Page 44 - 《武汉大学学报（信息科学版）》2025年第6期

1066 武 汉 大 学 学 报 （信 息 科 学 版） 2025 年 6 月

per offers a robust GNSS/IMU multi-source sensor fusion solution, and provides strong support for the
safety monitoring and operational management of super-tall buildings throughout their lifecycle.
Key words： super-tall building； GNSS； IMU deformation monitoring； multi-source fusion monitoring

根据世界高层建筑与都市人居学会发布的 全监测研究仍缺乏系统性，存在变形监测参数单
报告统计，截至 2024 年 7 月底，全球共有 150 m 以 一 、GNSS/多 源 融 合 变 形 监 测 模 型 不 完 善 、
上的建筑 7 142 座，其中中国有 3 314 座，居世界 GNSS 多源数据耦合分析能力弱以及 GNSS/多
第一。在运营荷载、风载、日照、温度等外界环境 源传感器监测预警系统智能化程度不高等问题。
因素综合影响下，超高层建筑将发生特定频率的 因此，亟需构建超高层建筑变形 GNSS 多源融合
振动变形与似静态变形，并且随着建筑服役时间 协 同 监 测 关 键 技 术 体 系 ，研 制 支 撑 的 软 硬 件 系
的 加 长 ，建 筑 结 构 参 数 将 逐 步 偏 离 原 有 设 计 参 统，提高超高层建筑安全监测技术水平。
数，带来安全隐患，超高层建筑变形协同监测对 本文针对 GNSS 多源融合超高层建筑变形
确保建筑安全运行具有重要意义 ［1-3］ 。 监测面临的难题，系统梳理了超高层变形监测关
全 球 导 航 卫 星 系 统（global navigation satel‑ 键参数，回顾了 GNSS 变形监测的发展历程，完
lite system，GNSS）以其连续、实时、高精度、全天 善了 IMU 振动监测、平移-沉降监测及扭转变形
候测量等特点，近些年被广泛用于超高层建筑变 监测模型 ，并基于此构建出一套完整的 GNSS/
形监测。20 世纪 80 年代，英国金丝雀码头大厦 IMU 多源传感器协同融合变形监测关键技术，为
（244 m）最早采用卫星定位技术监测结构变化及 超高层建筑的全生命周期安全监测、运行管理提
其变形位移，随后，英国碎片大厦、伦敦金融城摩 供有力保障。
天楼、伦敦奥林匹克塔相继使用了卫星定位技术
进 行 变 形 监 测 。 世 界 最 高 建 筑 迪 拜 哈 利 法 塔 1 超高层变形监测关键参数
（828 m）在施工过程中使用卫星定位技术进行结
构健康监测，并研发了一套基于卫星定位技术的 超高层建筑全方位实时动态监测通常包括
自动爬模系统，但是并未公布详细的系统集成方 平移、沉降、振动、扭转、挠度、倾斜等关键参数，
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案与施工策略 。 如图 2 所示。平移、沉降和倾斜是超高层建筑变
随着北斗定位技术全球组网，北斗/GNSS 监 形监测整体平移变形量化描述的 3 项关键参数，
测技术被广泛用于中国超高层建筑精准监测领 而振动、挠度及扭转是超高层建筑局部相对变形
域 。 上 海 金 融 大 厦（632 m）施 工 过 程 中 拟 采 用 量化描述的关键参数。这些监测参数简介如下：
GNSS 技术监测变形，但由于大厦周围高楼林立， 1）平 移 是 指 建 筑 在 水 平 方 向 的 移 动 ，通 常
受多路径影响严重，最终仍采取了传统铅垂仪结 伴 随 沉 降 和 倾 斜 现 象 ，采 用 GNSS 或 全 站 仪 进
合 GNSS 的施工垂直度控制方案。深圳平安国 行 监 测 。 对 300 m 以 上 建 筑 ，监 测 误 差 应 小 于
际金融中心（592.5 m）将北斗精密测量引入到工 1.5 mm；300 m 以下则不超过 3.0 mm。
程施工当中，包括 GNSS 控制网的建立与外业数 2）沉降包含下沉和上升的位移，监测范围包
据采集处理、轴线竖向传递和 GNSS 摆动归心测 括沉降量、沉降差和沉降速率。对 300 m 以上建
量等内容，以实现轴线精准引导和垂直度监测。 筑的高程误差控制在 0.3 mm 内，300 m 以下则为
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随着 GNSS、惯性测量单元（inertial measurement 0.5 mm 。
unit， IMU）、加速度计、应力应变计等多源传感器 3）倾斜是建筑物因不均匀沉降或侧向荷载
技术的发展，GNSS 融合不同传感器进行超高层 引起的整体变形，对于超高层建筑，倾斜程度直接
建筑平移、扭转、倾斜等因子的安全监测成为新 反映了结构的安全性。通过差异沉降及距离计算
的发展趋势，并迅速得到工程应用 。 可确定倾斜值，并分层计算各高度的偏移量。
［5］
超高层建筑 GNSS 多源融合变形监测系统 4）振动是指建筑因风、地震等外力作用引发
主要由超高层建筑监测现场、数据分析与管理及 的周期性运动，振动频率通常为 31.5~500 Hz，采
智慧监控中心组成（如图 1 所示）。采用多种传感 用加速度计监测。
器开展数据采集，并将数据实时传输至数据处理 5）扭转是指建筑围绕垂直轴线的旋转变形，
中心，对数据进行解算、分析和展示。然而，目前 受风力和地震荷载影响，可能导致结构内部挤压
针对 GNSS 多源融合传感器进行超高层建筑安 和损伤。