陳立樟

(福建省建筑科學(xué)研究院， 福建 福州 350025)

0 前言

在傳統(tǒng)的建筑施工過(guò)程中，為了能夠?qū)Ω邔咏ㄖ膬A斜情況進(jìn)行檢測(cè)，一般采用免棱鏡全站儀的方法，隨后又出現(xiàn)了坐標(biāo)觀測(cè)傾斜拐角線的方法。前者雖然擁有悠久的使用歷史和成熟的檢測(cè)方法，但是對(duì)建筑拐角點(diǎn)的判斷存在誤差，后者在其基礎(chǔ)上利用拐角線實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)測(cè)量，但是計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，不適宜大面積推廣。本文在對(duì)兩種方法進(jìn)行綜合后，提出了利用系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)的方式實(shí)現(xiàn)傾斜檢測(cè)。

1 傾斜檢測(cè)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

隨著產(chǎn)業(yè)革命和人口數(shù)量不斷的增長(zhǎng)，在現(xiàn)有的城區(qū)中通過(guò)建筑的方式獲得更大的使用面積是現(xiàn)代建筑工作的重要工作內(nèi)容?；谶@一要求，高層建筑開(kāi)始涌現(xiàn)出來(lái)。在以往對(duì)于建筑等級(jí)進(jìn)行評(píng)定的研究中，一般遵循1972年國(guó)際高層會(huì)議對(duì)高層建筑的定義，認(rèn)為 25-40層的建筑即為高層建筑，超過(guò)這一標(biāo)準(zhǔn)即為中高層建筑或超高層建筑。隨著建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這一標(biāo)準(zhǔn)被逐漸取締，1995年我國(guó)出臺(tái)的《高層民用建筑防火規(guī)范》（GBJ45-82）[1]中，認(rèn)為 250m高度以上的建筑才被認(rèn)為是高層建筑，這部分建筑在結(jié)構(gòu)上和施工工藝上與低層建筑有著較為明顯的差異，主要目的在于解決高層建筑所受到的自然條件和地質(zhì)條件的影響。

1.2 系統(tǒng)任務(wù)

但不可否認(rèn)，高層建筑在建筑穩(wěn)定性方面相較于低層建筑而言仍然較差，在一旦發(fā)生傾斜就會(huì)影響建筑物的使用壽命，甚至?xí)劤晒こ淌鹿?。為了解決這一問(wèn)題，建筑業(yè)科研人員提出了高層建筑的傾斜檢測(cè)。本文所進(jìn)行的系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)正是基于這一目的而開(kāi)展的，系統(tǒng)整體性能需要滿足建筑物實(shí)時(shí)狀態(tài)的精確判斷、建筑物與傾斜度設(shè)定值的對(duì)比、建筑物出現(xiàn)傾斜超標(biāo)時(shí)發(fā)出預(yù)警。

1.3 上下機(jī)位系統(tǒng)組成

系統(tǒng)選用了單片機(jī)技術(shù)，通過(guò)上下機(jī)位的分離方式完成對(duì)高層建筑的傾斜信息監(jiān)測(cè)。其中，下機(jī)位作為信息采集端，需要通過(guò)相應(yīng)的設(shè)備對(duì)高層建筑所處的環(huán)境中的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由單片機(jī)對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果顯示在液晶顯示屏幕上，并利用接口電路將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴蠙C(jī)位。上機(jī)位為建筑部門的監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)高層建筑傾斜度標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè)值的設(shè)定和對(duì)建筑傾斜存在問(wèn)題進(jìn)行研究處理。在預(yù)先設(shè)定的傾斜度標(biāo)準(zhǔn)值中，下機(jī)位單片機(jī)一旦發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，就會(huì)自動(dòng)生成預(yù)警信號(hào)，向上機(jī)位傳遞警告信息，請(qǐng)求上機(jī)位的處理。

2 傾斜檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件功能

通過(guò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)可以看出，系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)需要具備幾個(gè)方面的功能。首先，為了能夠?qū)崿F(xiàn)高層建筑的信息采集，硬件系統(tǒng)需要具備自然信息、建筑信息等數(shù)據(jù)采集功能，通過(guò)不同應(yīng)用環(huán)境傳感器設(shè)備的搭建，使系統(tǒng)能夠完成前端的信息采集，提供具有時(shí)效性的建筑數(shù)據(jù)。其次，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)分析，需要擁有合適算法的處理器，通過(guò)處理器的運(yùn)算使建筑數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，從而得出建筑存在的傾斜情況數(shù)據(jù)，并完成與預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比，了解建筑的實(shí)時(shí)狀態(tài)。第三，系統(tǒng)需要完成數(shù)據(jù)結(jié)論的顯示，顯示內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括實(shí)時(shí)的溫度、濕度、建筑縱橫向角度、達(dá)到設(shè)定數(shù)值的次數(shù)、風(fēng)向、風(fēng)速等信息，幫助管理人員進(jìn)行判斷[2]。最后，還需要借助報(bào)警裝置來(lái)完成報(bào)警信息的傳遞。

2.2 硬件選型

信息采集端，系統(tǒng)主要需要完成的信息采集內(nèi)容包括自然環(huán)境中的溫度、濕度和風(fēng)向風(fēng)速等。其中，溫度和濕度的檢測(cè)可以分別選用溫度傳感器和濕度傳感器。本文在進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)時(shí)選用了DS型號(hào)傳感器，在該型號(hào)傳感器中，數(shù)字溫度計(jì)利用單線接口實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式的檢測(cè)。風(fēng)向、風(fēng)速的檢測(cè)則可以利用氣象大風(fēng)車完成。在大風(fēng)車中，可以裝設(shè)入霍爾元件、光柵感應(yīng)器等設(shè)備，使之能夠完成縱向值和橫向值的A/D轉(zhuǎn)換，分析得出風(fēng)向指示。

此外，信息采集還需要對(duì)建筑的實(shí)時(shí)傾角情況進(jìn)行檢測(cè)，本文選用了 WQ型號(hào)高精度傾角傳感器，通過(guò)過(guò)橫向和縱向的布置，使組件和重力擺結(jié)構(gòu)能夠提升精度，獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

單片機(jī)作為微控制器和處理器，需要完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析和描述。本文選用了16位高性能指令單片機(jī)HT46，在該單片機(jī)中，A/D轉(zhuǎn)換模塊能夠同時(shí)完成40個(gè)雙向輸入/輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換；還加入了數(shù)據(jù)分析裝置。該裝置能夠?qū)⑸蠙C(jī)位的存儲(chǔ)信息進(jìn)行調(diào)用，并與下機(jī)位采集數(shù)據(jù)相結(jié)合，完成針對(duì)高層建筑的晃動(dòng)曲線、受力曲線的繪制，從而對(duì)高層建筑的角度變化情況和變化規(guī)律進(jìn)行分析。

3 傾斜檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程

上機(jī)位控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)選用了C語(yǔ)言作為軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在系統(tǒng)當(dāng)中，操作管理人員，通過(guò)界面操作開(kāi)始指令下機(jī)位進(jìn)行當(dāng)前信息監(jiān)測(cè)，在完成監(jiān)測(cè)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，完成判斷，并分析建筑當(dāng)前傾斜角度是否超出了預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，如果超出標(biāo)準(zhǔn)值，則上機(jī)位報(bào)警蜂鳴器發(fā)出蜂鳴警報(bào)，提醒管理人員及時(shí)處理；未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，則在顯示器當(dāng)中，顯示當(dāng)前分析數(shù)據(jù)，并形成分析報(bào)告，存儲(chǔ)入歷史檔案當(dāng)中，方便管理人員隨時(shí)調(diào)取。

3.2 功能模塊

為了方便管理人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作和使用，本文在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中選擇使用了功能模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)不同的模塊來(lái)完成不同的功能。在高層建筑檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部，系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了四個(gè)功能模塊，分別為信息搜集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、顯示模塊和查詢模塊。管理人員登錄到系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)在界面顯示模塊內(nèi)容[3]。管理人員根據(jù)操作需求點(diǎn)擊模塊按鈕選擇相應(yīng)的功能，模塊開(kāi)始運(yùn)作。其中，信息搜集模塊主要完成對(duì)下機(jī)位的指令發(fā)布，使傳感器開(kāi)始實(shí)時(shí)的信息采集。當(dāng)采集完成后，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)提示，管理人員點(diǎn)擊數(shù)據(jù)分析模塊按鈕，單片機(jī)即開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并通過(guò)顯示模塊將分析結(jié)果和高層建筑傾斜趨勢(shì)進(jìn)行展示。管理人員可以在查詢模塊當(dāng)中對(duì)以往的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)閱，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。

4 傾斜檢測(cè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

某高層建筑共計(jì)55層，樓高260m，管理人員利用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)該建筑的傾斜角度進(jìn)行為期 6個(gè)月的檢測(cè)。根據(jù)所處地基情況和所在地的自然條件，管理人員預(yù)設(shè)了傾斜標(biāo)準(zhǔn)值為 35mm，總傾斜率上限 2.0%。在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，利用系統(tǒng)分析得到了各個(gè)月份的傾斜數(shù)據(jù)和傾斜變化規(guī)律，總結(jié)出這 6個(gè)月內(nèi)建筑總傾斜量穩(wěn)定在27-31mm區(qū)間內(nèi)，總傾斜率未超過(guò)1.3%。在受到夏季季風(fēng)影響下，傾斜度稍有上升，但仍維持在標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)。

5 結(jié)論

與以往的高層建筑傾斜檢測(cè)方法不同，傾斜檢測(cè)系統(tǒng)的搭建和功能的實(shí)現(xiàn)，依靠高精度的傳感器完成信息采集，并利用微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，相較于以往傾斜檢測(cè)方法中的外業(yè)人工數(shù)據(jù)采集而言，有更高的精度和趨勢(shì)判斷能力，能夠幫助管理人員作出準(zhǔn)確判斷。

[1]賈俊偉,龔?fù)? 基于單片機(jī)技術(shù)的超高層建筑傾斜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2013,30(01):51-54.

[2]李俊寶. 淺談高層建筑變形監(jiān)測(cè)[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014,(27):249.

[3]桂維振,辛星,李亞靜. 測(cè)量機(jī)器人在高層建筑物傾斜穩(wěn)定性檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J]. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2013,12(04):8-10.