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寇 琛，张 业，陈 轩，朱井学，张小刚，候 乐
(中建八局第一建设有限公司，山东 济南 250100)
伴随着基础建设工作的持续推进，新型城镇化建设的不断发展，大量群体性建筑工程持续增加。相较于普通的单体建筑，群体性建筑施工过程中的非正常沉降概率更高，建筑的倾覆风险更大。建筑物的非正常沉降将造成结构出现不同程度的质量问题，甚至会影响建筑物投入使用后稳定性和安全性[1-2]。施工过程中建筑物的沉降观测是掌握建筑物沉降情况的重要举措，对结构非正常沉降的及时发现，并采取应对措施，可有效避免建筑非正常沉降引起的结构破坏。
施工过程中结构的沉降观测通常采用静力水准仪，通过人工观测的方法对结构的沉降情况进行观测，然而观测结果的精确性往往受人为因素的影响较大。对于大型群体性建筑沉降观测任务更为繁重，数据处理任务也更为繁杂，采用人工观测的方法已无法满足和适应高精度观测要求。近年来计算机技术及网络技术实现了飞跃式的发展，为结构变形监测技术提供新的手段与技术，如曹金嘎[3]与李家春[4]采用北斗卫星导航技术对建筑深基坑与边坡变形进行监测，张隆伟[5]通过电子水准仪对边坡沉降情况进行自动化监测，吴俊[6]系统地阐述了自动化沉降、倾斜监测系统应用中的工作原理。目前对于大型群楼的自动化沉降观测技术，还鲜有探索研究，群楼自动化沉降观测有待进一步的开发。
郑东新区科学谷数字小镇建设项目（一期）EPC 总承包第二标段位于郑州市郑东新区云溪北路以南，东科路以东，雁鸣路以西，云溪以北，总建筑面积48.45 万m2，其中地上建筑面积共计约30.75 万m2，地下建筑面积共计约17.70 万m2。项目共有单体56 栋，办公、配套商业、学校、综合展览馆单体23 栋，住宅区单体33 栋，属于大型群体性建筑，施工过程中结构的沉降观测难度大，监测数据繁重。
该工程用地范围内水位较高、土质松软，建筑物的大幅变形风险较大。项目针对变形观测的各种复杂因素，采用先进的智能云监测技术，建立了群楼变形监测平台。采用本云监测系统平台，可实现主体沉降的精准监测，以及大幅变形状态下的变形预警。
本工程基于压差式静力水准仪、北斗云数据采集系统、GNSS 监测传感器、物联网基础服务平台（GIS）、5G 智能终端数据接收系统等，建立了智云监测系统，如图1 所示。图2 进一步给出了智云监测系统的工作原理，系统通过GNSS监测传感器内嵌的北斗云系统对结构实施精准定位，自主识别群楼结构坐标位置的变化情况，系统自主获取压差式静力水准仪的压力测量值的变化，通过各测点的压力变化量，进而分析地表的相对沉降高度。采用该智云监测系统，可对建筑结构的沉降情况进行智能化监测，实现结构变形情况的实时精准监测，以及沉降量的累计记录。同时，当结构的变形情况超过一定幅值时，系统将通过5G 智能终端进行报警提示，形成了识别-处理-反馈-预警为一体的大型群楼变形云监测系统。
图2 智云监测系统原理图
在车库顶板上分区域设置监测基准点，沿各主楼负一层区域对称布置静力水准仪，对主楼的沉降进行监测。现场测点布置情况如图3～图4所示。在系统正式运行前，反复对整个云监测系统进行调试，重点复核静力水准仪的测试精度、信号传输的稳定性、GIS 平台的稳定运行情况，以保证整个测试数据的精准性与有效性。
图3 某主楼区域内的测点布置
图4 现场测点布置
工程基于智云监测系统对结构从1 层施工至顶层过程中的沉降情况进行了采集，获得了结构的实时沉降观测值，对沉降数据进行智能处理，得到了结构的累计沉降量。本文以群楼中某一单体建筑为例，给出1 个月内该结构的单日沉降量、累计沉降量情况，如图5～6 所示。由图可知，各测点观测得到的结构单日沉降量较为接近，累计沉降量的变化趋势相同，随着时间的推移，结构累计沉降量近似呈线性增长的趋势；
各测点识别得到的结构单日沉降量与累计沉降量分别位于0～0.2mm 与2.1～2.2mm 的范围内，满足规范设计的要求[6]。
图5 某主体结构的单日沉降情况
图6 某主体结构的累计沉降情况
表1～表2 分别给出了1 个月内主体的施工情况以及不同阶段内的累计沉降量。由表中的沉降数据可知，不同测点识别得到的结构累计沉降量较为接近，结构每增加一层的累计沉降量为0.5～0.6mm。可见，智云监测系统具有很好的稳定性。
表1 现场施工情况
表2 智云监测系统识别的累计沉降量（单位：mm）
为了进一步对智云监测系统的精确性进行分析，沿主楼外侧靠近压力传感器附近布置人工观测点，对沉降数据进行复核。图7 与表3 分别给出了人工监测的测点布置与结构不同施工阶段的累计沉降量。将云监测值与人工测量值进行对比，两种方法得到的结果极为吻合。表4 给出了云监测值与人工测量值两者间的相对误差，两者的最大相对误差为18.03%，智云监测系统可以有效对结构的沉降情况进行记录。综合上述对比结果可知，云监测值与人工测量值两者无明显差异，智云监测系统的精确性可以满足工程实践的要求，适用于大型群体性建筑的沉降观测。
图7 某主楼区域内的人工测点布置
表3 人工监测识别的累计沉降量 （单位：mm）
表4 云监测系统的误差分析
工程基于智云监测系统平台对主体结构封顶后的沉降情况进行了采集，获得了结构封顶后的累计沉降量。图8 给出了某主体结构封顶砌体施工阶段30 天内的累计沉降量，由图可知，各测点识别得到的主体结构沉降情况相吻合，在主体结构封顶砌体施工阶段，结构的累计沉降情况趋于稳定，相较于主体结构施工阶段，此阶段内结构的累计沉降量相对较小；
结构在砌体施工阶段30天内的累计沉降增量均值为0.8mm。
图8 某主体结构的累计沉降情况
综合上述，砌体施工引起的结构沉降相对较小，结构的沉降主要发生在主体施工阶段。
大型群体性建筑沉降观测，具有观测难度大、数据采集信息量大、数据处理任务繁重等特点，人工方法对群楼的沉降情况进行观测，无法有效的保证数据的精确性。智云监测系统不仅可以有效地保证数据的精确性，极大地减轻人工观测任务，而且可以实现结构沉降量的实时精准监测、数据的智能化处理。另一方面，从经济成本角度出发，人工成本已成为工程项目费用的最重要组成之一，智云监测系统的综合成本投入远低于人工观测的人工成本费用。
本工程基于压差式静力水准仪、北斗云数据采集系统、物联网基础服务平台（GIS）、5G 智能终端数据接收系统等，建立了结构沉降智云监测系统。采用该智云监测系统，可对结构的沉降情况进行智能化监测，实现结构沉降情况的实时精准监测，以及沉降量的累计记录。
采用智云监测系统对大型群体性建筑进行沉降观测，相较于传统的人工沉降观测技术，可实现沉降数据的智能化采集与处理，减轻人工的观测任务，有效提高沉降观测数据的精准性，降低项目沉降观测的费用投入。
智云监测系统的整体精度受周围环境振动影响相对较大，周围环境的剧烈振动会降低传感器的计算精度。进一步提升传感器的稳定性，对提高云监测系统整体精度和稳定性具有重要意义。
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