ103X 倾斜仪。该仪器使用高精度 MEMS 传感器，结合温度、地磁传感器的倾斜与振动模块，能够垂直或者水平安装，完成深层土体水平位移、倾斜、振动、冲击等测量；外形尺寸：27×25×112cm，防水能力：水下200m，具备了良好的监测性能。

3.2 传感器系统

在自动化监测系统的设计中，传感器系统属于重要的组成部分。通常情况下为了确保获取建筑物监测数据的完整性，需在垂直方向和倾斜方向安装相匹配的监测传感器，以获取到准确的监测数据。而传感器的工作原理是：传感器内部的压敏元件会在单晶硅片上扩散惠斯通电桥。在测量过程中，相应介质产生的压力会改变结构的压阻效应，此时电阻值便会发生变化，产生差分电压信号，而系统会借助专用放大器将信号转换为模拟信号，利用传输系统完成信号传输。为了确保建筑物获取监测数据的完整性，会基于建筑物特征在合适位置布设监测点，在监测点布设相应的传感器，设置传感器传输频率，确保监测过程的连续性。

3.3 数据采集系统

在自动化监测系统的设计中，数据采集系统也属于重要的组成部分。该系统在应用中的主要作用在于，对于建筑物沉降数据、倾斜数据进行收集，并且在传输前也会对数据进行初步整理，以此来加快数据传输效率。在对数据采集系统进行设计时，需要满足以下应用要求：①系统需要具备良好的通用性，即可以根据实际需求情况来对结构进行灵活设计，以满足相应的使用需求。②可以根据实际需求来匹配标准接口，使其可以和传感器系统顺利关联在一起，确保信息传输过程的完整性。③考虑到建筑物沉降、倾斜监测获取数据较多，因此也需要做好多通道设计，使其可以满足多通道同步传输需求。④基于实际情况来对数据采样频率进行灵活设计，从而提高信号传输结果的完整性与高效性。

3.4 信息传输系统

在对信息传输系统进行设计时，会使用到有线和无线传输系统，以无线传输系统为例，目前使用较多的无线传输技术包括Zig Bee技术、Wi-Fi技术、GPRS技术、5G通信技术等。以5G通信技术为例，该技术在应用中具备数据传输速度快、保真度高等优势，在现场监测中有着良好应用。并且在传输系统的设计中也需注意以下内容：①在数据传输之前需要对数据格式进行统一调整，搭配开放式通信协议完成信息传输；②如果需要进行远程数据传输，那么在前期应用中需要使用具备校验性能的通信协议，起到提高数据传输准确性的作用；③所有的通信协议都需要满足国家通用标准，特殊数据也需要提前进行加密，以提高传输数据的完整性与可靠性。

3.5 监测中心系统

3.5.1 数据处理系统。在对数据处理系统的设计中，需要其具备以下通用功能：①可以对数据进行分类处理，沉降数据、倾斜数据在传输前、传输中都进行了初步处理，但是为了确保分析结果的准确性，还需要对数据进行校核，筛选出准确的监测数据。同时以监测类型、监测时间作为分类依据，对于监测数据进行分类整理。②对于数据进行修正处理，该功能是将传输数据中的偏差数据进行修正，对于完成修正处理的数据信息，也会直接录入到三维系统当中，以首次监测数据作为传输数据，建立相应的三维坐标系。③在三维体系当中会对信息变化量进行梳理，并以此来完成变化曲线绘制，从而提高数据分析结果的直观性，便于预测工作的顺利展开。

3.5.2 信息预警系统。在信息预警系统的设计中，需注意以下内容：①明确相应的监测预警值，根据前期得到的勘察资料，选择相应的建筑规范来筛选预警值，这也为后续分析工作的展开提供良好参考。②根据获取到的监测值来确定预警区间，一般数值临近预警红线时，监测系统便会将预警信息传输到系统当中，通过交互端来完成预警，相关人员根据沉降或倾斜情况，拟定相应的处理措施，确保建筑物的稳固性[1]。

3.5.3 信息存储系统。在对信息存储系统进行设计时，应注意以下内容：①对于获取到的沉降监测数据、倾斜数据，都需要根据时间线进行存储，建立相应的数据库。②在对数据信息进行存储时，应使用开放性标准数据库，而且该数据库在应用中，也需具备充足的数据库容量、信息共享性能，这样便于数据信息的快速检索，提高数据信息的应用价值。③对于存储的数据信息，也需要具备便于维护、定期自动备份和更新等功能，所备份的数据信息需要和猪数据库中的信息分开存放，便于数据丢失时可以及时找回[2]。④对于以往的监测数据，会采用TXT、Excel等格式进行存储，而且这些存储格式应满足快速备份、共享等要求，这样也便于数据信息的快速获取，为后续数据信息整理工作的展开奠定基础。

3.6 电路模块设计

在自动化监测系统的设计中，应设计相匹配的电路模块，为确保监测过程的稳定性，会使用外部蓄电池进行供电。但是从节能角度进行考量，会在传感器模块位置布设太阳能电池，供电的规格选择12～24V直流电，从而确保传感器数据采集过程的持续性。同时在模块设计中也会使用到DC-DC稳压模块，作用是维持整个电路模块的稳定性。另外，在模块设计中也会应用到标准电压（5V）展开供电，确保整个监测过程的稳定性[3]。

3.7 数据发布系统

除了上述应用系统以外，在自动化监测系统的设计中，还需要做好数据发布系统设计。在该系统的设计中，需要根据实际需求情况来反馈不同监测时间、监测位置的沉降或倾斜信息，以此来提高信息交互过程的流畅性。现阶段使用到的发布系统为Web平台，在该平台中会利用HTML文本来对数据信息进行整理，而且该平台还可以根据实际情况来调整输出数据格式，从而提高所整理数据信息的时效性和直观性。

4 结束语

综上所述，在建筑物施工过程中，做好沉降、倾斜监测属于非常重要的工作内容。为提高获取监测数据的实效性，会利用大数据技术、互联网技术来建立自动化监测系统，一方面，可以进一步加快监测数据获取的及时性；另一方面，能够为建筑物加固提供可靠建议，提高建筑物施工质量。