三維控制在超高層鋼結(jié)構(gòu)施工測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)

稱(chēng)藝銘

摘要：結(jié)合國(guó)內(nèi)一超高層大廈鋼結(jié)構(gòu)施工，介紹了超高層鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)，包括坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換、軸線控制點(diǎn)的豎向傳遞、傾斜H型巨柱安裝精度的控制、復(fù)雜構(gòu)件檢驗(yàn)、外環(huán)梁的精度控制等。

關(guān)鍵詞：超高層；鋼結(jié)構(gòu)吊裝；測(cè)量；三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）09-2073-04

隨著人類(lèi)的進(jìn)步，科技發(fā)展的今天，超高層建筑作為新型的建筑體系在各國(guó)逐漸興起。這不僅標(biāo)志著建筑領(lǐng)域的進(jìn)步，同時(shí)，也反映出國(guó)家科技的發(fā)展和綜合實(shí)力。

超高層因其高度，所以對(duì)它的結(jié)構(gòu)也有特殊的要求，每棟超高層建筑在外觀形態(tài)上為了突出與眾不同，給人在視覺(jué)上擁有不同的美學(xué)概念——形狀各異，美觀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，大多數(shù)超高層都采用勁心結(jié)構(gòu)，在這樣的結(jié)構(gòu)形勢(shì)下，對(duì)施工技術(shù)有一定特殊的要求，對(duì)測(cè)量精度控制要求超出了原有的規(guī)范技術(shù)指標(biāo)。然而普通的測(cè)量?jī)x器和方法，因難以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑施工精度控制，已逐漸被全站儀、GPS、三維掃描儀等新型儀器取代。新型的三維控制方法，在結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙的內(nèi)業(yè)計(jì)算，逐漸取代原來(lái)的測(cè)量方法，使工作即簡(jiǎn)便又高效、工程進(jìn)度也在不斷的提高。該文總結(jié)了上海中心大廈在施工過(guò)程中，三維坐標(biāo)測(cè)量方法在鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用。

1 工程概況

上海中心大廈總建筑面積為574058㎡，建筑高度為632m，地上共121層，大廈功能主要為辦公、高級(jí)酒店、大型國(guó)際級(jí)會(huì)議中心及文化、商業(yè)、娛樂(lè)、觀光休閑等配套設(shè)施，建成后將與臨近的建筑形成國(guó)際頂級(jí)的辦公商務(wù)中心。同時(shí)，大廈將作為超高層綠色建筑的典范，實(shí)現(xiàn)中國(guó)綠色建筑三星級(jí)、美國(guó)LEED-CS金獎(jiǎng)雙認(rèn)證。在建設(shè)具有標(biāo)志性功能性建筑和引領(lǐng)超高層建筑的可持續(xù)發(fā)展等方面具有重大意義。

主樓地下室的結(jié)構(gòu)類(lèi)型為混凝土型鋼巨型柱+混凝土鋼骨核心筒及外翼墻組成的混合結(jié)構(gòu)。主樓地下室的8根巨柱和4根角柱呈井字形框架分布于核心筒外圍。核心筒平面結(jié)構(gòu)隨著高度逐漸變化，首先由九宮格四角收縮變?yōu)槭中?，核心筒東西向繼續(xù)收縮，最終南北向呈1字形。主樓外圍有8根巨型柱和4根角柱勁性混凝土結(jié)構(gòu)柱，沿著高度向核心筒中心傾斜。屋頂皇冠鋼結(jié)構(gòu)位于整棟建筑頂部，由內(nèi)外八角鋼框架、雙向桁架加強(qiáng)層、豎向鰭狀桁架、水平帶狀桁架組成。屋頂皇冠構(gòu)件由H型鋼、圓形鋼管或角鋼制作。裙房地上為鋼框架結(jié)構(gòu)，分為東、西裙房?jī)刹糠帧|裙房為鋼梁框架結(jié)構(gòu)，西裙房為大跨度主次桁架框架結(jié)構(gòu)。主桁架的上、下弦桿采用桁架結(jié)構(gòu)形式，桁架呈南北向布置，最大跨度達(dá)58.8m。下弦桁架作為樓面支撐桁架；上弦桁架作為屋面支撐桁架，頂面呈曲線形，次桁架呈東西向布置，與主桁架下弦桿十字交錯(cuò)。

2 控制網(wǎng)的建立

2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

為了便于內(nèi)業(yè)計(jì)算，總平面圖上所有的拼接接點(diǎn)定位坐標(biāo)均為建筑坐標(biāo)，建筑坐標(biāo)系的中心點(diǎn)為九宮格核心筒的中心，如圖1所示為12軸和H軸的兩條軸線的交匯處。

規(guī)劃設(shè)計(jì)圖中所有紅線范圍樁點(diǎn)坐標(biāo)為城市大地坐標(biāo)，利用城市大地坐標(biāo)控制點(diǎn)測(cè)放到建筑施工區(qū)域平面內(nèi)，形成矩形首級(jí)控制網(wǎng)。為了便于實(shí)測(cè)方便，將其按照一定角度距離轉(zhuǎn)換，本工程旋轉(zhuǎn)角為0.0000度，統(tǒng)一歸化為建筑平面坐標(biāo)，便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的快速計(jì)算。

2.2 二級(jí)控制點(diǎn)布置

平面軸線控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換方法，首先應(yīng)以圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的軸線點(diǎn)理論坐標(biāo)為根據(jù)，對(duì)原控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)設(shè)；然后布網(wǎng)測(cè)量并進(jìn)行平差處理，與理論值比較，當(dāng)誤差在允許范圍內(nèi)時(shí)才可以繼續(xù)上傳遞。核心筒結(jié)構(gòu)控制軸線測(cè)量采用天頂法，整個(gè)建筑將經(jīng)過(guò)8次樓層的基準(zhǔn)點(diǎn)轉(zhuǎn)換。

3 控制點(diǎn)的向上引測(cè)

為了施工方便，首級(jí)控制網(wǎng)需要豎向傳遞，經(jīng)過(guò)豎向傳遞在同一個(gè)施工樓層中形成施工控制網(wǎng)，對(duì)其要進(jìn)行角度、距離測(cè)量復(fù)核，考慮投點(diǎn)時(shí)存在的人為誤差、環(huán)境的影響，因此測(cè)量施工控制平面網(wǎng)的角度和邊長(zhǎng)與首級(jí)控制網(wǎng)精度的差異，經(jīng)合理分配、平差處理，以提高施工控制網(wǎng)等級(jí)的精度，達(dá)到規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

3.1 平面軸線引測(cè)

施工總平面設(shè)計(jì)圖標(biāo)明的建筑軸線三維坐標(biāo)（控制點(diǎn)）的引測(cè)，開(kāi)始要在施工場(chǎng)地B0層±0.000m（本工程為4.600m）混凝土樓面上，在首級(jí)控制網(wǎng)的控制點(diǎn)位上架設(shè)激光鉛直儀，豎直向上傳遞平面軸線上的控制點(diǎn)點(diǎn)位，為提高控制點(diǎn)點(diǎn)位的捕捉精度，為消除因距離遠(yuǎn)而形成的分段引測(cè)誤差的積累和受施工環(huán)境的影響，造成點(diǎn)位的漂移，故而在施工樓層使用自制的激光捕捉靶。使其準(zhǔn)確而明亮的在激光捕捉靶上顯示點(diǎn)位。

3.2 標(biāo)高引測(cè)

由水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)到施工場(chǎng)地的B0層上，在B0層上做一個(gè)高程基準(zhǔn)點(diǎn)±0.000m（本工程為4.600m）。在高程基準(zhǔn)點(diǎn)上架設(shè)全站儀從B0層樓面豎向傳遞，每隔5個(gè)樓層中轉(zhuǎn)一次，各施工樓層的標(biāo)高用鋼卷尺沿主樓核芯筒外墻面向上量引測(cè)，經(jīng)溫度、鋼尺參數(shù)修正。高精度全站儀傳遞標(biāo)高基準(zhǔn)點(diǎn)的方法如下：

1）在B0層樓面上±0.000m（吳淞高程4.600m）高程基準(zhǔn)點(diǎn)上架設(shè)高精度全站儀如Leica1201+、Leica2003、Leica Ts30，經(jīng)過(guò)氣壓、氣溫、豎角測(cè)量及其他因素影響，對(duì)全站儀進(jìn)行參數(shù)改正設(shè)置。使其消除儀器誤差，提高傳遞精度。

2）以核心筒墻面+1.000m/0.600m為標(biāo)高基準(zhǔn)線控制線。經(jīng)假定高程測(cè)得儀器高，對(duì)儀器內(nèi)H（高程）向坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)值設(shè)置，包括使用反射棱鏡的常數(shù)設(shè)置。不同的反射棱鏡的常數(shù)是不同的，如徠卡的圓棱鏡常數(shù)為34.4mm。

3）高精度全站儀豎角（v）豎直向上，利用彎管觀測(cè)，沿各個(gè)樓層的預(yù)留洞口豎直向上傳遞，頂部反射棱鏡或反射物放在提模架或需要測(cè)量標(biāo)高的樓層面上，棱鏡反射面向下對(duì)準(zhǔn)全站儀激光。因物體及反射貼片遠(yuǎn)距離測(cè)距時(shí)反射信號(hào)較弱或難以反射，影響測(cè)距的精度或全站儀讀不出數(shù)據(jù)，故在此用反射棱鏡配合全站儀進(jìn)行距離測(cè)量。

4）內(nèi)業(yè)計(jì)算得到相應(yīng)的標(biāo)高后，用水準(zhǔn)儀測(cè)量，計(jì)算水準(zhǔn)儀儀器高，將標(biāo)高傳遞到剪力墻側(cè)面距離本樓層高度+1.000m/0.600m處，并在墻體上彈墨線標(biāo)識(shí)并注明高程值，用于后續(xù)高程測(cè)量和壓縮變形監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可作為樓層高程傳遞的基準(zhǔn)。

4 外筒鋼柱安裝測(cè)量定位技術(shù)

測(cè)量定位技術(shù)主要體現(xiàn)在外筒鋼結(jié)構(gòu)，外筒鋼柱節(jié)點(diǎn)為H形，各層節(jié)點(diǎn)的分枝角度不同，所以每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置都必須用全站儀進(jìn)行三維空間坐標(biāo)定位測(cè)量。測(cè)量步驟：

1）在室內(nèi)，通過(guò)深化設(shè)計(jì)圖紙和專(zhuān)業(yè)的軟件計(jì)算出即將要吊裝的鋼柱頂中心的三維坐標(biāo)，或兩端端點(diǎn)坐標(biāo)值。

4）對(duì)于實(shí)際吊裝拼接中產(chǎn)生的誤差，可通過(guò)焊接縫（3mm-5mm）進(jìn)行焊接間距的調(diào)整，如吊裝產(chǎn)生的偏差過(guò)大，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反饋至巨柱加工廠直接調(diào)整巨柱制作長(zhǎng)短，來(lái)消除偏差，使其滿足設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)吊裝的要求。

5）利用高精度全站儀對(duì)核心筒外圍各個(gè)鋼柱柱頂中心或已設(shè)置好的一定尺寸的三維坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量，并記錄原始數(shù)據(jù)。

a、架設(shè)全站儀在施工控制網(wǎng)的控制點(diǎn)上或隨意架站，利用后方交會(huì)和高程傳遞，照準(zhǔn)一個(gè)或幾個(gè)后視點(diǎn)，并通過(guò)其他點(diǎn)位的三維坐標(biāo)進(jìn)行校核。

b、調(diào)用已有的后視點(diǎn)、、測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)文件或輸入后視點(diǎn)、測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)值、棱鏡常數(shù)、棱鏡高度值，建立本測(cè)站的施工坐標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)行定向和高程傳遞。

c、配合棱鏡或貼片進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量；

6）結(jié)合上下節(jié)柱頂焊后的偏差，矢量疊加出計(jì)算出上一節(jié)巨柱的實(shí)際三維坐標(biāo)值；

7）焊接完成后重新架站，再次測(cè)量柱頂或已設(shè)置好的一定尺寸貼片的三維坐標(biāo)，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)業(yè)計(jì)算和理論數(shù)據(jù)對(duì)比，得出偏差，為上節(jié)鋼柱吊裝安裝提供理論依據(jù)和消除偏差，如此循環(huán)。

計(jì)算三維坐標(biāo)：

1）常溫、常壓條件下，不考慮工程本身荷載增加引起變形和施工環(huán)境的影響每節(jié)柱頂中心點(diǎn)或已設(shè)置好的一定尺寸的三維坐標(biāo)；

2） 按施工工藝順序，考慮各種因素的影響，改正各個(gè)參數(shù)矢量疊加。

5 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的測(cè)量

5.1 測(cè)量原理

采用高精度全站儀，在同一層建立施工控制網(wǎng)，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位的三維測(cè)量，記錄實(shí)際三維坐標(biāo)值，將實(shí)測(cè)坐標(biāo)值編輯成對(duì)應(yīng)的文件，利用專(zhuān)業(yè)繪圖軟件展點(diǎn)，并轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)深化圖構(gòu)件相同坐標(biāo)系，還原實(shí)物，將實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)模型或圖紙以最大限度擬合對(duì)齊和經(jīng)過(guò)校正轉(zhuǎn)化，得出偏差，如環(huán)梁控制復(fù)核表：

5.2 測(cè)量?jī)?nèi)容

5.2.1 巨柱、角柱、鋼梁外形尺寸預(yù)檢

巨柱、角柱、鋼梁外形尺寸預(yù)檢包括巨柱、角柱、鋼梁的直徑、長(zhǎng)度、軸線間距的大小，其中軸線間距是非常重要，對(duì)構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)拼裝影響較大，故檢查采用檢測(cè)過(guò)的有名義尺長(zhǎng)的鋼卷尺，直接量取對(duì)角點(diǎn)（柱口四等分點(diǎn)或若干等分）距離，以?xún)A斜角度量取數(shù)次取平均值，巨柱、角柱、鋼梁的長(zhǎng)度及軸線間距由于在現(xiàn)場(chǎng)吊裝過(guò)程中難以用普通的測(cè)量方法檢驗(yàn)，可用全站儀測(cè)量三維坐標(biāo)法檢測(cè)。

5.2.2 吊裝節(jié)點(diǎn)測(cè)量

上海中心鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量工作的重點(diǎn)就是吊裝節(jié)點(diǎn)測(cè)量，它關(guān)系著整個(gè)建筑框架的最終成型，由于每區(qū)的大小、形狀加上旋轉(zhuǎn)，所以各個(gè)節(jié)點(diǎn)拼接也不同，各構(gòu)件位置處于三維空間狀態(tài)，這樣就構(gòu)成了節(jié)點(diǎn)形態(tài)復(fù)雜，空間位置各異，因此必須采用三維坐標(biāo)測(cè)量法核對(duì)各點(diǎn)的空間位置。

1）三維坐標(biāo)法實(shí)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，吊裝精度要求非常高，本工程擬選萊卡TPR1200+全站儀（精度1”級(jí)）作為主要測(cè)量?jī)x器，并配徠卡圓棱鏡、小棱鏡和徠卡反射貼片。

2）測(cè)量流程

在實(shí)測(cè)實(shí)量的過(guò)程中必須為同一樓層面上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立統(tǒng)一的施工控制網(wǎng)，使所測(cè)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。利用內(nèi)業(yè)軟件計(jì)算，經(jīng)內(nèi)業(yè)平差，記錄工程的原始資料、并加以歸檔、檢查。

5.2.3 巨柱、角柱上牛腿和連接耳板、節(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo)的測(cè)量

現(xiàn)場(chǎng)單個(gè)H型巨柱、角柱，在同一節(jié)巨柱、角柱平面上建立施工控制網(wǎng)。使其各控制點(diǎn)相互通視、全站儀架設(shè)地點(diǎn)堅(jiān)硬為原則，架設(shè)測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)定為（x，y，h）。

在巨柱、角柱頂部量取0.6m或一定尺寸的距離，用經(jīng)檢測(cè)有名義尺長(zhǎng)的鋼卷尺反復(fù)檢查，以保證所拉距離的準(zhǔn)確性，消除人為誤差，然后調(diào)節(jié)十字架中心激光反射片中心與量取的距離線一致及統(tǒng)一性。

巨柱、角柱的 牛腿測(cè)量以牛腿外邊中點(diǎn)或兩端端點(diǎn)向內(nèi)偏移15mm—20mm，以便焊后的伸縮變形而造成向外的整體偏差。

三維坐標(biāo)測(cè)量要點(diǎn)：

1） 在施工控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上粘貼反射片；反射片中心十字線與構(gòu)件中心線重合，因反射片厚度<1mm，全站儀所測(cè)數(shù)據(jù)即為該點(diǎn)的實(shí)際數(shù)值，減少了反射棱鏡垂直對(duì)中和坐標(biāo)值換算的復(fù)雜計(jì)算。

2） 在同一點(diǎn)上，每次架設(shè)儀器高不可能一致，也沒(méi)有一定規(guī)律可尋，若用鋼尺法量?jī)x高，則誤差較大，不能滿足高精度測(cè)量要求，因此在施測(cè)前，對(duì)已有高程點(diǎn)作H向坐標(biāo)的比測(cè)，將所得數(shù)據(jù)在儀器內(nèi)重新輸入或直接進(jìn)行數(shù)據(jù)改正。

5.3 偏差核對(duì)

1） 將記錄實(shí)測(cè)的三維坐標(biāo)值，經(jīng)電腦傳輸，編輯成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。

2） 將實(shí)測(cè)出三維坐標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)三維模型和設(shè)計(jì)院給的設(shè)計(jì)深化圖紙以最大限度擬合對(duì)齊，以其中的幾個(gè)共同點(diǎn)校正數(shù)據(jù)圖形，當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位與圖形基本重疊時(shí)，便能得出偏差。上面提到的牛腿、連接耳板的位置和角度偏差均可以此體現(xiàn)出來(lái)。如圖2：

5.4 偏差核對(duì)數(shù)據(jù)

構(gòu)件三維坐標(biāo)偏差核對(duì)，以構(gòu)件的一端為起始點(diǎn)，與相鄰構(gòu)件之間的距離和起始邊對(duì)齊。而構(gòu)件實(shí)際偏差是以節(jié)點(diǎn)中心線交點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)（因構(gòu)件形狀、現(xiàn)場(chǎng)通視條件差的特殊性而觀測(cè)不到），所以比對(duì)的偏差值均除以2還原實(shí)際偏差值。鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工中，對(duì)拼接的精確定位要求極高，而且驗(yàn)收要有時(shí)效性，因施工隨時(shí)會(huì)影響定位的精度，加上鋼結(jié)構(gòu)變形等因素影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技發(fā)展，超高層建筑造型獨(dú)特，外筒巨型鋼柱形狀各異、鋼柱角度變化復(fù)雜，純外挑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，人員難以到達(dá)的外挑位置。普通的測(cè)量技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度控制，三維控制坐標(biāo)法大大的減緩了在施工中的這些難題。對(duì)比以上兩種測(cè)量方法，后

者逐步取代了前者。該文在此淺談在上海中心施工過(guò)程中所積累了一些測(cè)量技術(shù)，望其能為其他類(lèi)似項(xiàng)目的測(cè)量工作提供了借鑒參考的實(shí)踐依據(jù)。

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