小区沉降观测的探索

王强  徐剑

江苏省无锡市测绘院有限责任公司

江苏省无锡市五爱路215号   214031

摘要：住宅小区建筑沉降观测主要采用的方法是：水准观测，闭合线路检核，根据观测周期和相邻位置构建沉降变形数据的时间和空间序列，用数据序列变化反映沉降过程。本文在分析小区沉降数据的特点重复性、相关性和延续性后，使用电子表格和数据库来管理沉降数据，其优势在于充分利用了传统关系数据库的成熟技术，如并发控制、事务处理、结构化查询、权限设置等。

关键词：沉降观测  数据处理  数据库

Settlement Observation Data Processing

First author:     Qiang Wang  JianXu

Author Unit  :    WuXi institle of surveying and mapping

Mailing address    :    WuXi WuAi Raod 215#        Postcode   : 214031

Abstract : The settlement observation is a repetitive, strong continuity of the work. Settlement observation of the basic data processing method is based on observation period and proximity Settlement Construction of the data space and time sequence, sequence data used to reflect changes in the settlement process. This paper analyzes the characteristics of settlement data duplication and continuity after the use of electronic forms and databases to manage settlement data, make full use of its advantages lie in the traditional relational database mature technologies, such as concurrency control, transaction processing, query structure, powers and installed.

Keywords : Settlement Observation   Data Processing   database

1.引言

住宅小区沉降观测是在变形区域内部建筑和周围地区选取具有代表性的观测点，周期性地进行测量，确定沉降量。小区沉降观测包括建筑物（基础）沉降、基坑回弹、地基土分层沉降、建筑场地沉降等项目。建筑物尤其是高层建筑的沉降变形情况如何，直接关系到建筑物的安全使用。建筑沉降观测的目的不仅是为保证建筑物的正常使用和安全，并为以后的勘察设计及施工提供可靠的资料及相应的沉降参数，同时也为今后建筑物的结构和地基基础合理设计积累资料[1]。

小区沉降观测数据处理的基本方法是根据观测周期和相邻位置构建沉降变形数据的时间和空间序列，用数据序列变化反映沉降过程。沉降观测的数据变化往往非常小，相邻序列观测数据的变化可能会很接近甚至小于观测仪器的分辨率。由于影响观测的外界因素很多而且难于控制，在观测数据有限的情况下很难构造合适的数学模型[2]。

小区沉降观测数据处理的主要困难在数据累积和数据及时更新。沉降观测需要常年累月不间断地对变形点进行观测，大型住宅小区需要相当长的建设时间，建成后经过较长时期运营，才能逐渐趋于稳定，这一过程可能要长达几年甚至几十年。沉降观测过程中所产生的原始观测手簿、计算评定成果和统计汇总资料会随时间推移迅速累积，工程单位普遍做法是保留最近几期观测计算成果，将前期观测计算成果滚动删除，这样容易造成沉降数据序列不完整，难于反映整个沉降变化过程。另外沉降观测随施工情况变化而数据序列频繁变化，对于种类繁多、数量庞大的沉降数据资料，如果数据处理机制不完善，就很难及时向建设监理部门反映沉降变化情况。

2.住宅小区建筑沉降观测的数据特点

住宅小区沉降观测需要在复杂多变、恶劣的施工环境中进行，精度要求很高，时间要求也非常紧迫。传统水准测量方法具有观测精度高、成果可靠性强、操作方法易用、数据处理方法完善和观测成本低等优势，目前仍然是高精度高程信息获取的主要方法[3]。小区沉降观测一般局限在一个较小的范围内（水准线路一般不超过1公里），目前多数工程单位建筑沉降观测采用水准闭合线路法，通过水准环线闭合差检验观测精度及成果可靠性。建筑沉降水准测量一般视线较短、测站数多且闭合条件较多，因而采用每测站高差中误差来衡量水准网精度，这与大范围水准网采用每公里高差中误差来衡量水准网精度不同。对于测段长度不过几百米、环线长度最长不超过几公里的建筑变形水准网，可以认为在线路往返不符值和环线闭合差都主要反映偶然误差影响。

2004年捷克工业大学的 Doc. Ing. Ales Cepek 发表研究论文，讨论了四种电子水准仪（leica、sokkia、topcon、zeiss）工作机理和数据文件存储结构，并公布了电子水准仪记录文件转换成 XML 文件程序的源代码[4]。在理解水准测量的特点和数据存储结构后解读该程序，可以构建水准测量数据结构模型。水准测量数据结构模型为树结构，测量数据目录下分水准线路和限差2个子目录。水准线路由点构成，复合类型观测作为点下面的元素，点分为水准点和转站点，水准点下面的元素包括点号、坐标，转站点下面的观测是根据精度需要划分等级，有2次和4次观测。高程观测值文件的结构如下：

…，…

…………[，…]

该文件的内容分为两部分，第一部分为高程控制网的已知数据，它包括已知高程点点号及其高程值。第二部分为高程控制网的观测数据，它包括测段的起点号、终点号、测段高差、测段距离、测段测站数和精度号。有了高程观测值文件，可以在程序里重现水准网的拓扑结构，通过最短路径算法构建闭合环。这种文件编排法省略了水准线路构成，这一点较以往水准观测文件的编排是比较大的改进，是最近几年测量程序改进的结果。

3.小区沉降观测数据处理的主要困难

小区沉降观测数据处理的主要困难有四点，第一沉降现象本身复杂程度；第二沉降资料累积；第三沉降数据序列变更；第四数据质量评定。第一在数据分析方面，沉降观测主要目的是反映沉降现象和沉降趋势，但沉降现象有其自身复杂程度，影响沉降量和沉降观测的因素很多而且难于控制。有时找出沉降变化的规律和趋势非常困难，沉降数据分析是工程界和学术界研究比较多、比较难统一意见的问题[5]。第二从资料管理考虑，沉降观测应提及时供符合《建筑物变形测量规范》（JGJ/T 8－2007  以下简称《变形规范》）要求的观测手簿、计算成果和统计汇总资料。随着建筑设计和施工工艺变革，建筑群的复杂程度越来越高，沉降观测的工作量会越来越大，对观测方法和提交成果的技术要求会越来越高，观测资料会逐次累积并随时间推移迅速增加。如果没有一套合理的资料管理体系，最后资料管理员就很难及时更新资料并向监理反馈意见。第三从沉降观测实施现场来看，沉降观测尤其是建筑沉降观测要在复杂的施工环境下进行，为保证建筑施工及建筑本身安全必须长期、不间断地对监测对象实施观测。而施测现场很难长期保证观测方法、工作基准点、观测点和观测条件不发生变化，这些情况变化应该在沉降数据序列中体现，而数据序列频繁变更将会造成数据处理的工作量非常大，有时候人力难以完成。第四从数据质量评定考虑，《变形规范》对建筑沉降测量的等级及其精度要求进行了规定，但现场评定数据稳定性和灵敏度有一定困难，一方面《变形规范》对这两项指标只有指导性的计算公式，另外计算这两项指标要求施工现场工程技术人员熟练地使用数理统计软件，多数工程单位还不具备这样的条件。

4.小区沉降数据处理的核心技术

面对沉降数据处理的困难，可以考虑用关系数据库表结构来管理沉降观测数据。使用数据库来管理沉降观测数据有三个优点，第一数据文件安全性好；第二便于大型工程项目管理和权限设置；第三表达数据质量指标直观、明确。第一从文件安全角度考虑， ASCII 码原始观测数据文件可编辑，不能避免对原始观测数据文件的误操作和恶意更改；《变形规范》要求仪器读数与仪器自动累加计数不得更改，但手工输入的点号可能输错，水准路线的组成也可能输错或跳断。通过数据库表只读属性设置可以实现把原始观测数据与使用者隔离。第二从大型工程项目管理和权限设置考虑，在多人协作的沉降观测项目中，需要并发控制和权限设置，针对不同关注重心使用不同视图表现数据，这方面关系数据库有较成熟解决方法。可以这样设计数据库软件：直接读取电子水准仪和记录手簿数据文件，在视图里查看并编辑属性，以表格和纯文本的方式输出原始观测数据、平差结果和精度。第三从检查数据质量方面考虑，要求沉降观测符合《变形规范》的技术要求，而《变形规范》各项技术要求都有相应计算公式和限差指标，在数据库表里可以设计技术指标及限差对照列形式，这样比程序输出结果更直观，更具比较效果。

目前，大型工程项目沉降观测数据处理，解决方案较多采用结合测量仪器开发的系统。中小项目沉降观测工作，平差计算较多地使用商业软件，观测数据管理、分析及最后报告生成，因各单位工作流程差异很大，有使用手工制作报表的，有使用电子表格软件制作的，有直接在在数据库上操作的，有用 Visual Basic 等编程语言作开发平台，结合数据库管理数据，按系统架构完成的。国内在沉降观测方案与系统设计方面，其主要发展方向是观测方案的综合设计和系统的数据管理与综合处理。

沉降观测数据处理工作包括：编写沉降观测记录表、沉降量一览表；检查沉降观测数据质量；绘制沉降展开图、沉降曲线及预测残差图；决定沉降观测的周期与结束时间；分析沉降趋势有无异常情况。检查数据质量和分析沉降趋势的工作一般要在数理统计软件上作。本文使用 Excel 作为数据预处理的软件平台，使用该软件对沉降观测手簿进行整理，并对沉降量作初步分析，同时绘出沉降曲线图。为了能在 Excel 进行数据处理,我们对建筑单位使用的《建设工程沉降观测记录表》略作变动，如表1 。在表1 的数据检查整理后，可以绘制荷载、高程、时间散点图，并为其添加趋势线。 Excel 表格中的数据可以通过数据链接、数据转换、或直接使用复制粘贴等方法导入数据库。

表1 沉降观测记录表

5.应用举例

无锡市华光大厦、珠宝城商厦建筑群项目建于无锡市中心商务圈中山路与人民路交叉口西南处，华光大厦结构层数39层、建筑高度140米、建筑面积52000平方米；珠宝城商厦紧邻华光大厦东侧，结构层数8层、地下室1层、建筑面积54000平方米。珠宝城商厦1993年5月开始施工，1994年12月封顶；华光大厦1994年初开始施工，1995年12月封顶。华光、珠宝城建筑群周围高楼林立，交通繁忙，地质条件复杂，测区范围本身存在地面沉陷现象，项目建设施工周期较长，经历多个雨季、寒暑节假变迁，建筑封顶后长期处于沉降活跃中，因此对该建筑群进行了长达五年的建筑沉降监测。自1994年8月16日至1999年12月17日对珠宝城商厦共进行31次沉降观测；自1994年12月24日至1999年12月17日对华光大厦共进行41次沉降观测。

华光、珠宝城建筑群沉降观测使用Ni007自动安平水准仪、铟瓦水准尺按二等水准要求进行观测。沉降观测采用水准闭合线路法，水准线路布设成2个闭合环。水准观测视距一般不超过20米，视线高度大于0.8米，架站时仪器前后距离大致相等。观测读数取至0.05毫米，高差中数取至0.01毫米。施工至正负零时进行首次观测，以后每升高1～2层进行一次沉降观测，大楼封顶后观测周期适当放长。施测现场检核环线闭合差，闭合差限差取 （n为测站数）。在华光大厦南面、西面布设了三个工作基点，华光大厦沉降观测点布设在四个角点承重柱上，珠宝城商厦在各主要角点承重柱上共布设七个沉降观测点，华光大厦、珠宝城商厦的沉降观测采用同一工作基准。

华光大厦、珠宝城商厦建筑沉降数据预处理平台采用 Excel 软件，数据质量分析、沉降趋势预测采用 SYSTAT 公司的统计软件 Table Curve 2D v5.01，数据模型采用时序系列回归模型，回归函数为双曲函数。根据环闭合差计算每测站高差中数中误差m_{w华光大厦}=±0.13(mm)、m_{w珠宝城商厦}=±0.16(mm)，符合技术设计要求。回归分析复相关系数R2=0.997、回归标准差=1.1613、F检验=2755.153，数据分析具有较高的置信度。

通过沉降数据分析发现华光大厦沉降现象起始于基础施工前后，沉降量随荷载增加而增大，大厦封顶前后沉降量增加很快，并有明显滞后现象，沉降保持了相当长的一段时间。当大厦内部设备安装结束荷载不再增加，反映出大厦处于沉降后期逐渐趋于稳定。珠宝城商厦观测到第10期后，开始出现较明显不均匀沉降，靠近华光大厦的3个点的沉降量大于靠近中山路的4个点的沉降量。自第12期开始，沉降数据显示靠近华光大厦的3个点的下沉，靠近中山路的4个点上升现象，珠宝城商厦有向华光大厦倾斜的趋势，倾斜长达三年八个月，后逐步趋缓。根据珠宝城商厦不均匀沉降情况，对其基础深度2倍，半径50米左右邻近建筑都进行了监测。沉降趋势******预测残差出现在第15期，分析原因为第14—15期跨春节前后，施工进度不均匀，与递推出的结果有较大出入。其它几个较大的预测残差第16、19、20期也是类似情况。结论分析认为在影响沉降的因素（如荷载、积水等）有明显变化时，靠自相关的递推得出的结论会与实际有较大出入，但总的置信度仍是很高的，同时随着数据量的增加，预测质量逐渐提高。

表2 建筑沉降趋势分析表

6.小结

小区沉降观测是一项重复性、延续性工作。单次观测结构相对简单，多次观测构成序列数据，可以有效地反映沉降变化规律。基于数据库技术开发集成的沉降信息系统可实现沉降观测资料的计算机存贮、管理、统计、查询、分析以及数据可视化，是方便有效地管理、统计、预测、分析沉降数据的有效途径。应该说明的是，沉降机理复杂，沉降受多种因素的影响，对沉降的预测预报应区别不同的情况选择预测预报的方法。运用时间序列分析法，主要考虑观测数据自身规律性的东西。可以较准确地预测数据变化趋势，并对沉降做出科学合理的解释。同时在沉降量较小的情况下应注意观测误差的剔除。

参考文献

[1]崔晓东,兰孝奇.建筑沉降规律的综合时序分析[J].现代测绘，2004年第1期.34-36.

[2]黄声享. 变形监测数据处理[M].武汉大学出版社，2003.2-3.

[3]Adam Chrzanowski, Xiaoli Ding, Gethin Roberts, and Cecilia Whitaker. GOALS AND ACHIEVEMENTS OF FIG WORKING GROUP WG6.1- DEFORMATION MEASUREMENTS AND ANALYSIS [R] Nomicos Conference Centre Santorini (Thera) Island, Goals and achievements of FIG working group WG6.1,Greece. 11th FIG Symposium on Deformation Measurements, 2003,5,25(2).

[4]Aleš Čepek. Analyza vystupních format digitálních nivela ních pístroj[D].FIG working Week WG2.0, eské vysoké uení technické PRAHA Fakulta stavební obor geodézie a kartografie.