一种利用免棱镜全站仪进行倾斜观测的新方法

付 宏

(太原市住宅保障中心，山西 太原 030001)

1 概述

建筑整体倾斜观测是多层和高层建筑变形观测的一项重要内容，对于建筑的施工和维护具有重要意义。整体倾斜观测的方法常用经纬仪(全站仪)投点法、吊垂线法、激光准直法等，其中投点法因其受周围环境影响小、操作便捷、数据处理简单，所以使用更加广泛。但投点法也有其局限性，一般仅适用于立面为矩形的建筑或角部为直角的建筑。然而，近年来，随着建筑行业的发展，建筑的外围轮廓和形状越来越多样化，在使用传统投点法进行整体倾斜观测时就遇到了困难。鉴于此，笔者利用免棱镜全站仪实验了一种新的用于整体倾斜观测的方法，并在工程实践中对其精度进行了验证。

2 传统投点法

传统的经纬仪(全站仪)投点法进行整体观测倾斜的方法如图1所示。

投点法观测的位置一般选取建筑的直角部位(如图1所示)，首先找到建筑Ⅰ面墙顶部与底部对应的一对点，顶部观测点记为M，底部观测点记为N。将经纬仪(全站仪)安置于正对Ⅰ面墙的位置，仪器的架设距离应为建筑高度1.5倍～2.0之间。照准建筑顶部观测点M，制动仪器的水平度盘，转动竖直度盘，使仪器的视线沿垂线投影至与N点同一水平线上，记为点N′；量取点N与点N′之间的距离ΔB，即得到建筑物平行于Ⅰ面墙的偏移量；同时，根据点N′、点N的相对位置，可以判断建筑平行于Ⅰ面墙的倾斜方向。同理，将仪器搬至与Ⅱ面墙垂直的位置，采用上述方法，观测点Q和点Q′，量取距离ΔA。

将ΔA和ΔB矢量相加，即可得到Ⅰ，Ⅱ面墙所夹房角处的总偏移量，将总偏移量与建筑的高度相除，即为该房角的倾斜率。同时，根据点N′、点N和点Q′、点Q的相对位置，可判断出该房角的倾斜方向。

3 投点法的改进

通过以上简单的介绍，我们不难看出，经纬仪(全站仪)投点法操作便捷、数据计算方便。但在现场实际观测过程中，由于顶部与底部的对应点(即点M和点N，或点J和点Q)在建筑墙面上不易准确找到，所以一般以墙角的顶部和底部为观测点。正因为如此，对于墙角并非直角的建筑而言，则无法采用传统的投点法进行倾斜观测。

而免棱镜全站仪的出现，则为上述倾斜观测遇到的问题提出了一种新的解决办法。免棱镜全站仪利用激光作为光源，在没有棱镜或反射片的情况下，依然可以进行高精度的测距工作。笔者就是利用其这一特点，对传统的经纬仪(全站仪)投点法进行了一定的改进，使用此改进后的方法可直接测定建筑的倾斜方向和偏移量。

改进后的投点法原理见图2。

在与墙面垂直的某点架设免棱镜全站仪，利用免棱镜模式直接观测建筑顶部观测点M，记录所测平距HA；制动仪器的水平度盘，转动竖直度盘，观测建筑底部观测点N，记录所测平局HB。由于在一个观测测回中，仪器与墙面的相对位置固定，所以HA与HB的差值即为该墙面倾斜的偏移量e，即e=HA-HB。而通过此方法得到的倾斜方向则垂直于墙面，即若e>0，则该墙面倾斜方向为远离仪器的方向；若e<0，则倾斜方向相反；若e=0，则该墙面没有发生倾斜。

4 工程实例

利用上述原理，笔者就某一工程实例进行了实验，以验证其操作的可行性和数据的精度情况。

某建筑东西长79 m，南北宽76 m，地上6层，高度为23.6 m，平面外形为多边形，建筑房角并非直角。建设单位怀疑该建筑因不均匀沉降发生了倾斜变化，需对其进行整体倾斜观测，了解其倾斜率及倾斜方向(允许倾斜率不超过0.004)。建筑外轮廓及倾斜观测点示意图见图3。由于该建筑的墙角并非直角，为了能够观测到整体倾斜，直接将建筑的墙面中部作为观测目标，对建筑的每个墙面进行倾斜观测，观测点编号1号～4号。在本工程实例中，使用的全站仪型号为索佳NET05X，其精度为：测角精度0.5″，免棱镜模式下测距精度1 mm+1 ppm。

根据JGJ 8—2016建筑变形测量规范，本次观测的精度按二等精度执行，要求建筑顶部观测点相对于底部观测点的水平位移分量中误差不大于3.0 mm。以3号观测点为例，在距离Ⅲ面墙一定距离的位置上架设全站仪，用免棱镜模式观测墙顶，记录所测平距HA；制动全站仪的水平度盘，旋转垂直度盘直至墙底进行观测，记录所测平距HB。观测数据见表1。

表1 观测数据

数据分析过程如下：用me,mHA,mHB分别表示偏移量e、平距HA、平距HB的中误差，由于e=HA-HB，根据误差传播定律，可知：

(1)

(2)

其中，m为中误差;v为每一次的观测值与平均值的差值；n为观测次数。

计算得mHA=±1.10 mm，mHB=±0.78 mm，继而求得me=±1.35 mm≤3.0 mm，满足精度要求。

在本工程实例中，3号观测点的倾斜方向为垂直Ⅲ面墙且靠近仪器方向，倾斜率的平均值为0.003 2，未超过允许值的要求。

5 结语

1)改进后的方法仍会遇到部分传统投点法施测过程中的问题，利用免棱镜全站仪进行倾斜观测，操作更加简单，不再借助小钢尺等辅助工具进行距离量测，避免了因小钢尺精度不足导致测量结果精度降低的影响；同时，此方法不再需要特意寻找墙面上对应的顶部与底部特征点，观测对应点的位置选择更加灵活，从而实现对外形更加复杂的建筑进行倾斜观测。与传统的经纬仪(全站仪)投点法不同的是，传统投点法观测到的倾斜方向与观测墙面平行，而改进后的方法观测到的倾斜方向则与观测墙面垂直。2)此方法是在传统经纬仪(全站仪)投点法的基础上进行的改进方法，虽然可以对非直角墙角的建筑进行整体倾斜观测，但是仍无法避免既有建筑外墙保温和装饰装修等对观测结果的影响。