公共建筑运行安全性评估信息数据采集分析研究

2015-12-26张亚雄

测绘通报 2015年4期

引文格式：张亚雄. 公共建筑运行安全性评估信息数据采集分析研究[J].测绘通报，2015(4)：91-96.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0119

张亚雄

(上海建科工程咨询有限公司，上海 200032)

Information Data Acquisition Operation Safety Assessment of Public Buildings

ZHANG Yaxiong

摘要：针对大型公共建筑运行健康安全性评估，以上海8万人体育场为例，利用测量监测方法，通过三维坐标数据采集计算空间物体的线性姿态，并结合相关数据资料分析了建筑物运行过程中的变化情况，从而了解该类建筑物的健康安全状况，为后期运行使用和决策提供第一手数据资料，确保公共建筑的安全运行，并以期对建筑物健康安全性评估信息系统的建立提供参考。

关键词：健康安全性；监测控制网；悬挑梁和环形梁；监测数据采集分析

中图分类号：P258

收稿日期：2014-02-11

作者简介：张亚雄(1965—)，男，工程师，研究方向为工程测量。E-mail：taxinan169@sina.com

一、引言

目前，我国已有部分上世纪末建成的大型公共建筑，其运行已接近20年，使用年限已达到寿命周期的20%～30%，虽然还处在“青壮年”时期，但也历经了各种环境因素和超负荷运行的考验。为了了解和掌握多年运行后建筑物的变形情况，以及结构安全状况，有必要尽早对此类大型公共建筑物建立健康安全性评估信息系统，以便及时掌控其变形发展趋势，确保结构安全和健康平稳运行，避免安全事故的发生。大型公共建筑物健康安全性监测及评估所涉及的专业项目较多，但多数离不开测量数据的采集和处理，本文以上海8万人体育场(如图1所示)为例，就有关测量数据的采集，以及测量数据的分析和处理等方面进行探讨，为今后大型公共建筑健康安全评估信息系统的建立提供参考。

图1　上海8万人体育场

二、测量监测控制网的建立及测点设置

1. 测量监测控制网的建立

测量监测控制网是测量作业和数据采集的控制基准和依据，其控制点的设置、观测以及精度将直接影响到后期测量数据的可靠性和准确性，因此，建立完整可靠的测量控制网是建筑物健康安全性评估的测量作业首要工作。测量控制网设置应结合建筑物的结构特点和所需监测的区域部位，以及后期测量作业的需要，如上海8万人体育场监测控制网的设置如图2所示。

图2　体育场监测控制网平面图

本次所设置的监测控制网为相对独立控制网，根据现场控制点测量观测数据情况，对其4项测量精度进行了内业计算和评定，即测角中误差mβ=±2.24″，测边中误差mD=±1.25mm，测边相对中误差mD/D=1/105000，高程闭合差W=1.55mm。

根据以上测量精度评定计算值，平面控制精度达到了四等三角测量技术要求，高程精度达到了三等水准测量技术要求，满足了本次测量技术作业的精度标准，确保了观测数据的精确度和可靠性。

2. 监测点的设置

根据前期制定的测量方案，本次拟对体育场外环梁和悬挑梁进行三维测量数据采集，并通过相关数据处理分析，以便能较准确地反映钢结构的整体空间姿态，从而对其安全性进行初步评定。

(1) 监测部位选择和测点设置

针对体育场屋架结构对称性的特点，拟对其主要结构控制部分进行监测，在悬挑梁监测部分，主要选择4个区域，分别在东南西北4个方向。以对称轴及其两侧各一榀桁架梁所围成的区域，体育场屋架体系中共有3道环形梁，本次仅对其最内圈的外环形梁进行监测，如图2所示。

笔者对此4个区域内的部分钢构件进行了全面监测，对于建筑物安全性监测，其监测点的位置选择非常重要，下面就体育场钢结构悬挑桁架梁和环形梁(内环)的具体监测点位布置进行阐述。钢结构环形梁主要观测其在悬挑梁最前端、短横梁中部上表面的中点，点位设置如图3所示。对于钢结构悬挑梁监测，主要在其设定的4个区域8榀悬挑桁架上进行监测点设置，悬挑梁监测项目包括竖向扰度和侧向弯曲度，点位设置如图4所示，本次实测的是下悬梁。

图3　体育场钢结构屋架内环形桁架梁监测点位置分布图

体育场钢结构屋架内环形桁架梁监测点位于下悬挑梁两根钢管端部连接杆上顶表面中点(如图3所示)。体育场钢结构屋架悬挑梁起拱度监测点位于钢管顶表面，悬挑梁侧向弯曲监测点位于钢管侧表面，编号由外向内设置(如图4所示)。所有监测点位置确定后，在其现场进行点位标注标示，环形梁监测点共布设32组(点)，悬挑梁共在8条轴线累计布设152点，本次体育场共设置184个监测点，采集数据552组。

图4　体育场下悬梁上表面及侧面监测点位置示意图

(2) 监测项目统计和内容

该体育场所需监测项目较多，本文主要针对其环形桁架梁和悬挑梁进行姿态监测，具体项目情况见表1。

表1　体育场主要监测项目及部位

根据前期监测方案的要求，本次监测的主要内容包括悬挑梁的起拱(或下扰)度、侧向弯曲度，以及环形梁对称性变化等。

三、监测点测量数据观测和计算

该体育场钢结构屋架体系监测数据主要依据本文设立的“独立监测控制网”，以及相关设计图纸，对各项目的监测点进行三维坐标数据采集、汇整和相关计算，并整理成监测数据成果(本文平面坐标数据均为相对值)。

1. 悬挑梁观测数据及成果

本文悬挑梁共计监测8条轴线，计152点，采集三维坐标数据456组，见表2(由于数据量较多，仅提供95轴部分数据)。

表2　钢结构悬挑梁监测数据测量成果(95轴)

表2仅以本次监测的95轴悬挑梁的起拱度和侧向弯曲所采集的测量数据为例，其余轴线上的悬挑梁测量成果省略。悬挑梁测量观测平面坐标为相对数据，标高为绝对数据，起拱度测点位于钢管顶表面，侧向弯曲测点位于钢管侧表面，编号均由外向内设置。

2. 环形梁观测数据及成果

该体育场环形梁共有4道(如图2所示)，其内圈和外圈为全封闭式环形桁架梁，中间两道梁未封闭或仅有局部梁，本文主要针对内圈环形桁架梁进行监测分析，在内环梁共布设32个监测点，采集三维坐标数据32组，见表3。

表3　钢结构环形梁监测数据测量成果(内环)

续表3

环形梁平面坐标为相对数据，标高为绝对数据，测点位于下悬挑梁两根钢管端部连接杆上顶表面中点(如图3所示)。

四、监测数据的处理和分析

根据该体育场钢结构屋架的建筑特点，以及前期制定的相关监测评估方案，本文主要对该建筑物的部分结构控制性项目进行了健康安全性评估。根据本建筑呈现的对称性特点，仅在对称轴线上的主要悬挑梁和内环形桁架梁等特征性结构部位上进行了监测数据观测计算，并以此来进行分析评估。

由于监测之前该建筑物未建立健康安全性评估信息系统，因此本次评估仅以原设计图纸和建筑物自身对称性特征等为依据进行分析评估。

1. 悬挑梁监测数据处理和分析

共对两组对称轴上的4条轴线8根悬挑圆管梁进行了信息数据采集，由于篇幅所限，文中仅以95轴上的一根下悬挑梁起拱度为例(如图5、图6所示)，进行相关监测数据的处理和分析研究(侧向弯曲本文不作探讨)。

图5　32#悬挑梁(95轴)圆管顶表面标高偏差数据图

图6　32#悬挑梁(95轴)圆管姿态示意图

在95轴钢圆管悬挑梁上表面共设置14个监测点(如图6所示)，现场实测采集三维坐标数据14组(见表2)。在梁挠度的处理上，以该梁两端根部为基准连线，计算各监测点距离基准线的偏差值，并以此来判断钢梁挠度(上挠或下挠)，从各测点的计算数据来看(见表4)，偏差值为2.9～67.5mm，最大值67.5mm基本位于梁中部，且各监测点的偏差值均为正值，位于基线的上面，以此判断该钢梁存在上挠姿态，实测该梁倾斜角i=11°25′52″，此两项均与设计要求基本吻合。其余轴线上的悬挑梁数据计算分析略。

表4　体育场钢结构悬挑梁挠度偏差计算值(95轴)

注：以该梁两端根部为基准连线，“+”偏差值表示位于基线上部(上挠)，“-”偏差值表示位于基线下部(下挠)

2. 环形桁架梁监测数据处理和分析

该体育场钢结构屋面设计理念是以东西向中心轴线为对称的轴对称结构，本文仅对内环梁进行整体监测，共测得内环形梁上的数据32组，包括平面坐标数据和绝对高程数据值(见表3)。

首先，计算出南、北侧两对称区域的相对测点的空间平面投影长度，并将对称部位的长度进行比对，计算出其偏差数据值，具体偏差数据见表5。从长度偏差计算值(见表6)来看，南侧区域的空间连线投影长度比北侧区域的长，偏差范围为18.2～48.0mm不等，由此反映出南侧区域钢结构屋面开口有增大的趋势，或者说明由于其他结构的沉降变形造成了其增大。

表5　内环梁平面对称测点投影长度偏差表　mm

接下来将内环梁从对称轴处展开，如图7所示，计算测点轴线长度和绝对标高，并计算其相对应的对称部位的两项偏差数据，具体数据见表6、表7。从表中计算结果来看，对称轴线长度(相邻)偏差无一定的规律，可能是施工安装过程中积累的偏差。而从对称测点绝对标高偏差计算数据来看(见表7)，北侧区域整体上较南侧区域偏高，由此反映出南侧区域整体钢结构屋面呈较小的下落的形态，这一点与南侧区域钢结构屋面开口有增大的趋势相吻合。

表6　内环梁轴线对称测点平面长度偏差表　mm

表7　内环梁轴线对称测点绝对标高偏差表　mm

续表7　mm

五、结束语

本文对现场采集的测量数据和计算结果进行了初步分析。由于无前期可对比的监测资料，本次相关计算结果分析主要与设计图纸要求为参照，并对其空间姿态现状进行描述。该体育场正常运行已超过15年，从整体空间形态上来看，即使所测得的数据和计算结果都是由于前期的沉降变形所造成的，其变形量和变化速率均较小。仅从测量结果上来看，该体育场屋面钢结构现行整体姿态相对稳定。若要对其相对稳定性进行较为全面的整体性评定，最好进行周期性监测，并结合其他专业(如结构专业、焊接专业等)一起进行监测分析评估。

据此，笔者建议对类似大型公共建筑物的健康安全性的问题，有必要建立一套长期有效的监测分析信息系统，以便及时了解掌握建筑物安全运行状况，确保其健康平稳地运行。