賈俊偉 龔 威

(天津城市建設(shè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津 300384)

0 引言

隨著產(chǎn)業(yè)革命及人口的增長(zhǎng)，加劇了城市化的進(jìn)程，為了在有限的城區(qū)面積中提供更多的使用面積，建筑開始向更高的空間發(fā)展.經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)及對(duì)效率的追求令現(xiàn)代化高層建筑越來越高在過去向上空發(fā)展被認(rèn)為是代表“神”，而高塔則被認(rèn)為是地標(biāo)的象征，是超越日常生活的權(quán)力，高塔的垂直向上，是代表著一種精神的象征.而今像高空發(fā)展已經(jīng)演變?yōu)檎闻c經(jīng)濟(jì)的綜合行為，我們有許多理由相信，摩天大廈將是都市未來的基本要素，同時(shí)認(rèn)為都市結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代高樓兩者密不可分.

“高層建筑”英語稱high－rise路或tall Building，最初出現(xiàn)的高層建筑被稱為“摩天樓”(skyscraper)，德語為“凌云廈”(Wolkenkratzer)，它們以不同的意味表達(dá)，接近高空含意.“摩天樓”一詞在沙利文(Louis Sullivan)于1896年的論述“高層辦公大樓的藝術(shù)考慮”(The Tall office Building Artistically Considered，)一文中有所注解，他的解答很簡(jiǎn)單，“一幢很高的建筑物”，但仍有“相當(dāng)大的自由度”，是“一種自豪而飛翔的東西”.早先的摩天樓其實(shí)并不高，究竟多少層以上或多高的建筑稱為高層建筑，世界各國基于本國的經(jīng)濟(jì)條件及消防裝備等具體情況，對(duì)高層建筑起始高度的定義并不一致.

1972年，國際高層會(huì)議在對(duì)高層建筑的定義上取得了較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，并把高層建筑分為4類:①9～16層(50 m以下);②17～25層(75 m以下);③26～40層(100 m以下);④40層以上(超過100 m).如近年美國著名結(jié)構(gòu)工程師查爾斯·湯頓(Charles H.Thornton)認(rèn)為:40層以下(500英尺或164米以下)為高層建筑(High－rise);40～100層(500～1 200英尺或164 m～393 m)為中高層建筑(Tall Building);100層以上(1 200英尺或393 m以上)為超高層建筑(Super Tall Building).

1995年，我國修訂了原有的《高層民用建筑防火規(guī)范》(GBJ45－82)，新的《高規(guī)》(GB50045－95)仍然規(guī)定10層及10層以上的居住建筑及高度超過24m的公共建筑為高層建筑，但刪除了原有防火規(guī)范不適用于100 m以上的高層建筑的規(guī)定，新增加了“當(dāng)高層建筑高度超過250 m時(shí)，建筑設(shè)計(jì)采取的特殊防火措施，應(yīng)提交國家消防主管部門組織專題研究、論證”的內(nèi)容.我國第一幢超過100 m的高層建筑是1976年建造的廣州白云賓館，33層，高108 m，之后除了1983年的南京金陵飯店高109 m以外，直到1985年才有一幢真正高度意義上的超高層建筑——深圳的國貿(mào)中心大廈，50層，高160 m.目前，我們一般仍習(xí)慣于將100 m以上的高層建筑稱為超高層建筑.但由于防火能力的提高，顯然100 m早已不是限制我國高層建筑發(fā)展的高度界限了.

今天，超過100 m的建筑數(shù)不勝數(shù)，建筑物不論從結(jié)構(gòu)還是設(shè)備施工上均無明顯化.對(duì)于超高層建筑高度的界定，不能簡(jiǎn)單按新《高規(guī)》所提到的250 m為界.從高層建筑的技術(shù)構(gòu)成上分析，隨著建筑高度的持續(xù)增加，同時(shí)結(jié)合房屋的具體形狀，其設(shè)計(jì)概念將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn).

超高層建筑主要受以下因素影響:風(fēng)對(duì)建筑物變形及晃動(dòng)的影響;地質(zhì)運(yùn)動(dòng);土質(zhì)的松動(dòng);建筑物本身結(jié)構(gòu)問題，材料受雨水等腐蝕產(chǎn)生變形、傾斜.當(dāng)然，高層及超高層建筑物的晃動(dòng)也是隨之而來的一個(gè)不可避免的話題，這種晃動(dòng)在某種程度上極大地影響建筑物本身的使用壽命及安全.

在某一超高層建筑上可以架設(shè)4臺(tái)同樣的裝置，這樣在這一地區(qū)的高層建筑物上都安放這樣的裝置，并分別進(jìn)行編號(hào).這樣，不僅可以對(duì)此建筑群進(jìn)行系統(tǒng)性分析，而且可以對(duì)這一地區(qū)的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，風(fēng)力風(fēng)向等自然規(guī)律進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析出運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)今后的建筑業(yè)的發(fā)展也有一個(gè)規(guī)劃參考價(jià)值.

1 系統(tǒng)組成框圖

本裝置可用于檢測(cè)建筑物的傾斜度，當(dāng)建筑物傾斜度達(dá)到其設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警.同時(shí)利用液晶實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的狀態(tài)，包括時(shí)間，達(dá)到某個(gè)傾角的次數(shù)，風(fēng)速風(fēng)向以及溫濕度等信息，并存儲(chǔ)記錄下來.監(jiān)控中心通過上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控超高層建筑的傾斜情況.

圖1 系統(tǒng)組成框圖

超高層建筑物傾斜檢測(cè)裝置還具有地震預(yù)警的效果，一旦發(fā)生大晃動(dòng)(設(shè)定出類似于地震爆發(fā)的模型，數(shù)據(jù)模擬的方式)，則發(fā)出特殊的報(bào)警鈴聲，提醒人們及時(shí)作出防備工作，為人們爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間，逃離高層建筑，盡量減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)保護(hù).

數(shù)據(jù)采集正常是半年或者是一個(gè)季度采集一次，便于統(tǒng)計(jì)，預(yù)測(cè)建筑物的使用年限，及時(shí)修整采取補(bǔ)救措施等等，提供建設(shè)性意見供參考.

于是本文創(chuàng)新性地引入幾個(gè)影響建筑物傾斜的因素，加以檢測(cè)，依據(jù)國家及國際的一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)行早期預(yù)警，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為維護(hù)建筑物，預(yù)測(cè)使用年限提供具體的數(shù)據(jù)依據(jù)，提供參考性意見.相信像比薩斜塔這樣的建筑悲劇就不會(huì)重演了.系統(tǒng)組成框圖如圖1所示.

2 硬件部分設(shè)計(jì)

HT46RU232作為微控制器，主要與傳感器，液晶顯示以及上位機(jī)進(jìn)行通信［2］.

(1)CPU.盛群?jiǎn)纹瑱C(jī)HT46RU232，是8位高性能精簡(jiǎn)指令單片機(jī)，專門為需要A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)品而設(shè)計(jì)，例如傳感器信號(hào)輸入.HT46RU232是低功耗、低成本、高性能的八位單片機(jī)，最多可有40個(gè)雙向輸入/輸出口，方便多個(gè)外圍芯片與其通信.內(nèi)置晶體和RC振蕩電路，和為系統(tǒng)提供時(shí)鐘.一個(gè)8位和2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，4096*16程序存儲(chǔ)器ROM，192*8數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM［3］;

(2)風(fēng)速、風(fēng)向檢測(cè).符合氣象標(biāo)準(zhǔn)的大風(fēng)車，速度傳感器(可以使用光柵傳感器，霍爾元件等);符合氣象標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)向標(biāo)，利用A/D轉(zhuǎn)換得出縱向和橫向的值，分析出坐標(biāo)風(fēng)向指示;

圖2 WQ 36－10輸出曲線圖

(3)傾角檢測(cè).高精度傾角傳感器WQ 36－10(2個(gè)，分別為橫向和縱向)，精度達(dá)到0.01°.該傳感器采用高性能磁敏感元件，利用重力擺結(jié)構(gòu)，可無電接觸點(diǎn)的測(cè)量?jī)A斜角度.具有體積小、靈敏度高、精度高、壽命長(zhǎng)、抗振動(dòng)、耐環(huán)境污染(耐水，油和各種惡劣環(huán)境)，特別適合用于運(yùn)動(dòng)頻繁場(chǎng)合的水平姿態(tài)角度的測(cè)控和平面定位等工作場(chǎng)合.本傳感器正向垂直安裝，標(biāo)簽的指示箭頭垂直指向地心時(shí)，為輸出電中點(diǎn)，電壓值為1/2 Vin(如5 V時(shí)2.5 V).可以在外部壓環(huán)緊固前，轉(zhuǎn)動(dòng)

傳感器，微調(diào)起始角度位置，然后再將壓環(huán)上緊.傳感器按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出電壓增大，輸出信號(hào)約0.5 V～4.5 V.WQ 36－10輸出曲線圖如圖2所示.角度傳感器的工作電壓為直流5 V，與單片機(jī)連接時(shí)須通過DC/DC電壓轉(zhuǎn)換;

(4)溫度、濕度檢測(cè).溫度傳感器DS 18 B 20和濕度傳感器.DSl 820數(shù)字溫度計(jì)提供9位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度.特性:獨(dú)特的單線接口，只需1個(gè)接口引腳即可通信多點(diǎn)(multidrop)能力使分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用得以簡(jiǎn)化，不需要外部元件;可用數(shù)據(jù)線供電;不需備份電源;測(cè)量范圍從－55℃ ～+125℃，增量值為0.5℃.以9位數(shù)字值方式讀出溫度;在1s(典型值)內(nèi)把溫度變換為數(shù)字;用戶可定義的非易失性的溫度告警設(shè)置;告警搜索命令識(shí)別和尋址溫度在編定的極限之外的器件(溫度告警情況);

(5)數(shù)據(jù)采集.通過上位機(jī)存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，便于管理、統(tǒng)計(jì)，繪制建筑物的晃動(dòng)曲線圖與受力曲線，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)情(風(fēng)力，溫度，濕度，風(fēng)向，雨水情況等)，提出參考性意見.這種數(shù)據(jù)約半年或者一個(gè)季度采集一次，由微型打印機(jī)輸出固定標(biāo)準(zhǔn)式數(shù)據(jù)形式，便于攜帶和管理.同時(shí)，消除存儲(chǔ)器以前的記錄，讓出足夠的空間存儲(chǔ)以后的數(shù)據(jù).上位機(jī)有大量的存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)設(shè)定值傾角的次數(shù)統(tǒng)計(jì)量以及時(shí)間(注:一般設(shè)定值不顯示1°的情況，同時(shí)也不進(jìn)行存儲(chǔ)，微小的晃動(dòng)屬于國家標(biāo)準(zhǔn)的，也是為了減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)量過大，無法存儲(chǔ)有用信息的情況發(fā)生);

(6)顯示輸出.大液晶顯示240*128(包括當(dāng)前的溫濕度，橫縱向傾角，達(dá)到設(shè)定值如2°，3°，4°，5°的次數(shù)，風(fēng)向風(fēng)速，裝置編號(hào)等信息)［4］;

(7)報(bào)警設(shè)置.①超過某傾角(例如國家標(biāo)準(zhǔn)中建筑物最大承受傾角JGJ 3－2002工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)－工程建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)－建筑工程，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程)3次報(bào)警，有可能由于風(fēng)力晃動(dòng)，溫濕度影響建筑物的結(jié)構(gòu)提出撤離提示;②瞬間晃動(dòng)大于一定傾角(類似于地震前的震蕩波)，即使出現(xiàn)一次也需報(bào)警，提出地震預(yù)警.當(dāng)然也可能出現(xiàn)人為作用(無意間碰到或者撞到)，提醒維護(hù)人員前去查看，檢修.

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分主要采用.NET開發(fā)平臺(tái)，采用C語言設(shè)計(jì)［5］，軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化、觸發(fā)蜂鳴器設(shè)計(jì)以及讀入串口信息設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)程序界面如圖3所示;裝置正常運(yùn)行流程如圖4所示;人工采集數(shù)據(jù)流程如圖5所示.

裝置正常運(yùn)行時(shí):裝置處于運(yùn)行狀態(tài)，不斷檢測(cè)當(dāng)前風(fēng)速，風(fēng)向，溫濕度，傾斜角度(橫向，縱向)，這些量都是進(jìn)過A/D轉(zhuǎn)換得到的.時(shí)鐘正常運(yùn)行，并記錄存儲(chǔ)下當(dāng)前到達(dá)某一設(shè)定傾角值的次數(shù).一旦某一時(shí)刻超出建筑物的最大承受傾斜角度，或者是達(dá)到某一設(shè)定傾斜角超過一定次數(shù)，則發(fā)出報(bào)警提示，并記錄存儲(chǔ)當(dāng)前時(shí)間及傾角值等一系列狀態(tài).

圖3 計(jì)算機(jī)程序界面

圖4 裝置正常運(yùn)行流程

圖5 人工采集數(shù)據(jù)流程

4 結(jié)論

本文引入了幾個(gè)影響建筑物傾斜的因素，加以檢測(cè)，并達(dá)到監(jiān)控中心的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).依據(jù)國家及國際的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，例如GB50009－2001(2006年版)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)－工程建設(shè)國家標(biāo)準(zhǔn)，JGJ8－2007工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)－工程建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)－建筑工程，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009－2001)等，對(duì)建筑物進(jìn)行早期預(yù)警，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)測(cè)使用年限提供具體的數(shù)據(jù)依據(jù).

當(dāng)然，這種檢測(cè)裝置不僅可以應(yīng)用在建筑物上，還可以裝置在電視塔、無線電發(fā)射基站上等，應(yīng)用前景十分廣闊.

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