王冬

【摘要】建筑物變形監(jiān)測與預報技術綜合性較強，涉及多項交叉學科，將其應用到土木工程可對建筑物形變情況展開全面分析，遏制建筑物產生變形問題的產生?；诖耍疚氖紫确治隽爽F(xiàn)階段土木工程中常用的建筑物變形監(jiān)測方式，進一步指出土木工程實現(xiàn)建筑物變形預報的有效方法，并結合時代發(fā)展形勢展望建筑物變形預報分析技術未來發(fā)展，以供參考。

【關鍵詞】土木工程;建筑物;變形;預報

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

土木工程伴隨著新時代社會建設而快速發(fā)展，各類建筑物功能、結構、所處環(huán)境均有不同，在城市化推進期間，建筑物安全質量引發(fā)社會關注。為保障土木工程建筑物穩(wěn)定性，需對建筑物變形情況進行全面監(jiān)測，根據以往數據預測建筑物變形情況，通過監(jiān)測預報相關技術對建筑物變形問題進行針對性解決，降低安全事故發(fā)生率。

1、土木工程中常用的建筑物變形監(jiān)測方式

土木工程建筑物變形監(jiān)測體系經長期發(fā)展已成熟，且先進技術設備應用下，建筑物變形監(jiān)測結果準確性仍在繼續(xù)提升中。建筑物變形監(jiān)測方式主要包括：（1）常規(guī)地面測量方式。該類方式為土木工程中最為常規(guī)的建筑物變形監(jiān)測技術，主要借助水準儀、測距儀、經緯儀等測量儀器獲得建筑物高程、邊長、角度數據，通過實測數據明確建筑物變形程度。常規(guī)地面測量方式適用于絕大部分場景，不受外部條件及變形形式影響，但建筑物變形監(jiān)測效率較低，同時易受到人為失誤、儀器精準度不足等情況干擾而出現(xiàn)監(jiān)測不準確情況。隨著土木工程的發(fā)展，建筑物變形常規(guī)測量設備不斷更新?lián)Q代，在傳統(tǒng)儀器基礎上逐漸出現(xiàn)了全自動跟蹤全站儀等設備，極大提高測量精準度及測量效率。全自動跟蹤全站儀的應用在一定程度上彌補了常規(guī)地面測量方式的缺陷，測量精度極大提高（可達亞mm級），其可在特定程序設定下實現(xiàn)全天候自動化監(jiān)測，且可在特定范圍內進行無人值守監(jiān)測。（2）特殊測量方式。主要包括傾斜測量、準直測量、應變測量等，能夠在專用監(jiān)測儀器幫助下實現(xiàn)建筑物局部變形數據的連續(xù)監(jiān)測與自動監(jiān)測。例如：運用遙測垂線坐標儀進行建筑數據自動采集，通過光纖傳感器系統(tǒng)融合傳輸信號與測量信號，使遙測垂線坐標儀能夠適應大多數環(huán)境進行建筑物變形監(jiān)測，同時在遙測系統(tǒng)應用下，該坐標儀可進行分布式監(jiān)測，并將監(jiān)測所得數據實時傳輸至信息平臺內。（3）地面攝影測量技術。地面攝影技術最初應用到土木工程建筑物變形監(jiān)測中時具有精度低、監(jiān)測范圍小的缺陷，但現(xiàn)代科技發(fā)展迅速，實時攝影、數字攝影相關技術紛紛應用到建筑物變形監(jiān)測作業(yè)中，使地面攝影測量監(jiān)測精準度大幅度提高。結合現(xiàn)階段土木工程建設情況來看，地面攝影測量技術在高層建筑等大型建筑物變形監(jiān)測中發(fā)揮出較強作用，能夠同時監(jiān)測建筑物任意點的變形情況，無需接觸被測建筑物即可獲得三維空間信息數據，據實踐驗證，地面攝影測量技術建筑物變形監(jiān)測精度可達4μm。（4）GPS聯(lián)合雷達技術。GPS為空間定位系統(tǒng)，現(xiàn)已取代常規(guī)化電子與光學測量儀器，其與雷達技術聯(lián)合應用后，可通過雷達電磁波物體反射情況繪制土木工程建筑物三維網，使建筑物變形情況與三維網數據一一對應，此時可至觀測三維網數據判斷建筑物是否存在變形隱患，獲得實時變形數據，可避免實地監(jiān)測中所需要的清理場地等工作[1]。GPS系統(tǒng)與雷達技術聯(lián)合后能夠極大提高建筑物相對定位精度，為高精度建筑物的實時自動監(jiān)測奠定技術基礎。

2、土木工程實現(xiàn)建筑物變形預報的有效方法

現(xiàn)代信息技術與科技快速發(fā)展，此時可在技術支持下，采用數據分析方式的預測土木工程建筑物變形情況，建筑物變形機理復雜，可借助模型研究變形規(guī)律，建筑物變形可從物理解釋與幾何分析兩個角度展開預報，為建筑物變形災害預防提供依據。

2.1變形物理解釋

物理解釋方式的核心在于解釋土木工程建筑物變形原因，并探究變形原因與建筑物變形之間的聯(lián)系。應用物理解釋方法預報建筑物變形時，可從采用統(tǒng)計分析、函數模型、混合分析方式。

2.1.1統(tǒng)計分析

構建回歸模型能夠分析出建筑物變形及其影響因素之間的關系，在回歸模型中，效應量為建筑變形數據，原因量為變形影響因素，通過回歸模型可得出兩者之間的關聯(lián)度，繼而判斷該原因量是否為決定效應量的關鍵因素。建筑物變形預報回歸模型可依托于“荷載-變形”數據模型進行建立，在實際應用中，回歸模型具有“后驗”特征，即能夠檢驗所確定的影響因素與建筑物變形之間的真實聯(lián)系，可用作分析檢驗，因此，在建筑物變形預報中，以回歸模型為手段的統(tǒng)計分析方法應用廣泛。但建筑物變形具有較強不確定性，同時建筑變形觀測數據有限，因此運用回歸模型預報建筑物變形情況可能存在一定偏差，在實際預報分析中，可將統(tǒng)計分析方法與其他手段聯(lián)合使用。

2.1.2函數模型

函數模型分析方式主要依據有限元法進行分析，根據建筑物物理性質、力學性質確定建筑物應力與應變之間的關系，在此基礎上構建荷載與建筑物變形的函數模型。完成函數模型構建后，可借助該函數模型判斷建筑物在特定荷載作用下的變形情況，繼而起到變形預報效果[2]。區(qū)別于統(tǒng)計分析中的回歸模型，依據有限元法得出的函數模型在變形預報方面存在“先驗”性質，在變形預報分析準確度相對較高，但函數模型應用期間涉及大量計算工作，工作量較大。

2.1.3混合分析

混合分析辦法主要指聯(lián)合應用統(tǒng)計模型與函數模型，優(yōu)勢互補，使土木工程建筑物變形預報分析結果更為準確?；旌戏治鲛k法應用時，可運用統(tǒng)計分析辦法確定原因量、效應量之間的關系，即判斷建筑物變形與影響因素之間的關聯(lián)程度，而計算部分則以函數模型為工具，通過有限元法進行數據分析，但對于時效、溫度等無法確定其與建筑物變形之間關系的原因量，仍需采用統(tǒng)計分析方式進行預報分析，通過數據擬合構建統(tǒng)計分析回歸模型。應用混合分析方式構建了統(tǒng)計分析與函數分析的混合模型，借助該混合模型分析建筑變形情況時，可在系統(tǒng)識別理論基礎上應用反分析理念，以正分析結果為線索引反求建筑物材料參數及物理性能，并得出建筑物變形規(guī)律信息，將反分析所得數據結果應用到土木工程建筑物設計與施工中，可有效預防建筑物變形，且可為建筑物變形監(jiān)測提供方向。

2.2 結合分析方法

2.2.1時間序列分析

建筑物某觀測在變形監(jiān)測期間所產生的測量數據將形成隨機時間序列，該隨機時間序列具有顯著的離散特征，此時可應用時間序列分析方式構建自回歸滑動平均模型（ARMA模型），通過分析模型的離散特征得出建筑物觀測點序列的未來發(fā)展趨勢，繼而判斷被測建筑物在特定時間內是否存在變形隱患。僅采用自回歸滑動平均模型無法確保所得出的未來時間序列走向準確性，此時可將自回歸滑動平均模型與趨勢函數模型、動態(tài)數據采集系統(tǒng)結合起來進行聯(lián)合分析。在趨勢函數模型、動態(tài)數據采集系統(tǒng)幫助下，可使非平穩(wěn)序列轉變?yōu)槠椒€(wěn)序列，并可采用建模方式確定時間序列的隨機動態(tài)系表達式，根據模型參數解釋建筑物變形成因，將變形成因及變形未來時間序列相對應，以此為建筑物變形預報提供依據。若考慮到粗差對時間序列分析結果的影響，還可引入穩(wěn)健時間序列分析方式，構建更為完整的時間序列分析模型;若建筑物觀測點變形數據所構成的時間序列數量較少，此時可基于灰色系統(tǒng)理論構建模型，采用累加生成法法將原始觀測數據轉變?yōu)榈男蛄袛祿?，以此降低數據隨機性，繼而更好地得出建筑物變形規(guī)律。采用時間序列分析方式預報建筑物變形情況時，應在單個觀測點時間序列分析基礎上，判斷多個觀測點之間的序列相關性，以此可更完整預報建筑物變形情況，提升預報分析效果。

2.2.2頻譜分析

對于存在周期性變化的建筑物變形時間序列，如大壩水平位移等，可借助傅立葉變換方式，將時域信息轉化為頻域信息，計算諧波頻率振幅，通過最大振幅主頻得出建筑物變形時間序列的變化周期，以此降低建筑物變形預報難度。將建筑物觀測點變形數據作為輸出量，將與觀測點變形相關的影響因素作為輸入量，借助時間序列周期與頻譜可估計出輸入量與輸出量之間的響應譜函數與頻率響應函數，以此得出輸入量與輸出量的相關性，繼而判斷輸入量內影響因素與建筑物變形之間的相關程度，以此逐漸找出引發(fā)土木工程建筑物變形的主要因素，將變形幾何分析轉化為物理解釋，繼而更為清晰地預報建筑物變形情況。

2.2.3小波分析

小波分析涉及社會、自然等多種交叉學科，在工程學中被得到廣泛應用。采用小波分析方式可將有效信息從諸多時頻域局部信號中提取提出，借助離散小波變換方式將建筑物變形觀測數據分解與重構，同時在分解重構期間剔除誤差數據，使局部變形數據特征更好地呈現(xiàn)。小波分析與傅立葉變換方式之間存在相似性，探究建筑物變形周期變化特征時，同樣可采用小波分析進行，除此之外，在建筑物動態(tài)變形分析期間，可在小波分析基礎上構建卡爾曼濾波模型，還可將小波分析方式與人工神經網絡分析方式相結合，構建小波神經網絡組合模型，以此更為精準地得出建筑物變形預報結果。

2.2.4人工神經網絡分析

土木工程建筑物變形的影響因素眾多，各影響因素與變形之間存在不確定性非線性關系，對于建筑物變形觀所得的大量數據，可采用人工神經網絡分析方式，根據生物特征使計算機具有數據識別與分析的能力，在特定算法運作下即可得出建筑物變形預報結果。在人工神經網絡中，輸出層與輸入層分別為建筑物變形量與影響因素，將BP網絡模型作為隱含層，通過算法反復測定得出最終的數據權值，以此確保人工神經網絡分析出的結果可代表建筑物變形情況，為變形預報提供依據。結合實際應用效果來看，將人工神經網絡與小波分析聯(lián)合使用可具備良好預報效果，同時還可將人工神經網絡與計算機專家系統(tǒng)相連接，在專家系統(tǒng)專業(yè)理論知識支撐下，使建筑物變形預報結果更為準確。

2.2.5卡爾曼濾波分析

土木工程建筑物變形為動態(tài)過程，為準確分析建筑物變形情況，可將其看作動態(tài)系統(tǒng)，借助卡爾曼濾波模型判斷動態(tài)系統(tǒng)所處狀態(tài)?？柭鼮V波模型內包含觀測方程及狀態(tài)方程，進行分析時，若變形監(jiān)測點等加速率、速率、位置等向量參數包含在狀態(tài)方程內，則可采用運動模型的方式進行分析，用于動態(tài)處理建筑物變形數據，并搭建變形監(jiān)測網，在變形監(jiān)測網幫助下識別變形周期內各觀測點的變形特征?？柭鼮V波分析無法關注變形觀測值序列，借助嚴謹的遞推算法整合模型參數及變形預報數據，繼而得出建筑物變形預報結果。區(qū)別于其他幾何分析方法，卡爾曼濾波分析具有動態(tài)特征，可對建筑物變形預報結果進行一定補充。

3、建筑物變形預報分析技術未來展望

在現(xiàn)代化社會背景下，建筑物變形監(jiān)測技術、信息技術、通訊技術均得到快速發(fā)展，建筑物變形分析不再停留在單個觀測點變形分析上，逐步發(fā)展為多測點同步分析，且當前建筑物變形分析兼顧了靜態(tài)與動態(tài)、線性與非線性，變形監(jiān)測與預報呈現(xiàn)多樣化特征。根據建筑物變形預報發(fā)展情況及科技手段進步速度來，在未來發(fā)展中，土木工程建筑物變形預報將趨向以下幾個方面發(fā)展：（1）建筑物變形數據處理與分析的智能化、自動化程度將得到進一步提高，時頻分析、時空模型分析將在變形預報中發(fā)揮良好效果，且動態(tài)分析手段將更為完善與精準。（2）物理解釋與幾何分析相關模型與建筑物實際變形情況之間的匹配度將得到進一步提高，模型實用性提升，且愈來愈多的踏勘技術將在建筑物變形監(jiān)測中得到應用，并發(fā)揮出良好效果，新的變形監(jiān)測技術與預報方式仍不斷涌現(xiàn)。（3）建筑物變形過程具有不確定性，為進一步提高變形預報準確度，新的理論方法將被靈活運用到建筑物變形預報中，使建筑物變形預報工作更為科學規(guī)范。（4）在信息化時代背景下，建筑物變形案例數據庫逐漸被建立，將形成以數據庫為核心的建筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)。

結語：

綜上所述，現(xiàn)階段土木工程建筑物變形監(jiān)測體系已成熟，并在先進技術應用下，變形監(jiān)測質量不斷提升，為準確了解土木工程建筑物變形情況，應對變形數據展開深入分析，從物理解釋與幾何分析兩個角度分析建筑物變形規(guī)律及潛在特征，以此更好地進行建筑物變形災害預防與解決，在未來發(fā)展中，建筑物變形預報分析將進一步提高自動化、智能化程度，變形預報結果將更為精準。

參考文獻：

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