基于全站仪反射片技术的高层建筑物倾斜测量方法探讨

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　　摘要：鉴于高层建筑物主体直接倾斜变形难以测量的问题，提出基于全站仪反射片技术的高程建筑物倾斜测量方法，给出该方法的基本原理，并对其精度进行研究评定，通过工程实例探讨了本方法的可行性，同时分析了高层建筑物主体倾斜产生的原因并给出简明的治理办法。研究结果显示该方法在保证测量精度的同时，能够很好的完成高层建筑物主体倾斜监测工作，同时最大程度的解决建筑场地狭小无法完成正交垂直投点标定法倾斜测量的问题。
　　
　　关键词: 倾斜观测;全站仪反射片;精度评定
　　随着城市化进程的加速，城市中高层建筑物的数量越来越多，建筑物主体倾斜测量作为建筑物变形监测的一部分，其重要性也越来越明显。《规范》中规定在建筑物外部进行建筑物主体倾斜测量，测站点距建筑物主体应在1.5-2倍建筑物高的范围内，但对高层建筑物进行倾斜观测时其施工场地一般受限严重，传统的经纬仪正交垂直投点标定法已很难顺利实施，而使用免棱镜全站仪进行建筑物倾斜监测的方法也存在监测点位难以确定等问题，难以保证测量精度。鉴于以上问题，笔者提出基于全站仪反射片技术的高层建筑物倾斜测量方法，对高层建筑物倾斜测量的相关问题进行研究。
　　1 基本原理
　　基于全站仪反射片技术的高层建筑物倾斜测量是在被测建筑物所在工业场地上建立独立坐标系, 使用全站仪反射片（图1）在建筑物待测面上布设监测点，通过高精度全站仪直接观测建筑物上倾斜监测点三维坐标，获取建筑物主体或各层间监测点的x方向和y方向的倾斜位移值 ， ，继而计算总体倾斜位移 ，再根据公式（1）[2]即可计算出建筑物的总体倾斜度，x方向倾斜度和y方向倾斜度。
　　（1）
　　式中H为监测点间高差。整个测量操作方法如下：
　　（1）施工场地独立坐标系的建立及倾斜监测点布设
　　在被监测建筑物工业场地建立独立坐标系，选择合适的测站点O和定向点A，使测站点O和定向点A连线尽量与被监测建筑物的一边平行，将测站点O作为独立坐标系原点，定向点A与测站点O连线为独立坐标系X轴，水平正交方向为Y轴。使被监测建筑物落于独立坐标系第一象限，使用全站仪反射片在建筑物拟监测墙面的上、下四个角点分别布设倾斜监测点1、2、3、4，详细位置见示意图 2。
　　（2）监测及数据处理
　　在测站点O架设高精度全站仪，输入O点坐标（0, 0, 0），后视A点定向，输入A点坐标（XA, 0, 0），在已建的独立坐标系下测定建筑物上倾斜监测点三维坐标（X1,Y1, Z1）、（X2,Y2, Z2）、（X3,Y3, Z3）、（X4,Y4, Z4）。
　　 为点4相对点1在垂直墙面方向的位移， 为正，监测点4相对监测点1向独立坐标系X轴负方向移动， 为负，监测点4相对监测点1向独立坐标系X轴正方向移动，最终倾斜方向可视建筑物整体方位对其进行表述； 得出后，进而计算监测点4相对于监测点1垂直墙面方向的倾斜值为：
　　
　　
　　
　　
　　图1 全站仪反射片 图2 倾斜监测独立坐标系及建筑物
　　监测点布设示意图
　　 为点4相对于点1在平行墙面方向的位移， 为正，监测点4相对监测点1向独立坐标系Y轴负方向移动， 为负，监测点4相对监测点1向独立坐标系Y轴正方向移动，最终倾斜方向可视建筑物整体方位对其进行表述； 得出后，进一步计算监测点4相对于监测点1平行于墙面方向的倾斜值为：
　　
　　则监测点4相对于监测点1的总体倾斜值为：
　　
　　则监测点4相对于监测点1在垂直、平行墙体方向和建筑物整体的倾斜度分别为：
　　 、 、
　　相应的建筑物顶部监测点3相对于底部监测点2的相对倾斜值和倾斜度同样按以上方法计算,计算过程略。
　　2精度评定
　　根据极坐标公式[1]
　　 （2）
　　 （3）
　　假设测站点和定向点无误差，按误差传播定律计算可得：
　　（4）
　　（5）
　　以上各式中X0、Y0 为测站平面坐标（0,0），S为观测边长(斜距)， 为垂直角， 为方向角，
　　则计算可得监测点垂直和平行墙面方向中误差为：
　　（6）
　　 （7）
　　 监测点总位移中误差：
　　 （8）
　　 由于同一仪器的测角误差相同，即 ，则（8）式可化为：
　　 （9）
　　分析各中误差推导式（6）（7）（9），由于各式分母中 的存在，且由于施工场地限制观测边长S一般较短（大部分小于200米），因此式（6）中 主要受 变化的影响，式（7）中 主要受 影响，式（9）中 主要受 影响。因此，在测量过程中重点保证测距中误差即可保证测量结果的精度；同时可见垂直角 越大， 越小，相应的精度就越高。
　　由以上分析可知，《规范》[2]中规定的测站点距被测建筑物1.5-2倍建筑物高的规定是为了倾斜观测操作的方便，同时也是为了避免受现场施工的影响考虑的，与倾斜观测精度无关。因此在实际高层建筑物倾斜监测过程中，应在保证测量作业安全且不受现场施工影响的情况下，尽量缩短测站点与被测建筑物间距离，以获得更高的监测精度。
　　以现有测角精度1″，测距精度2+2ppm的高精度拓普康全站仪进行评定，在大部分施工场地条件下，一般高层建筑物在100米以内，为保证精度取 角尽量大，则按《规范》测站点到建筑物最大距离为150米，相应观测边长最大按180米考虑，综合计算现有仪器的最大点位中误差为：
　　 2.15mm
　　以上点位中误差精度可以满足《建筑物变形测量规范JGJ 8―2007》[2]中对重要建筑物主体倾斜观测点中误差小于3mm的要求，精度可靠。
　　3 工程实例
　　我市某小区6#楼高21层，已封顶，由于其东南侧开挖一大型基坑，楼体沉降监测过程中显示整个楼体略向北侧倾斜，现根据施工方要求需对楼体倾斜度进行测量。
　　在楼体东侧施工影响范围外建立测站点O，在该楼东南部附近院落一旧楼顶部选择定向点A，使OA连线尽量平行于4#楼南墙，建立独立坐标系，设O点坐标为（0,0,0），多测回测定后确定A点坐标为（102.232,0,3.533）。
　　在6#楼南墙面近似各个角点位置布设倾斜监测点四个1、2、3、4，在西墙上西南角上下位置布设监测点两个5、6，全部使用射钉枪固定在墙体上，点位稳定，见示意图3。
　　
　　
　　
　　图3 某小区6#楼体倾斜监测点布点图
　　使用测角精度1″标程精度2+2ppm的高精度拓普康全站仪，按前文方法对楼体上倾斜监测点进行测量，所获坐标数据见表1。
　　表1 某小区6#楼主体首期监测数据
　　倾斜监测点号 三维坐标（X,Y,Z）
　　1 18.954,16.585,0.321
　　2 18.986,96.514,0.453
　　3 18.990,96.511,61.322
　　4 18.960,16.583,61.522
　　5 19.066,16.515,0.432
　　6 19.068,16.514,61.433
　　
　　计算后楼顶监测点相对楼底监测点的倾斜情况见表2。
　　表2 某小区6#楼主体倾斜计算数据
　　监测线 分方向倾斜值 总倾斜/°
　　 垂直墙体/° 平行墙体/°
　　4―1 0.000130717 -0.00039215 0.024
　　3―2 0.000460004 -0.000230002 0.029
　　6―5 0.000213111 -0.000327863 0.022
　　
　　根据以上计算内容分析可知，小区6#楼高整体向东南方向倾斜，平均倾斜0.025 度。
　　4 结语及注意事项
　　综上，采用基于全站仪反射片技术进行高层建筑物倾斜测量，完全能够满足《规范》[2]精度要求，同时能够最大程度的减弱施工场地对测量操作的影响，只需架设一次仪器就可完成整个倾斜测量过程，是一种值得推广使用的方法。
　　本方法简单实用，在操作过程中应注意以下问题：
　　（1）建立施工场地独立坐标系过程中，应尽力使测站点O和定向点A连线与被监测建筑物一边平行；
　　（2）倾斜监测点布设中，应保证反射片长期固定，建议使用射钉枪等固定设备，同时要与施工人员做好交流避免反射片损坏和遗失；
　　（3）布点时还要保证监测点与测站点通视，建筑物建设过程中层间倾斜监测时可在每层相同位置布设倾斜监测点，将建筑物防护网截取一部分，保证监测点与测站点通视；
　　（4）监测时要充分考虑时间、风力等因素，每期监测的时间应选择一天中相同的时间，避免风力太大时的进行监测，以保证监测精度
　　（5）《规范》中规定建筑物外进行建筑物主体倾斜测量，测站点距离建筑物应在1.5~2倍建筑物高的范围内，但在本文精度分析中研究认为垂直角 越大，精度就越高。因此，在实际工作中应在测量作业安全的情况下尽量缩短测站点与被测建筑物间距离，以获得更高的监测精度。
　　参考文献：(References)
　　[1] 高井祥.测量学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2005.
　　[2] 中华人民共和国建设部.建筑变形测量规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2008.3
　　[3]武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与平差基础[M].武汉:武汉大学出版社,2005.
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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