建筑物沉降远程自动监测系统设计与应用

◇银川市勘察测绘院 李涛

老旧建筑物加固改造是城市建设和文明传承的重要手段。对建筑隔震加固技术墙柱进行托换抗震加固施工过程中，对建筑物沉降进行全面、自动化监测是建筑施工安全的重要保障。根据老旧建筑加固改造施工中建筑物沉降自动化监测需求，本文设计了一套建筑物沉降远程自动监测系统，利用磁致伸缩静力水准仪配合无线数据采集仪对建筑物沉降进行远程自动监测，将沉降位移量监测数据及时提供给施工部门。通过实例检验了建筑物沉降远程自动监测系统的有效性，并对其特性和适用条件进行了分析。

1 前言

城市老旧建筑物是城市文明的重要组成部分，很多老旧建筑仍然为医院、学校、社区等单位提供服务。如果拆除重建会因为规划红线的退让，无法在原地建设。要想延长老旧建筑物的使用寿命、增加电梯等功能，需要对其承重柱梁和基础等进行加固改造，增加建筑物抗震等级。加固改造后的老旧建筑，便既能满足人们的需要，又可保证改造后的安全使用，进而取得良好社会和经济效益。

老旧建筑物加固改造过程中，保持建筑物稳定性是施工安全的重要保障，因此，必须对建筑物内部和周边进行全面沉降监测。鉴于建筑物内部及周边结构的复杂性及水准测量观测的通视要求，水准测量难以保障实时自动化监测需求。为了能够在施工期和运营期准确掌握建筑物的变形情况，及早发现问题，处理问题，合理指导施工工序，利用传感器技术、信号采集传输技术以及网络技术和软件技术，设计与开发建筑物沉降自动监测系统、并实施沉降观测远程自动监测十分有必要。建筑物沉降远程自动监测系统将宏观、微观相结合，全方位监测被测结构的各种关键技术指标，记录时序监测数据，分析变形发展走势，以便辅助业主单位及政府进行决策，提升房屋结构变化预测和预报水平，有效防范和遏制不可逆转的事故发生。

2 建筑物沉降自动化监测系统组成及工作原理

建筑物沉降自动化监测系统由监测区传感器、数据采集装置、监测区信号采集发射接收及处理装置、监测计算机管理系统、数据库在线系统、手机在线和监测预报预警系统组成。自动化监测系统可以对实时监测数据进行处理、分析、预测以及分级报警，从而实现自动化监测与管理。

建筑物沉降自动监测的工作原理如下：将磁致伸缩式静力水准仪安装到各个监测点位上，往各静力水准仪内注入防冻液，采用连通管把它们连接起来，利用磁致伸缩式液位传感器将沉降监测数值实时通过无线数据采集仪发送到云平台监测管理软件上，第三方监测单位可实时通过监测管理软件查看监测数据信息及沉降变形趋势信息。依托时序的历史沉降数据，自动化监测系统可建立预警分析模型，当发生异常沉降时，及时自动发布预警消息到监测管理人员，启动相应应急预案。

2.1 液位传感器工作原理

根据建筑物沉降观测规范和要求，选取符合精度指标、分辨率高的磁致伸缩式静力水准仪用于沉降观测。静力水准仪采用磁致伸缩液位计作为基本传感器，通过测量电子仓内部发射部位到浮球的距离，推算出浮球所在液面的液位变化量，进而求取沉降位移量。该液位传感器是利用磁致伸缩原理研发出的一种新型高精度液位传感器，兼有非接触式、使用寿命长、稳定性好、精度高、重复性好等众多特点。

2.2 自动化监测系统结构原理

系统依据连通器原理，将被测沉降点及基准点用导压连通管串连，并在连通管内充入导压液体，通过测量各沉降点与基准点之间的液面变化量，即可计算出各测点的沉降量。本系统对各测点的容器埋设高程有一定要求，各测点容器高程差不应过大。测点容器由上下端盖及有机玻璃罩组成，上端盖安装一个磁致伸缩式液位传感器，当测点容器相对于基准容器和基准传感器或任意测点容器之间产生沉降或隆起变化时，整个系统水平面会有所改变。自动化监测系统通过接入标准信号测量模块获取监测数据，再利用计算模块求得各沉降监测点与基准点的相对沉降量。

2.3 静力水准的观测计算

图1 沉降量计算示意图

各观测点沉降或抬高的变化量△Hi(mm)可按下列公式计算：

其中，△hj表示静力水准仪基准点液位变化量(mm)，△hi表示静力水准仪各观测点液位变化量(mm)。

静力水准仪基准点液位变化量△hj(mm)可按下列公式计算：

其中，Kj-静力水准仪基准点传感器系数(mm/F)；Fj-静力水准仪基准点的当前读数(F)；Foj-静力水准仪基准点的初始读数(F)。

静力水准仪各观测点液位变化量△hi(mm)可按下列公式计算：

其中，Ki-静力水准仪观测点传感器系数(mm/F)；Foi-静力水准仪观测点的初始读数(F)；Fi-静力水准仪观测点的当前读数(F)。

由此，式（1）亦可按下列公式计算：

注：①计算的物理量符号，正值为液位上升，负值为液位下降。②△Hi为正值表示测点上浮，负值表示测点沉降。③单支传感器参数如K值等，详见传感器说明书。④计算时，请注意统一各参数的数量级、单位。

3 工程实例

某市医院建设项目的科学教研、行政综合楼及北侧与门诊楼相连的连廊进行建筑隔震加固技术墙柱托换抗震加固施工，为保证建筑物的安全施工，根据国家相关规范和建筑设计要求，对施工期间的建筑物进行沉降观测。

3.1 基准点布设

基准点是测定观测点沉降的基础。除考虑到基准点稳定性、长期性、使用方便的特点之外，基准点必须选择在建筑物基础压力扩散影响之外的区域，即沉陷区之外进行布设。结合本工程的具体情况，项目在该市医院建设工程施工区外设置一个基准点，采用一个磁致伸缩静力水准仪安装于稳定建筑物的柱体上作为监测基准点。

3.2 变形监测点的设置

为监测建筑物变形情况，项目参照设计图纸确定出具体能反映出建筑物变形特征、便于观测的监测点位置。在实际安装过程中，沉降监测点要符合各施工阶段的观测要求，要特别注意装修装饰阶段因墙或柱饰面施工而破坏或掩盖观测点的情况。设备的安装应避开如雨水管、窗台线、暖气片、暖水管、天然气管等有碍设标志及观测的障碍物，设备安装完毕后施工方应全力配合变形监测，并对变形监测点加以保护，严禁碰撞和人员踩踏，以保持变形监测的数据的连续和稳定。

3.3 建筑物沉降成果的分析报告

建筑物的沉降观测自2021年8月7日6时开始，至2021年11月27日19时，历时113天，监测期次从1期到18期。沉降观测数据采用磁致伸缩式静力水准仪自动采集，每天两次，分别为早七点、晚七点。根据设计要求及甲方意见，以周为数据采集周期进行数据分析。本示例数据分析选取每个观测周期晚七点所采集的数据进行数据分析。以下数据（表1、表2）为此次监测的相关数据及沉降分析图（图2、图3）。

表1 沉降量统计数据表

表2 沉降数据统计表

图2 沉降过程曲线

图3 沉降速度曲线

根据沉降数据分析表明，从数据采集11月27日，累计沉降量最大的为4.950mm（CJ10，18期），最大累计沉降速度：0.044mm/d（CJ10，18期），平均累计沉降速度0.030mm/d；最后一期最大沉降量-0.310mm（CJ8，第18期），最后一期最大沉降速度-0.044mm/d（CJ8，第18期），最后一期平均沉降速度-0.015mm/d。根据《建筑变形测量规范》（JGJ8-2016）中规定，建筑工程建筑物最后100天，沉降速率小于0.01-0.04mm/d，可认为建筑物目前处于稳定状态。

根据沉降过程线组合图可以明显地看出两个沉降阶段:第一阶段从2021年08月07日至2021年08月20日，设备处于调试阶段，图形变化幅度较大。第二阶段从2021年08月21日至11月27日，设备正常观测中，图形变化较平缓，基本无明显变化。从以上监测期各数据分析情况可以看出，在设备调试阶段，数据变化明显属正常现象，后期数据正常采集阶段各监测点的沉降速率相对稳定、最大沉降在规范允许范围内，各项数据指标均符合规范相关要求，说明该建筑物未出现明显沉降情况。在工程监测中，每一项监测项目都应该根据工程的实际情况、周边环境和设计书等事先确定相应监控报警值，用以判断支护结构受力情况、位移是否超过允许范围，进而判断建筑物安全性，决定是否对设计方案和施工方法进行调整，并采取有效及时的处理措施。因此，实际工作中一定要保证观测仪器稳定性，安装静力水准仪时，一定要固定稳固，并采用隔热棉和铁皮箱进行保护。往静力水准仪内注入防冻液时一定不能掺水，否则容易产生气泡，造成观测数据错误。

4 自动化监测系统特性分析与适用条件

进行自动化监测建筑物，必须在施工前就要把仪器设备提前安装好，整个系统调试稳定大约需要1周左右的时间，观测期间要派专人每天观察静力水准仪和连接管处是否存在气泡，仪器和连接管是否完好，并进行记录。实际监测工作中，应采用水准测量或三角高程测量配合自动化监测系统完成共同监测。出现监测数据异常时，应加大观测次数，进行两组数据对比，配合自动化监测系统共同完成数据分析。如果观测期间发生数据变化异常，需要立即通知施工单位。

静力水准仪全自动监测也存在一定局限性，静力水准仪和连接管内的液体会产生粘滞，当内部的连通液高度发生变化时，需经一段时间的流动才能重新达到平衡状态，所以静力水准仪全自动化监测系统不适合高速沉降变化量的监测。

5 结束语

实际测量工作中常规测量手段无法满足测量需求时，需要结合项目和相关规范规程的技术及精度要求，采用新型自动化测量仪器来完成工作。对精度要求高的建筑物改造、地铁、大坝及隧道等沉降监测项目中，可以采用静力水准仪全自动监测系统进行实时远程观测，采用恰当的观测方法和准确、快速的数据处理方法，得到可靠的观测数据，合理、科学、准确地反映、分析、预测出变形体的整体沉降状况，根据项目监控报警值判断监测点的受力情况、位移是否超过允许的范围，进而判断建筑物的安全性，并采取有效及时的处理措施。