本实用新型属于卫星导航定位技术领域，具体涉及一种用于监测超高层建筑变形状况的装置,特别涉及一种超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置。
背景技术：
随着建筑理论、建筑材料、施工技术的高速发展，世界各地的超高层建筑越来越多，其中不乏500m、600m甚至800m的超高摩天大楼。超高建筑在强风、地震和温度变化左右下，容易产生大变形，从而危及结构安全。《建筑工程施工过程结构分析与监测技术》规范明确指出，大于200m的超高层建筑在建设过程中和建设完成后需要进行安全监测，掌握其动态特征，对可能出现的灾害进行预测，最大限度地降低危险的发生，保证人民的生命、财产和安全。
常规变形监测方法主要采用全站仪、精密水准仪、激光铅直仪等设备，但是对于超高层建筑而言，常规监测方法都存在不同方面的弊端，比如，全站仪外控法测量瞄准目标困难，仰角过大，受大气流及大气折光影响，测角、测距精度降低，不能满足要求；激光铅直仪进行控制点的竖向传递时需要分段进行，造成误差积累，达不到需要的精度。同时，常规监测方法无法测定建筑体摆动周期和摆动规律，不能保证建筑体的垂直度；在大风、大雨等恶劣条件下，不能及时掌握建筑体动态状态、是否超过设计限度、是否安全；监测是需要大量人力和设备，劳动强度大，效率低，经济效益差。
卫星定位技术的进步依赖于全球卫星导航系统(GNSS)的发展，北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统(BDS)，是继美国GPS和俄国GLONASS之后第三个成熟的全球卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，预期可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、 高可靠的定位、导航、授时服务，现已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。
目前越来越多的变形监测采用了GNSS卫星定位技术，对于超高层建筑物，主要使用GNSS技术进行沉降监测和水平位移监测。沉降可分为均匀沉降和非均匀沉降，其中非均匀沉降对建筑物的健康安全影响很大，仅依靠GNSS技术不能满足沉降监测的精度要求，需要结合其他传感器(如静力水准仪)共同监测。
进一步，对于超高层建筑，传统用于位移监测的仪器主要有：全站仪、位移传感器等。而这些传统仪器均存在严重不足之处。全站仪监测的不足在于：采用自动扫描法，需要对各个测点进行一周的连续扫描，而且各测点不同步以及大位移时不可测。位移传感器的不足在于：它是一种接触型传感器，必须与测点相接触，且对于难以接近的点无法测量，另外对于横向位移测量比较困难。从上述分析可以看出，传统的位移监测设备与方法存在种种不足。
技术实现要素：
针对上述问题，本实用新型提供一种超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置，以实现成本低、维护简单、水平和高度方向上的高精度监测。
为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置，包括：数据采集单元，数据采集单元包括GNSS接收机、风振监测设备、至少一个应变计、至少五个静力水准仪、至少一个裂缝计；GNSS接收机及GNSS天线搭建在超高层建筑的顶部或侧壁；风振监测设备搭建在超高层建筑的顶部或侧壁；应变计、静力水准仪和裂缝计设置在超高层建筑的预定位置，预定位置作为监测点；处理单元，处理单元接收来自数据采集单元采集的实时数据，基于GNSS接收机的信号计算出超高层建筑的水平位移和均匀沉降值，基于静力水准仪的信号计算出超高层建筑的非均匀沉降值，基于风振监测设备的信号计算出风速、风向、风压，并且基于裂缝计的信号计算混凝土、岩土、土体和结构物 表面裂缝的开合度并且基于风振监测设备的信号计算出风速、风向、风压；和传输单元，传输单元在数据采集单元和处理单元之间进行通信。
在本实用新型的超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置中，优选处理单元包括计算机，由数据采集单元采集的实时数据通过计算机处理。
本实用新型的超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置进一步包括监控电视墙，监控电视墙实时显示监测点的环境变化。
在本实用新型的超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置中，计算机比较实时数据与对应的预定阈值，并且当实时数据超过对应的预定阈值时发出警报信息。
本实用新型的超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置包括在线发布单元，在线发布单元在线发布实时数据和警报信息。
在本实用新型的超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置中，传输单元为无线通信。
在本实用新型的超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置中，传输单元为有线通信。
在本实用新型的超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置中，处理单元进一步包括交换机，交换机在传输单元和计算机、监控电视墙之间进行数据传输。
在本实用新型的超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置中，风振监测设备为风速仪。
本实用新型提供的装置建设成本低，维护方便，当用于监测超高层建筑变形状况比如均匀沉降与非均匀沉降时，具有精度高、实时、自动、信息化监测等优势。
本实用新型的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚的了解。
附图说明
图1为根据本实用新型的超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置的示意性结构图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例进一步阐述本实用新型。
本实用新型中，术语“超高层建筑”是指高度超过100m的建筑，包括住宅及公共建筑，参见我国的《民用建筑设计通则》GB50352-2005的规定。
本实用新型中，术语“均匀沉降”是指建筑在沉降过程中基本不发生倾斜，各部分在一定时期后基本上出现沉降差异；术语“非均匀沉降”是指建筑在沉降过程中发生倾斜，建筑物各部分在一定时期后出现沉降差异。
图1为根据本实用新型的超高层建筑均匀沉降与非均匀沉降监测装置(以下简称为“监测装置”)的示意性结构图。如图1所示，监测装置包括数据采集单元1、传输单元2和处理单元3。
数据采集单元1用于实时收集各种数据信息，例如定位信息、应变量、裂缝、风速、风向等。基于数据采集单元1采集的各种数据信息，本监测装置可以实现对超高层建筑的沉降监测、水平位移监测、主体倾斜监测、裂缝监测、风振监测等安全监测。
数据采集单元1包括GNSS接收机4(比如GNSS观测墩)、风振监测设备5、应变计6、静力水准仪7、裂缝计8等。GNSS接收机4及GNSS天线可以搭建在超高层建筑的顶部(顶层)或侧壁。GNSS接收机4的信号通过传输单元2输入至处理单元3。风振监测设备5搭建在超高层建筑的顶部或侧壁。风振监测设备5的信号通过传输单元2输入至处理单元3。风振监测设备5包括风速仪和风压计等。
应变计6、静力水准仪7、裂缝计8固定设置在超高层建筑的预定位置，该预定位置作为监测点。具体监测内容及监测点描述如下。
1.沉降监测
超高层建筑沉降监测应当测定超高层建筑及地基的沉降量、沉降差及沉降速度，沉降监测点的布设应能全面反映超高层建筑及地基变形特征，并顾及地质情况及建筑结构特点。点位(作为监测点)宜选设在下列位置：
(1)超高层建筑的四角、核心筒四角、大转角处及沿外墙每10～20m处 或每隔2～3根柱基上；
(2)高低层建筑、新旧建筑、纵横墙等交接处的两侧；
(3)建筑裂缝、后浇带和沉降缝两侧、基础埋深相差悬殊处、人工地基与天然地基接壤处、不同结构的分界处及填挖方分界处；
(4)对于电视塔、烟囱、水塔、油罐、炼油塔、高炉等高耸建筑，应设在沿周边与基础轴线相交的对称位置上，点数不少于4个。
采用在超高层建筑的顶端搭建GNSS基础观测墩(GNSS接收机4)的方式，通过采集原始观测数据，比如通过上海海积信息科技股份有限公司研制的H1测量型接收机采集原始观测数据，在处理单元3中进行高精度毫米级静态解算，最终给出高层方向的偏移数据，及时反映超高层建筑的均匀沉降情况。根据本实用新型的监测装置的GNSS接收机4的沉降监测精度要求一般为±5mm。采用在超高层建筑附近没有沉降的位置搭建静力水准仪参考墩(静力水准仪7)的方式，通过采集原始观测数据，在处理单元3中进行解算，最终给出高层非均匀沉降数据，及时反映超高层建筑的非均匀沉降情况。
2.水平位移监测
水平位移监测可与一并进行的沉降监测协调确定，采用在超高层建筑的顶端搭建GNSS基础观测墩(GNSS接收机4)的方式，通过采集原始观测数据，比如通过上海海积信息科技股份有限公司研制的H1测量型接收机采集原始观测数据，在处理单元3中进行厘米级动态解算，最终给出水平X轴(水平轴)和Y轴(竖直轴)的偏移数据，实时反映超高层建筑的表面位移情况。上述偏移数据即为水平位移。根据本实用新型的监测装置的GNSS接收机4的水平位移监测精度要求一般为±3mm。
3.主体倾斜监测
超高层建筑的主体倾斜监测应测定超高层建筑的顶部监测点相对于底部固定点、或上层相对于下层监测点的倾斜度、倾斜方向及倾斜速度。超高层建筑的整体倾斜可通过测量顶面或基础的差异沉降来间接确定。
通过安装未图示的倾角传感器，搭配专用支架，测量建筑物结构的倾角变化并将获得的倾角及其变化输入至处理单元3，进行主体倾斜监测。根据本实用新型的监测装置的倾角传感器的主体倾斜监测精度要求一般小于0.1度。
4.裂缝监测
裂缝监测应测定超高层建筑上的裂缝分布位置和裂缝的走向、长度、宽度及其变化情况。对需要监测的裂缝统一进行编号，每条裂缝应至少布设两组监测标志，其中一组应在裂缝的最宽处，另一组应在裂缝的末端。每组应使用两个对应的标志，分别设在裂缝的两侧。裂缝监测标志应具有可供测量的明晰端面或中心。长期监测时，可采用镶嵌或埋入墙面的金属标志、金属杆标志或楔形板标志；短期监测时，可采用油漆平行线标志或用建筑胶粘贴的金属片标志。当需要测出裂缝纵横向变化值时，可采用坐标方格网板标志。使用专用仪器设备监测的标志，按具体要求另行设计。本实用新型采用裂缝计8实时监测各监测点的裂缝。根据本实用新型的监测装置的裂缝计的裂缝监测精度要求一般为0.1mm。
5.风振监测
风振监测应在超高层建筑受强风作用的时间段内利用风振监测设备5同步测定该超高层建筑的顶部风速、风向和墙面风压以及顶部水平位移。风速、风向监测，宜在建筑顶面的专设桅杆上安置两台风速仪，分别记录脉动风速、平均风速及风向，并在距建筑100～200m距离内10～20m高度处安置风速仪记录平均风速。在建筑不同高度的迎风面与背风面外墙上，对应设置适当数量的风压盒，或采用激光光纤压力计和自动记录系统，测定风压分布和风压系数。
传输单元2设置在数据采集单元1和处理单元3之间，以实现两者之间的通信。传输单元2的通信方式采用无线通信或有线通信。无线通信例如有GPRS、2G/3G/4G等。有线通信包括光线、网线等。这可以根据现场环境布置最优最稳定的通讯网络。
处理单元3接收来自数据采集单元1采集的实时数据，并且基于GNSS接收机4的信号计算出超高层建筑的水平位移和均匀沉降值，基于静力水准仪7的信号计算出超高层建筑的非均匀沉降值，基于风振监测设备5的信号计算出风速、风向、风压等，并且基于裂缝计8的信号计算混凝土、岩土、土体和结构物表面裂缝的开合度。在本实施例中，处理单元3包括交换机9、在线发布单元10、计算机11和监控电视墙12等。交换机9设置在传输单元 以及在线发布单元10、计算机11和监控电视墙12之间，以在它们之间进行数据传输。由数据采集单元1采集的实时数据通过所述计算机11处理。计算机11实现对所述实时数据进行数据处理、数据分析、数据存储、数据显示、报表生成等操作，将监测结果实时显示。此外，计算机11还可以比较实时数据与处理单元3中事先确定的对应的预定阈值，一旦发现监测点的实时数据超过对应的预定阈值，则立即发出警报信号。计算机11中的对应各个监测点的实时数据和警报信息通过在线发布单元10被在线发布出去。另外，产生的报警信息还可以通过短信模式，给相关人员发送短信提醒。
根据本实用新型的监测装置还可以包括监控电视墙12，该监控电视墙能够实时显示各监测点的环境变化。
此外，根据本实用新型的监测装置还可以包括供电、避雷、机柜、布线、基建等基础辅助单元。
根据本实用新型的监测装置的工作流程基本如下：
(1)在超高层建筑的特定位置固定GNSS接收机4、各种传感器(包括应变计6、静力水准仪7、裂缝计8、风速仪、风压计等)、监控电视墙12等，实现对超高层建筑的沉降、水平位移、倾斜、裂缝等指标的监测。
(2)通过传输单元2，将监测的各类数值发送至处理单元3，在计算机11上可以完成高精度的定位解算，并显示各指标的实时数值以及变化情况，还可以存储在计算机11中，另外还有监控电视墙12可以实时显示各监测点的环境变化。
(3)处理单元3实时记录并分析各类监测数据，一旦发现监测点出现异常(即超过对应的预定阈值)，立即控制声光报警器，发出报警信号，同时启动短信模块，给相关人员发送短信提醒。
根据本实用新型的监测装置具有以下优势：
(1)建设成本：本实用新型的成本约占传统监测技术的1/10。
(2)维护便利：传统监测技术需要专业人员并且需要每年定期标定，而本实用新型的监测装置维护简单，不需要定期标定。
(3)位移监测数据质量：传统监测技术对横向位移监测比较困难，而本实用新型的监测装置在水平、高程方向都能实现高精度监测。
(4)实时性：传统监测技术一般需要后期处理，受天气条件影响大，而本实用新型的监测装置能够实时、自动、信息化。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。