1、收稿日期: 2021 12 16基金项目: 国家自然科学基金面上项目( 项目编号: 41877269) 。作者简介: 谭龙， 工程师， 硕士。Email: tanlongaini123163 com* 通信作者: 韦昌富， 研究员， 博士， 研究方向: 多相孔隙介质理论及其应用。Email: cfwei whrsm ac cndoi: 10 3969/j issn 2095 4565 2022 04 009超高层建筑主体沉降及倾斜的监测方法谭龙1， 韦昌富2*( 1 山东建勘集团有限公司， 山东 济南 250031; 2 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室， 湖北 武汉
2、430071)摘要:以济南某超高层主体施工项目为例， 对超高层建筑物主体沉降、 倾斜的常用观测方法及其适用性展开了研究。研究表明， 超高层建筑物主体施工监测需结合主体结构形式和现场工程实际， 综合采用倾斜间接法、 投点法、 前方交会法等观测方法， 并制定详细的监测方案， 有助于提高观测效率和准确性。文章的研究方法和结论对超高层主体施工监测有一定的借鉴意义。关键词:超高层建筑; 主体沉降; 倾斜监测; 差异沉降中图分类号: TU196 2文献标志码: A文章编号: 2095 4565( 2022) 04 0038 06Monitoring Methods of Main Settlement a
3、nd Inclinationof Super High rise BuildingsTAN Long1， WEI Changfu2*( 1 Shandong Jiankan Group Co ， Ltd ， Jinan Shandong 250031;2 State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering， Institute ofock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences， Wuhan Hubei 430071)Abstract:Taking a sup
4、er high rise main construction project in Jinan as an example，this paper studies thecommon observation methods and their applicability of the main settlement and inclination of super high risebuildings The research shows that the main construction monitoring of super high rise buildings needs tocomb
5、ine the main structure form and field engineering practice，comprehensively adopt the observation meth-ods such as inclined indirect method， projection point method and forward intersection method， and formulatea detailed monitoring scheme，which helps to improve the observation efficiency and accurac
6、y The researchmethods and conclusions of this paper provides a certain reference significance for the construction monitoringof super high rise main bodyKey words:super high rise buildings; main settlement; inclination monitoring; differential settlement随着我国城市化快速发展， 为了节约城市土地资源， 高层和超高层建筑日益增多。高层建筑物对差异
7、沉降和倾斜度比较敏感， 因此相关规范对其有严格规定1 ， 并要求在施工期间和使用期间对主体结构进行严密的沉降观测和倾斜监测， 以便及时发现问题。第 38 卷第 4 期2022 年 8 月湖北理工学院学报JOUNAL OF HUBEI POLYTECHNIC UNIVESITYVol 38No 4Aug2022目前， 常见的建筑物主体沉降和倾斜监测方法有水准测量法、 投点法、 水平角观测法、 前方交会法、 纵横轴线法、 激光铅直仪法、 垂准法、 倾斜仪法和差异沉降法等1 。石利情等2 基于全站仪在建筑物楼房角布设上、 下 2 个标志点进行投点法倾斜监测， 采用电子水准仪进行建筑物沉降观测， 通过
8、工程实例验证了倾斜和沉降监测方法的可靠。覃辉3 运用前方交会方法对建筑物倾斜进行监测， 获得了很高的点位测量精度。郑磊4 基于免棱镜全站仪的“水平距作差法” 很好地解决了塔体施工过程中通视条件较差难以利用常规方法进行塔体倾斜位移监测的难题。黄新民等5 通过现场沉降监测， 运用对比分析与回归分析方法验证了建筑物的基础沉降与整体倾斜之间的线性正相关关系。张立群等6 基于免棱镜全站仪测量了建筑物主体两墙面相交的一组棱线顶端相对于底端的偏移量， 其解析交会点精度可达到二等水平位移监测精度要求。涂群生7 建立了建筑物的变形监测系统， 在导线控制点上架设全站仪测量了建筑物上下房角的三维坐标来计算倾斜值，
9、提高了监测效率， 并解决了测点通视问题。以上研究均表明， 对高层、特别是超高层建筑物的沉降和倾斜进行监测，需结合工程现场， 综合运用多种观测方法才能达到预期效果。本文以济南某超高层监测工程为例， 详细介绍了超高层建筑沉降和倾斜观测点的布置原则以及观测方法， 探讨了各观测方法在本工程的适用性， 旨在为今后超高层的沉降观测和倾斜监测提供借鉴。1工程概况济南某超高层项目由 2 座塔楼( T1 塔楼、T2 塔楼) 和 2 座商业裙房( P1 裙房、 P2 裙房)组成。T1 为圆筒型高层建筑， T2 为方形外观高层建筑。项目一期工程包含地下室及 T2 塔楼， 二期工程包含 T1 塔楼、 裙房 1 及裙房
10、 2。总用地面积为 21 317 m2， 建筑面积约为282 343 m2。该项目高层建筑物的基础信息见表 1。表 1高层建筑物的基础信息名称幕墙顶标高/m结构高度/m层数结构类型基础形式T1 塔楼3261029764型钢混凝土框架柱 钢筋混凝土核心筒桩筏基础T2 塔楼121159923钢筋混凝土 核心筒桩筏基础P1 裙房2374框架天然地基筏板P2 裙房142框架天然地基筏板2主体沉降监测2 1监测点布设在建筑物主体结构施工时， 随着主体荷载增加， 建筑物沉降会逐渐增大。沉降监测有助于及时判别异常沉降、 不均匀沉降， 避免建筑物主体结构存在破坏风险， 是保证高层建筑物施工安全的有效措施。根据
11、建筑变形测量规程( JGJ /T 82016)1 和设计文件， 2 座塔楼和 2 座裙房的沉降监测点布设原则为 T1 和 T2 核心筒四角、4 栋建筑的四角、 沿外墙每 10 20 m 处、 高低层建筑交接处。本项目 3 个高程基准点埋设在沉降影响范围以外的稳定且易保护的位置( 距离沉降观测点约 100 m) ， 2 个工作基点距离沉降观测点约 60 m( 2 倍基坑深度外) 。建筑物沉降测点采用混凝土现浇预埋， 分 2 个阶段布设。1) 基础施工时， 现场将定制的蘑菇头型监测点与基础底板钢筋绑扎固定， 底板混凝土浇筑后， 测点与底板紧密结合。现浇预埋测点相对 传 统 后 期 钻 孔 埋 设
12、更 稳 固、 位 置 更 精确8 。2) 建筑物结构施工至 0 以上时， 在 1 层地面 30 cm 以上位置预埋 L 型监测点， 埋设方法同上。L 型沉降测点示意图如图 1 所示。第 4 期谭龙， 韦昌富: 超高层建筑主体沉降及倾斜的监测方法39图 1L 型沉降测点示意图位于底板的测点主要用于主体结构施工期间建筑物的沉降监测， 其数据观测至装修拆除后结束。位于 1 层的测点既用于主体施工期间的沉降监测， 也用于建筑物使用期间的长期沉降观测， 应做好长期保护标识。2 2监测方法采用美国天宝 Trimble DiNi03 电子水准仪， 配 1 对 2 m 条码尺， 其标称精度为每千米高程中误差
13、0 3 mm， 最小显示 0 01 mm。主体沉降观测按二等水准测量要求进行1 。每期测量作业开始时， 先将工作基点与基准点进行联测， 再利用工作基点对监测点进行观测。每次测量时， 在相同的时段和环境条件下， 采用相同的监测线路、 监测方法、 监测人员、 监测仪器和设备对不同的建筑物进行高程测量9 。首次观测时， 取 3 次测量值的平均值作为测点初始值， 每期测量完成后， 根据测量误差理论和统计检验原理对所测数据进行平差计算分析。如观测限差超限， 则应重测。底板完成后开始观测， 底板初凝观测 1 次， 之后每施工 3 层观测 1 次， 竣工后第 1 年观测不少于 4 次， 第 2 年不少于 3
14、 次， 以后每年 1 次直至沉降稳定， 观测期不少于 5 a。2 3计算方法以下基准点为已知高程点， 利用测得的各监测点与基准点的高差， 可得到各监测点的高程 H， 其与上次测得高程的差值h 为该监测点的沉降值， 即:h( 1， 0)= H( 1) H( 0)( 1)式 ( 1)中， H ( 0)为监测点上次高程; H( 1) 为监测点本次高程; h( 1， 0) 为监测点沉降值。2 4沉降分析在监测周期内， 对建筑物沉降测点进行重复观测， 计算得出沉降测点累计沉降量、 沉降速率及差异沉降值， 并对其数值与变形允许值进行对比分析， 以便判别建筑物沉降是否超标或是否存在异常10 ， 也可间接计算
15、建筑物的倾斜值。3主体倾斜监测3 1监测点布设本工程监测控制网为假定平面坐标系。在施工区域影响范围外的稳定区域布设基准点， 在 T1 和 T2 塔楼基础前布设完控制网， 并完成基准点的联测。平差计算后获得各基准点的平面坐标， 通过比较其坐标差值对基准点稳定性进行判别， 及时剔除不稳定点1 。基准点 1 个月复测 1 次。T1 和 T2 塔楼每层监测点示意图分别如图 2 和图 3 所示。按假定坐标系控制点布设要求， 在 T1 塔楼四周分别布设 S1， S2， S3， S4平面 控 制 点， 同 时 在 T2 塔 楼 四 周 布 设 1，2， 3， 4 平面控制点。2 座塔楼单独布设控制网是为了避
16、免随着 T1 和 T2 施工楼层增高，基准点与测点产生通视问题， 影响监测数据的连续性。T2 塔楼建筑物建成高度为 121 15 m， 地上部分有 23 层， 建筑物外观为方形结构。先施工核心筒结构， 然后施工玻璃幕墙结构， 建筑物倾斜测点需要在核心筒和玻璃幕墙分别布设， 确保倾斜监测的连续性。从建筑物外部进行倾斜监测观测时， 经与施工单位沟通确认， 建筑物外墙和顶部不具备布设固定棱镜的条件。本次监测采用的非预埋观测标志为可粘贴反射片标志。在建筑物高度 20 m 和 90 m 处分层布设监测点， 每层 4个监测点， 分别位于建筑物四边位置， 监测点位命名规则为建筑楼号 + ( A， B， C，
17、 D)+ 高度。T1 塔楼建筑物建成高度为 326 10 m， 地上部分有 64 层， 建筑物外观为圆筒结构。在建筑物高度 20， 100， 200， 290 m 处分层布设监测点， 每层 4 个监测点， 分别位于建筑物四40湖北理工学院学报2022 年周位置， 运用全站仪将建筑物任一角不同高度的测点辅助布设在同一垂直线上。考虑到 T1塔楼结构高度为 297 m， 故未在 300 m 的玻璃幕墙上布设监测点。根据施工进度分阶段埋设不同高度的监测点。埋设时， 采用全站仪三角高程确定测点的高度和精确位置， 由施工单位提供高空作业吊篮。图 2T1 塔楼每层监测点示意图图 3T2 塔楼每层监测点示意图
18、3 2监测方法采用徕卡 TS30 超高精度全站仪( 标称精度 0 5和 0 6 mm + 1 ppm) 进行监测。监测点布设完成后， 仪器测站点选在距照准目标1 5 2 0 倍目标高度的固定位置。以北方向为 X 轴， 东方向为 Y 轴， 高度方向为 Z 轴， 3 次以上测量数值的平均值作为各倾斜测点的初始值。同时， 为了减小周边环境的施工扰动、温度、 强日照、 大风等不利条件影响， 采集时间通常在早上 6 007 00 和 17 0018 00， 每次采集 3 次数据， 其平均值作为观测结果。考虑到 T1 和 T2 塔楼建筑物顶部与底部之间中间位置的竖向方向不具备通视观测条件， 无法采用激光垂
19、准测量， 故本项目可采用倾斜间接法、 投点法及前方交会法， 下面对此进行详细说明。3 2 1间接法根 据建 筑 变 形 测 量 规 程 ( JGJ 82016)1 ， 利用相对沉降量间接计算建筑物主体的倾斜， 即针对主体沉降的楼体各边的监测数据， 采用楼体同一边上两测点之间的差异沉降和距离计算倾斜值及倾斜方向。建筑物倾斜观测间接法示意图如图 4 所示。图 4建筑物倾斜观测间接法示意图i = tan =hL( 2)d =hLH( 3)式( 2) 和式( 3) 中， i 为建筑物主体的倾斜度; 为倾斜角度; h 为建筑物主体同边 2个沉降点的相对沉降量或差异沉降量; L 为建筑物的 2 个沉降点之
20、间的距离; d 为建筑物上、 下部分相对位移值或倾斜值; H 为建筑物的高度。间接法的本质是利用“线” 的倾斜来反映“体” 的倾斜， 而“体” 的倾斜往往是三维的， 因此间接法反算出的倾斜是失真的。本项目中，建筑物的同一高度上存在多个测点， 根据其沉降可以算出该平面的倾斜。进一步地， 不同高度的平面倾斜可以真实地反映建筑物的三维倾斜状态。第 4 期谭龙， 韦昌富: 超高层建筑主体沉降及倾斜的监测方法413 2 2投点法在建筑物同一个竖直面的上、 下部位布设倾斜监测点。运用全站仪辅助照准建筑物 X墙体上部 A 观测点， 采用盘左盘右分中投点法， 确定 X 墙体下部 B 观测点。同理， 在与 X墙
21、面垂直的 Y 墙面上部布设 C 观测点和下部布设 D 观测点。A， B 和 C， D 即为建筑物主体倾斜观测标志的位置。盘左、 盘右分中投点法的具体操作为: 将全站仪放置在基准点上， 仪器整平、 调整对中，用盘左照准建筑物上面的 A 点， 水平制动， 纵转照准部， 使其提供 1 条垂线， 相交于建筑物底部基准线上。同理， 盘右也在基准线上标记垂线， 2 条垂线在水平基准线上取中值。在下一个监测周期， 在原基准点位置安置全站仪， 分别照准倾斜监测点 A 和 C， 用盘左、盘右分中投点法确定 B和 D位置。建筑物倾斜观测投点法示意图如图 5 所示。如果 B 和 B、 D 和 D不重合， 则建筑物发
22、生了倾斜。用钢尺分别测量出 X 墙和 Y 墙的偏移量ab 和cd， 然后用矢量相加的方法，计算出该建筑物的总偏移值d。d =( ab)2+ ( cd)2( 4)i =dH( 5)式( 4) ( 5) 中， d 为建筑物主体的总偏移量; ab 为建筑物 X 墙面的倾斜偏移量;cd 为建筑物 Y 墙面的倾斜偏移量; i 为建筑物主体的倾斜度; H 为建筑物的高度。图 5建筑物倾斜观测投点法示意图投点法现场测量相对简单， 可直观得出倾斜偏移量， 应用时应重点考虑建筑物倾斜测点的布设困难、 仪器设站的空间距离问题。本项目中， 核心筒上的 AC 和 BD 分别布置在同一层的混凝土梁上， 对于结构外部框架
23、， AC 和BD 分别布置在同一层的楼板或外墙上。3 2 3前方交会法T1 塔楼是类圆筒结构外形， P 点为建筑物顶部中心位置， P 点为建筑物底部中心位置。现场前方交会法如图 6 所示。在建筑物一侧布设监测基线 EF， 基线的长度通常小于5 倍的建筑物高度， 其中 E 基准点和 F 基准点应在远离施工影响范围的稳定且易保护的位置上布置， 也可在附近稳定的易于观测的建筑物上布设。首先在 E 基准点上安置全站仪， 测量建筑物顶部 P 两侧切线与基线的夹角， 求取其平均值 。同理， 在 F 基准点上安置全站仪， 测量建筑物顶部 P 两侧切线与基线的夹角， 求取其平均值 。然后利用前方交会公式计算出
24、建筑物顶部 P 点的平面坐标。重复以上操作， 计算得到建筑物底部 P点的平面坐标。在 三 角 形 EFP 中， 已 知 E 点 的 坐 标 为( xE， yE) ， F 点的坐标为( xF， yF) 。分别在 E和 F 点上设站， 测量并计算得出 和 2 个角， 通 过 解 算 三 角 形 算 出 未 知 P 点 的 坐 标( xP， yP) 。这种方法称为测角前方交会法。图 6现场前方交会法根据文献 11 ， 当EFP 的点号是依 E，F， P 按照逆时针方向编码的， 其中 E， F 是已知点， P 为未知点。P 点的坐标计算公式为:xp=xEcot + xFcot + yF yEcot +
25、 cot( 6)42湖北理工学院学报2022 年yp=yEcot + yFcot xF+ xEcot + cot( 7)通过 P 点( xP， yP) 和 P点( xP， yP) 两点的平面坐标， 可由坐标反算公式计算 P 和 P两点之间的平距， 其平距也即倾斜偏移值d。d =( xP xP)2+ ( yP yP)2( 8)前方交会倾斜监测法适用于圆筒型 建( 构) 筑物倾斜测量， 尤其是在不具备埋设监测点的圆筒型建筑物上优势更明显。该方法需要稳定且远距离的基准点， 作业空间大， 并通过计算上部和下部的圆筒中心坐标的方式推算主体结构的倾斜偏移量， 计算相对复杂。3 3倾斜监测方法比选根据工程实
26、际， 考虑到建筑物主体沉降是该工程的必测项目， 可以用同边的沉降测点的数据间接计算建筑物主体的倾斜度和不同高度的倾斜偏移值。T1 塔楼是圆筒状外形， 可采用前方交会法测建筑物倾斜。为了更好地判断建筑物主体的倾斜情况， 可将该方法的倾斜测量结果与相对沉降量间接法测量的数据进行对比分析。值得注意的是， 间接法的偏移量要换算到同样的楼层高度。根据现场踏勘情况， T1 塔楼也可采用投点法观测， 也应同步布设监测点， 并完成初始值采集， 以便后期的对比分析。T2 塔楼是方形外观， 可采用投点法观测倾斜， 将每期倾斜数据与间接法数据对比分析， 综合判定楼体的倾斜情况。4结束语通过对主体沉降、 倾斜观测的方
27、法进行探讨， 可得出以下结论。1) 用建筑物上同一高度测点的沉降量计算测点所在平面的倾斜， 再用沿建筑物高度分布的多个平面倾斜来反映建筑物的真实三维倾斜， 方法简单， 具有很好的实用性。2) 建筑物倾斜观测受现场施工扰动、 温度变化、 强日照、 大风等不利条件影响较大， 此时需采用多种倾斜观测方法， 综合研判倾斜变化情况， 更好地指导现场施工。3) 对于由核心筒和外部框架组成的建筑结构， 需要联合实施核心筒和外部框架的监测， 并注意监测数据的连续性。4) 案例工程成功应用了间接法、 投点法、前方交会法 3 种倾斜监测方法， 可为今后超高层的大型建筑工程的倾斜监测提供参考和借鉴。参 考 文 献
28、1中华人民共和国住房和城乡建设部 建筑变形测量规范: JGJ 82016 S 北京: 中国建筑工业出版社， 2016: 12 14 2石利情， 姚永涛 关于高层建筑沉降及倾斜监测 J 科技创新导报， 2012， 9( 18) : 30 31 3覃辉 前方交会在建筑物倾斜监测中的应用 J 测绘工程， 2002， 11( 4) : 47 49 4郑磊 圆形塔体施工过程中倾斜位移监测新方法及效用研究 J 北京测绘， 2013( 4) : 57 58 5黄新民， 郭树森， 邓建林， 等 建筑物变形监测沉降与倾斜成果关联性分析J 现代测绘，2020， 43( 6) : 19 23 6张立群， 赵仲荣，
29、袁树才， 等 免棱镜全站仪在建筑物倾斜监测中应用与分析J 测绘工程， 2011， 20( 2) : 57 60 7涂群生 建筑物变形监测系统的建立及使用 J 黄石理工学院学报， 2010， 26( 5) : 41 43 8王银平 高层建筑物沉降变形监测分析J 江苏建筑， 2014( 3) : 37 38， 65 9鲁玉芬， 开明， 汪圣杰 组合预测模型在建筑物沉降预测中的应用J 湖北理工学院学报， 2020， 36( 4) : 27 30 10 中华人民共和国住房和城乡建设部， 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 建筑地基基础设计规范: GB 500072011 S 北京:中国建筑工业出版社， 2011: 26 28 11 武汉测绘科技大学 测量学 编写组 测量学 M 3 版 陆国胜编订 北京: 测绘出版社，2015: 201 205( 责任编辑李玉花)第 4 期谭龙， 韦昌富: 超高层建筑主体沉降及倾斜的监测方法43
