建筑物倾斜观测方法研究

曾习文

（广州建设工程质量安全检测中心有限公司，广州 531000）

0 引言

近年来，随着建筑物倒塌事故频繁发生，建筑物的稳定性和安全性已经成为人们关注的重点。建筑物倾斜观测是保障建筑物安全的重要手段，它能有效地监测和评估建筑物的稳定状态。在使用场景中，倾斜观测既能够在施工运营中实施，也可以在紧急抢险项目中评估建筑物安全性展现其作用。关于建筑物倾斜观测的方法较多，本文对几种常用的观测方法进行了介绍和梳理。

1 建筑物倾斜观测基本原理

建筑物的倾斜观测分为整体观测和局部观测，在进行整体观测时，是通过测定建筑物顶部相对于底部的水平位移，计算建筑物整体的倾斜度和倾斜方向。当测定局部倾斜时，应该在同一竖直线上的上部和下部进行观测[1]。在进行建筑主体楼栋倾斜观测时，采用的是整体观测的方式，其观测原理如下：

如图1 所示，A 点和B 点位于某建筑物的顶部与底部点，且位于同一竖直线上，当建筑物发生了倾斜时，A 点相对于B 点位移了数值e。

图1 建筑物倾斜观测

则该建筑物的倾斜为：

式（1）中，h 为A、B 两点的高度差；i 为倾斜度；α 为倾斜角度。

2 建筑物倾斜测量方法

2.1 投影法

投影法采用的观测仪器是经纬仪或全站仪，投影时仪器需要固定在测站A 点上，整平对中后，用盘左盘右两个度盘位置往下投影，取中点M1，并量测中点M1与M 点在视线垂直方向的偏移值eM，见图2 所示。同理，在与原观测方向垂直的另一方向上，测得偏移值为eN，根据矢量相加的方法，计算出该建筑物的总偏移值为，见图2 所示。董春来等[2]通过对经纬仪投影法的分析得出三种实测方法，分别为：投影线交会法、测小角法、延长线法。其中延长线法的观测操作简易，测定精度高，可以较快完成测量作业。

图2 建筑物倾斜观测投影示意图

在实际作业过程中，投影法使用广泛，现场测量相对简单，可以快速直观地测出倾斜偏移量。

2.2 前方交会法

前方交会是一种实用性较强的经典测量方法。在目前全站仪精度都普遍较高的前提下，采用该方法能够测量较多高耸建筑物的倾斜，特别是圆形高耸建筑物，王瑞斌等[3]采用角度前方交会的方法对风电塔架进行观测，将塔架倾斜数据与基础倾斜数据相比对，其结果表明了该方法的数据可靠、测量精度较高，能够很好地在高耸建构筑物中运用。朱军桃等[4]在前方交会的基本原理下，提出了在三方交会情况下，增加一条基线，根据三角形性质确定交会点位的最优值，评定其精度，并通过了小角法倾斜测量结果和实地测量的方式验证了三方交会的可靠性。

前方交会法采用的观测仪器是经纬仪或全站仪，在进行控制网布设时，需要保证基准点通视，交会角宜在60°～120°之间[5]。

本方法控制网布设比较简单，可以根据测量需要建立独立坐标系，同时对于高耸建筑物该方法使用方便[6]。对于不具备埋设监测点的圆筒形建筑物，该方法的优势更为明显[7]。

2.3 差异沉降法

差异沉降法一般是针对建筑物局部倾斜观测，更多的是运用在地基基础的变形。根据JGJ8-2016 中关于倾斜的观测规定，利用相对沉降量间接确定建筑倾斜时，可采用水准测量或静力水准测量等方法通过测定差异沉降来计算倾斜值及倾斜方向。具体的测量方法是在建筑物楼体的基础上布设沉降观测点，通过测量两点的相对沉降量与两点之间的距离比值，来确定建筑物的倾斜及方向。

对于楼体构造较为方正的建筑物，可以通过在各个墙面基础上埋设沉降观测点，采用差异沉降及两点的距离来测量各个方向的倾斜值。针对在某个时间周期内的倾斜变化，该方法的精确度高，且操作便捷。

2.4 免棱镜全站仪测量法

传统的全站仪需要在目标上放置反射棱镜，以测量距离和角度。而免棱镜全站仪（Reflectorless Total Station，RTS）可以直接测量目标，无需额外的反射装置。免棱镜全站仪通常具有高精度，能够测量距离、水平角度和垂直角度，并生成精确的三维坐标数据。其次，免棱镜全站仪通常配备观测仪器、激光测距仪和计算机等设备，使测量更加高效和自动化。再者，免棱镜全站仪可以存储测量数据，并将其导出到计算机或其他设备进行后续分析和处理。而且与传统全站仪不同，免棱镜全站仪可以在没有直线视线的情况下进行测量，例如在复杂地形或障碍物密集的环境中。单就建筑物倾斜得观测而言，普通全站仪测量目标物的倾斜率时必须要测量出目标物的高度，而免棱镜全站仪可以直接跳过这一步，凭借其具有的特殊功能，直接测量出目标物的倾斜率。

2.5 激光扫描技术

三维激光扫描仪，通过测距机构发射激光，测量扫描仪到被测物体的空间距离，测角机构测量出扫描仪到被测物体的水平角与垂直角，根据所得到的水平角、垂直角与空间距离可以计算出被测物体相对三维激光扫描仪的相对位置，再引入绝对坐标可以求得被测物体的绝对空间坐标。进行点云数据采集完成后，需要对点云进行数据缩减、点云配准、点云降噪、点云后处理等精细化处理[8]。马彦凤[9]通过三维激光扫描的方法，采用最小二乘法进行曲线拟合建筑物中心线求取倾斜量和倾斜度，并通过全站仪对建筑物进行观测验证，其成果表示三维激光扫描能够满足一般建筑物倾斜观测的精度要求。

3 工程实例

3.1 工程概况

广州市某商住楼项目为地上5 层的钢筋混凝土框架结构，建筑面积约3600m2，建造时间为2017年。2022年8月起，因该房屋地基出现不均匀沉降，导致房屋主体结构出现较大的裂纹，对于住户产生了较大的安全隐患。为观测该房屋的变形情况，评估房屋的安全性，为后续加固提供指导意见，遂开展该房屋的倾斜观测。

3.2 观测方法

通过现场踏勘了解建筑物的整体情况及周边环境，采用全站仪免棱镜测量法进行倾斜观测。在建筑物的东南西北四个面的正前方设置基准点，对基准点进行标记，每次观测均在同一位置进行设站。在建筑物的各个立面，各选立面上下两个部位进行观测。采用Trimble S9 全站仪对建筑物四个面上的8 个点位进行观测（图3），在每个监测点的Z 轴上分别利用全站仪的免棱镜观测方法获取两个不同高度监测点的坐标差以得到房屋的偏移量，如图4 所示。下一个周期在固定的基准点上，同样对四个面的8 个点进行数据采集，通过对比三次不同的观测结果，能够有效地分析建筑物整体倾斜的变化量，了解其变形趋势。按照每月一测的监测频率进行观测。

图3 监测点位平面图

图4 QX1 观测立面图

3.3 数据分析

本次观测采取对建筑物各平面进行单独观测，对立面进行两两分析的方法，分析建筑物不均匀沉降导致的开裂及倾斜方向的原因。从3 次观测数据中看出：北方向中的QX3、QX4 的最大偏移量呈北偏移77.2mm（表1）；南方向中的QX7、QX8 的最大偏移量呈北偏移75.1mm；西方向的QX1、QX2 的最大偏移量呈东偏移17.4mm（表2）；东方向的QX5、QX6 的最大偏移呈东偏移35.2mm（表2）。由此可知该建筑物整体往北方向倾斜较大，并且往东方向倾斜存在不均匀现象。上述结果是影响建筑物墙体开裂的主要因素。

表1 第1 次建筑物倾斜观测数据

表2 第3 次建筑物倾斜观测数据

我们在现场勘察时还发现，该建筑物墙体在南北方向的存在大量不同程度的开裂痕迹，与本次观测结果（东西方向存在的倾斜不均匀导致的墙体被拉裂）相符合；各楼层的地板也存在明显的往北倾斜的趋势，这也与本次观测结果（建筑物往北倾斜比较大）的结果相符合。

4 结束语

随着观测仪器测量功能的迭代更新，观测建筑物倾斜的方法也越来越多。在进行观测方法选择时，需要考虑的影响因素主要有：一是测量及时性，特别是针对存在较大安全隐患的建筑物进行的实时监测，需要能够快速进行数据采集和处理；二是测量精度，由于建筑物构造体型各异，对于超高层建筑、圆形和塔型建筑物，测量方法需要考虑精度要求，从而确保数据的准确性和可靠性；三是便捷性，倾斜观测一般采用的设备是全站仪和经纬仪，测量过程对环境的通视条件有一定的要求。具体观测方案选择还是要综合考虑建筑物的构造体型、周边环境以及对观测精度要求等约束条件。