CN105737754B - 一种测定高层建筑物摆动形变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定高层建筑物摆动形变的方法，通过将全站仪指向天顶方向极大地削弱了大气折光的影响，并通过对坐标进行相邻时刻间的求差进一步消除残余的公共误差。同时全站仪位于建筑内部，不受外界气候条件限制，可进行全天候连续观测。本发明精度高、可靠性强、易于实施、成本低廉，具有较强的工程实用价值。

Description

一种测定高层建筑物摆动形变的方法

技术领域

本发明属于工程测量技术领域，尤其涉及一种精确测定高层建筑物摆动形变的方法。

背景技术

随着经济社会的发展，各地的高层建筑不断涌现。高层建筑在施工工程中，会受到多重因素如日照、温度、风力、楼高、内部施工的共同影响而产生不可忽略的摆动变形，导致建筑的瞬时竖向轴线与理想的设计轴线之间存在偏差。由于影响建筑摆动的各个外部因素也都处于不断地变化之中，因而高层建筑的摆动也表现得愈加复杂，无法用统一的数学模型进行精确描述。如何精确地测定建筑物的摆动成为当前工程领域的一大热点和难点。

目前常见的方法是采用垂线仪、全站仪或GNSS对高层建筑进行监测。垂线仪的缺点是需要从上至下沿建筑布设钢丝，成本高且难以维护，容易受施工干扰和风力影响。采用全站仪监测的传统做法是在建筑物附近的地面布设控制点、并在建筑物关键位置设置棱镜或反射片进行测定，此种方法的缺陷在于：全站仪视线斜向穿越大气，由于大气水平折光和垂直折光的存在，观测精度将随着建筑高度的升高而迅速降低；同时此种方法受天气影响极大，在太阳过于强烈或雨雪天气均无法开展观测。GNSS方法存在如下问题：1)GNSS在密集建筑环境或施工设备下，信号干扰和遮挡现象较为严重，观测质量不高；2)GNSS必须架设在能接收到卫星信号的位置，因而只适合监测建筑物顶部；3)GNSS基准站需要架设在稳定无变形的地面，然而当建筑高度超过一定限值，地面与楼顶的对流层延迟将无法彻底消除，引起定位误差；4)GNSS如采用动态测量方法，精度目前尚只能达到cm级；如采用静态方法精度可达mm级，但需要数小时的长时间观测，而接收机在此时间内是随建筑一起在运动的，得到的坐标实际是一个长时间的平均值，不能有效反映建筑的变形情况。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种能实现对高层建筑摆动变形的高精度、连续性、自动化、全天候观测的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种测定高层建筑物摆动形变的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在建筑物平面设计图上，选出能反映建筑主体形变的若干个特征点，垂直投射到±0层作为控制点，控制点的坐标通过联测地面高等级已知点确定。

步骤2：在各楼层楼板上，在各控制点正上方预留或制作出一定大小的孔洞；孔洞通常为正方形，也可以根据需要设计为圆形，其孔径不宜太小，一般可统一取为0.25m，也可以越往高层，孔径越大；全站仪通过建筑内部的孔洞垂直向上观测，大大减少了外部因素尤其是天气对观测的影响。

步骤3：在某一控制点上对中整平智能型全站仪，后视其可视范围内距离最远的已知点，完成定向；显然，后视点距离越远，定向精度越高。

智能型全站仪是指具备自动搜索棱镜、自动照准、自动测量和记忆功能的高精度智能型全站仪，能同时测定目标的水平角、垂直角、距离以及由此计算到的坐标；通过后视已知点定向，全站仪即确定了坐标系，为后续的监测提供了坐标基准。

步骤4：在需要监测的楼层楼板上，将棱镜固定于全站仪正上方的孔洞中并朝向全站仪；棱镜通常应为全站仪原装棱镜，如为非原装，其反射常数应经过精确测定并在全站仪中进行设置；可以采用支架或在平面板材中打孔的方法将棱镜固定在孔洞中，其位置可以取为支架或板材的几何中心，而不必与全站仪所在控制点严格在同一垂线上，因为监测的是变化情况，只需在观测过程中保证棱镜与楼板的相对位置不变即可，这样降低了棱镜的安装要求。

步骤5：将全站仪提手卸下，将全站仪望远镜物镜指向天顶方向，调节竖直微动螺旋使其竖直角读数为90°(或天顶距读数为0°)；所述提手是用来便于全站仪的携带和安置的，将提手卸下是为了保证望远镜对天顶方向进行观测时不会受到阻隔；所述竖直角是指望远镜视线与水平面的夹角，和天顶距是互余关系。

步骤6：执行全站仪的自动照准功能，使全站仪自动照准棱镜；由于望远镜观测天顶方向时人眼无法观察目镜，因此虽然通过将竖直角置为90°实现了大致对准棱镜，但仍需要通过全站仪的自动搜索和照准功能来精确定位棱镜的中心。

步骤7：启动全站仪自动测量模块，设置为每隔一定时间△t对棱镜执行一次测量，将t_i时刻测定的棱镜中心的北坐标、东坐标分别记为x_i、y_i；其中，i＝1，2，…；

所述△t可根据需要设置，可为若干分钟，如每5分钟采样一次，自动测量可免却人工观测的繁琐，实现全天24小时不间断、自动化观测；此外，由于全站仪的视线与大气层几乎垂直，因此大气折光的影响大大削弱。

步骤8：按下式计算两时刻间的变形量：

其中△x_i、△y_i分别表示t_i时刻到t_i+1时刻的北坐标变形量、东坐标变形量，x_i+1、y_i+1分别表示t_i+1时刻的北坐标、东坐标；

相邻时刻的坐标观测值求差后，由于观测目标相对稳定且时间间隔短，两时刻所测坐标中的公共误差如全站仪对中误差、2C值、竖盘指标差、大气折射误差被消除，进一步提高了变形量的精度。

步骤9：按下式计算两时刻间的平均变形速率：

其中分别表示t_i时刻到t_i+1时刻的北方向速率、东方向速率。

作为优选，步骤2中所述孔洞为正方形，其孔径统一取0.25m或者越往高层孔径越大。

作为优选，步骤2中所述孔洞为圆形，其孔径统一取0.25m或者越往高层孔径越大。

作为优选，步骤7中所述棱镜中心的北坐标x_i、东坐标y_i，通过n次连续测量并取平均值得到，每两次测量间水平角变动360°/n；

其中，x^j、y^j分别表示第j次测量得到的棱镜中心的北坐标、东坐标，n≥2，1≤j≤n。由此通过多次测量进一步提高坐标的精度和可靠性。

作为优选，全站仪的测角精度满足：

其中，δ_α为全站仪测角精度，Λ为摆动形变观测应达到的精度，H为建筑高度，ρ＝180×3600/π，π为圆周率。从而保障所测结果能达到预期精度。由于全站仪测量天顶方向时，平面坐标对于距离不敏感，因此本发明对测距精度没有做特殊要求。

本发明通过将全站仪指向天顶方向极大地削弱了大气折光的影响，并通过对坐标进行相邻时刻间的求差进一步消除残余的公共误差。同时全站仪位于建筑内部，不受外界气候条件限制，可进行全天候连续观测。本发明精度高、可靠性强、易于实施、成本低廉，具有较强的工程实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例的示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明可以在多个控制点上架设多个全站仪，并对应的在多个孔洞上安置棱镜，以便更全面地反映建筑的整体形变。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种测定高层建筑物摆动形变的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在建筑物平面设计图上，选出能反映建筑主体形变的若干个特征点，垂直投射到±0层作为控制点，控制点的坐标通过联测地面高等级已知点确定；

步骤2：在各楼层楼板上，在各控制点正上方预留或制作出一定大小的孔洞；

步骤3：在某一控制点上对中整平智能型全站仪，后视其可视范围内距离最远的已知点，完成定向；

步骤4：在需要监测的楼层楼板上，将棱镜固定于全站仪正上方的孔洞中并朝向全站仪；

步骤5：将全站仪提手卸下，将全站仪望远镜物镜指向天顶方向，调节竖直微动螺旋使其竖直角读数为90°；

步骤6：执行全站仪的自动照准功能，使全站仪自动照准棱镜；

步骤7：启动全站仪自动测量模块，设置为每隔一定时间△t对棱镜执行一次测量，将t_i时刻测定的棱镜中心的北坐标、东坐标分别记为x_i、y_i；其中，i＝1，2，…；

步骤8：按下式计算两时刻间的变形量：

其中△x_i、△y_i分别表示t_i时刻到t_i+1时刻的北坐标变形量、东坐标变形量，x_i+1、y_i+1分别表示t_i+1时刻的北坐标、东坐标；

步骤9：按下式计算两时刻间的平均变形速率：

其中分别表示t_i时刻到t_i+1时刻的北方向速率、东方向速率。

2.根据权利要求1所述的测定高层建筑物摆动形变的方法，其特征在于：步骤2中所述孔洞为正方形，其孔径统一取0.25m或者越往高层孔径越大。

3.根据权利要求1所述的测定高层建筑物摆动形变的方法，其特征在于：步骤2中所述孔洞为圆形，其孔径统一取0.25m或者越往高层孔径越大。

4.根据权利要求1、2或3所述的测定高层建筑物摆动形变的方法，特征在于：步骤7中所述棱镜中心的北坐标x_i、东坐标y_i，通过n次连续测量并取平均值得到，每两次测量间水平角变动360°/n；

其中，x^j、y^j分别表示第j次测量得到的棱镜中心的北坐标、东坐标，n≥2，1≤j≤n。

5.根据权利要求1、2或3所述的测定高层建筑物摆动形变的方法，其特征在于，全站仪的测角精度满足：

其中，δ_α为全站仪测角精度，Λ为摆动形变观测应达到的精度，H为建筑高度，ρ＝180×3600/π，π为圆周率。