非規(guī)則性超高層建筑垂直度測(cè)量方法研究

王天應(yīng)，徐亞明，楊 崴

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060；2.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430079)

非規(guī)則性超高層建筑垂直度測(cè)量方法研究

王天應(yīng)1，徐亞明2，楊 崴1

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060；2.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430079)

超高層建筑垂直度測(cè)量成果是質(zhì)量驗(yàn)收及偏差處理的重要參考依據(jù),而超高層建筑的動(dòng)態(tài)特性和非規(guī)則性在一定程度上增加了垂直度測(cè)量的難度。文中提出一種非規(guī)則性超高層建筑垂直度測(cè)量方法：采用智能全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行超高層建筑周日擺動(dòng)監(jiān)測(cè)，利用GPS方法從宏觀上分析測(cè)量基準(zhǔn)的可靠性和準(zhǔn)確性，采用靜力矩方法計(jì)算垂直度偏差。應(yīng)用實(shí)踐表明，這種方法有效解決了施工控制網(wǎng)豎向傳遞傾斜偏差改正這一關(guān)鍵性技術(shù)難題，保障測(cè)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和可靠性，垂直度偏差的計(jì)算與表達(dá)是科學(xué)合理的，具有借鑒意義。

非規(guī)則性；測(cè)量機(jī)器人法；GPS法；垂直度計(jì)算；靜力矩法

目前，超高層建筑越來(lái)越多地涌現(xiàn)在世界各地，且建筑物的高度不斷增高。各大城市為了打造各具特色的地標(biāo)性建筑，超高層建筑外觀設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出多元化趨勢(shì)。在國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)了以上海金茂大廈、廣州西塔、廣州東塔為代表的超高地標(biāo)性建筑；在國(guó)外，阿聯(lián)酋港口城市迪拜全力打造的摩天大樓“迪拜塔”，設(shè)計(jì)高度700 m，為目前世界第一高樓。

垂直度測(cè)量成果是施工質(zhì)量驗(yàn)收及偏差處理的重要參考依據(jù)，同時(shí)也是檢定施工測(cè)量放線精度及施工尺寸偏差的重要指標(biāo)。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，超高層建筑全高垂直度允許偏差不得超過(guò)H/1 000且≤30 mm[1]。目前，常規(guī)垂直度測(cè)量方法存在以下不足：①超高層建筑絕對(duì)高度高，受日照、地球自轉(zhuǎn)、風(fēng)力、溫差等多種動(dòng)態(tài)因素的影響，主塔樓處于偏擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(如圖1所示)，直接影響施工控制網(wǎng)投點(diǎn)的準(zhǔn)確性。此外，超高層建筑平面控制網(wǎng)需分段多次向上傳遞(如圖1所示)，類似于布設(shè)“支導(dǎo)線”，缺少自身檢核條件。常規(guī)的垂直度測(cè)量方法未采取有效措施屏蔽或減弱上述因素的影響。 ②超高層建筑非規(guī)則性外觀使得建筑物幾何中心“縱向錯(cuò)位”成為普遍現(xiàn)象，常規(guī)的垂直度測(cè)量方法很難找到一條自上而下的實(shí)物鉛垂線，造成常規(guī)垂直度測(cè)量方法缺乏可操作性。

圖1 塔體偏擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及投點(diǎn)示意圖

針對(duì)常規(guī)超高層建筑垂直測(cè)量方法的局限性，本文圍繞非規(guī)則性超高層建筑垂直度測(cè)量方法展開(kāi)研究，提出一種嚴(yán)密可靠的垂直測(cè)量與計(jì)算方法。

1 非規(guī)則性超高層建筑垂直度測(cè)量方法

超高層建筑的動(dòng)態(tài)特性和非規(guī)則性在一定程度上增加了垂直度測(cè)量的難度，如何采取有效措施解決動(dòng)態(tài)特性難題是保障測(cè)量基準(zhǔn)準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵前提，如何獲取設(shè)計(jì)中心和實(shí)體建筑中心之間的偏差是非規(guī)則性建筑垂直度計(jì)算的核心問(wèn)題。

1.1 測(cè)量基準(zhǔn)準(zhǔn)確性和可靠性監(jiān)測(cè)

針對(duì)超高層建筑動(dòng)態(tài)特性頻率高的特點(diǎn)，可采用CCD法[2]、傾斜儀法、數(shù)字正垂方法[3]對(duì)正在施工中的超高層建筑進(jìn)行周日擺動(dòng)監(jiān)測(cè)，了解其周日擺動(dòng)規(guī)律，為投點(diǎn)糾偏和選擇合適投點(diǎn)時(shí)機(jī)提供數(shù)據(jù)支持。本文采用智能全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取塔體周日變化規(guī)律，利用GPS方法從宏觀上分析測(cè)量基準(zhǔn)的可靠性和準(zhǔn)確性。

智能全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分由一臺(tái)或多臺(tái)測(cè)量機(jī)器人和PC機(jī)組成，主要功能是能夠滿足結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)多周期、多測(cè)回重復(fù)觀測(cè)的需求，并實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。針對(duì)距離遠(yuǎn)、傾角過(guò)大及儀器的垂直軸傾斜誤差對(duì)觀測(cè)精度影響顯著的問(wèn)題，提出了一種全新的周日擺動(dòng)監(jiān)測(cè)方案和數(shù)據(jù)處理方法，該方法利用兩臺(tái)測(cè)量機(jī)器人對(duì)塔體監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)跟蹤測(cè)量，并對(duì)其測(cè)距觀測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而分析得出超高層建筑的周日擺動(dòng)規(guī)律。

GPS方法是將轉(zhuǎn)換層控制點(diǎn)投遞至鋼平臺(tái)，在鋼平臺(tái)標(biāo)志處架設(shè)GPS接收機(jī)，與超高層建筑外圍基準(zhǔn)控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，平差計(jì)算轉(zhuǎn)換層控制點(diǎn)坐標(biāo)，將計(jì)算坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行比較，檢核施工控制網(wǎng)的可靠性。

1.2 靜力矩垂直度計(jì)算方法

在保障測(cè)量基準(zhǔn)穩(wěn)定可靠的前提下，布設(shè)精密導(dǎo)線進(jìn)行核心筒剪力墻碎部測(cè)量?？紤]到施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜因素，碎部測(cè)量所獲取的坐標(biāo)未必能真實(shí)反映建筑物的偏差情況，為了有效屏蔽測(cè)量噪聲及其它因素的影響，利用最小二乘方法獲取相應(yīng)特征點(diǎn)的坐標(biāo)。特征點(diǎn)坐標(biāo)獲取之后，將其與設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行比較，采用靜力矩法計(jì)算該層(如第j層)實(shí)測(cè)中心與設(shè)計(jì)中心的坐標(biāo)偏差Δxj,Δyj和偏心差Sj，算式為

(1)

式中：dxi，dyi為第j層第i個(gè)特征點(diǎn)的檢測(cè)坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)之差，進(jìn)一步可計(jì)算相對(duì)垂直度kj和第j層的總垂直度Kj為

(2)

式中：hj為j層樓高；Hj為j層相對(duì)于地面的總高度。

靜力矩垂直度計(jì)算方法可以獲取設(shè)計(jì)中心和實(shí)體建筑中心之間的偏差，并且可以獲取任意樓層的總垂直度，使得施工質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)價(jià)及偏差處理更加準(zhǔn)確客觀。

2 實(shí)踐應(yīng)用

本文以廣州東塔垂直度測(cè)量為應(yīng)用實(shí)例。廣州東塔(見(jiàn)圖2)與廣州西塔、廣州電視塔形成“三塔鼎力”之勢(shì)，作為“三塔”中最高建筑，塔高為530 m，僅次于632 m的上海中心大廈，國(guó)內(nèi)排名第二，為華南地區(qū)第一高樓。

圖2 廣州東塔設(shè)計(jì)效果圖

2.1 智能全站儀監(jiān)測(cè)結(jié)果

為了有效解決廣州東塔的動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題，采用智能全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)主塔樓(45層以上的轉(zhuǎn)換層)進(jìn)行周日擺動(dòng)監(jiān)測(cè)，如圖3所示。

圖3 周日擺動(dòng)監(jiān)測(cè)平面圖

以轉(zhuǎn)換層(89層)監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，在89層外圍鋼柱上固定觀測(cè)棱鏡作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)(JC01、JC02)，分別在觀測(cè)點(diǎn)GC01、觀測(cè)點(diǎn)GC02架設(shè)測(cè)量機(jī)器人。其中，觀測(cè)點(diǎn)GC01至監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01距離約為293 m，觀測(cè)點(diǎn)GC02至監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC02距離約為454 m，觀測(cè)點(diǎn)、后視點(diǎn)處均為強(qiáng)制歸心觀測(cè)墩，且已知平面坐標(biāo)。觀測(cè)過(guò)程中，先后視已知點(diǎn)定向，然后分別照準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01、JC02，進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)跟蹤測(cè)量，采樣率為15 s，總時(shí)長(zhǎng)為24 h。

通過(guò)測(cè)量機(jī)器人對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定連續(xù)自動(dòng)跟蹤測(cè)量，得到觀測(cè)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的斜距觀測(cè)值，經(jīng)過(guò)儀器改正、氣象改正、球氣差改正等，得到連續(xù)的平距變化值，通過(guò)微分計(jì)算，求得X軸、Y軸方向的變化值，再進(jìn)行噪聲剔除、曲線擬合，分析得出周日變化曲線。具體方法如下：

已知監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01(x1,y1)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC02(x2,y2)、觀測(cè)點(diǎn)GC01(x3,y3)、觀測(cè)點(diǎn)GC02(x4,y4)平面坐標(biāo)，s1為監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01與觀測(cè)點(diǎn)GC01的平距，s2為監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC02與觀測(cè)點(diǎn)GC02的平距。

求得

(3)

(4)

分別對(duì)式(3)、式(4)進(jìn)行微分，求得

s1ds1=(x1-x3)dx1+(y1-y3)dy1，

(5)

s2ds2=(x2-x4)dx2+(y2-y4)dy2.

(6)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于建筑物近似同一平面，根據(jù)初步觀測(cè)結(jié)果分析, 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01、JC02位移變化基本一致，即dx1≈dx2，dy1≈dy2，令dx=dx1=dx2，dy=dy1=dy2。

求得

(7)

(8)

式(7)、式(8)中ds1為監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01與觀測(cè)點(diǎn)GC01的平距的變化值，ds2為監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC02與觀測(cè)點(diǎn)GC02的平距變化值，(x1-x3)、(x2-x4)、(y1-y3)、(y2-y4)取固定值，dx,dy分別為東塔X軸、Y軸方向的變化值。

以連續(xù)20個(gè)觀測(cè)值為一組，取算術(shù)平均值為真值，采用二倍中誤差進(jìn)行噪聲剔除得到預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行曲線擬合。X方向位移變化如圖4所示，Y方向位移變化如圖5所示。

圖4 擬合后X方向位移變化

圖5 擬合后Y方向位移變化

由圖4、圖5分析，塔體(89層)在X方向相對(duì)中心位置最大偏移量約為4.47 mm，在Y方向相對(duì)中心位置最大偏移量約為3.38 mm，綜合考慮人眼識(shí)別能力、投點(diǎn)標(biāo)定誤差及測(cè)量系統(tǒng)誤差等因素，在轉(zhuǎn)換區(qū)間(68層～89層)控制網(wǎng)豎向傳遞時(shí)不需要對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行投點(diǎn)改正。

2.2 GPS方法監(jiān)測(cè)結(jié)果

將轉(zhuǎn)換層(89層)控制點(diǎn)(ZL1、ZL2、ZL3、ZL4)投遞至鋼平臺(tái)，在鋼平臺(tái)標(biāo)志處架設(shè)GPS接收機(jī)，與超高層建筑外圍基準(zhǔn)控制點(diǎn)(JC01、JC02、JC03)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，見(jiàn)圖6，平差計(jì)算控制網(wǎng)點(diǎn)(ZL1、ZL2、ZL3、ZL4)的坐標(biāo)。

圖6 GPS方法聯(lián)測(cè)網(wǎng)圖

將計(jì)算值與施工坐標(biāo)進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示，點(diǎn)位較差均小于30 mm。

表1 點(diǎn)位較差結(jié)果 m

綜合考慮風(fēng)力、施工塔吊、測(cè)量誤差等因素，點(diǎn)位較差情況正常。

2.3 垂直度計(jì)算及表達(dá)

由智能全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和GPS觀測(cè)結(jié)果分析，轉(zhuǎn)換層89層的控制基準(zhǔn)是準(zhǔn)確可靠的，可以作為下一轉(zhuǎn)換區(qū)間(89層—106層)垂直度測(cè)量的投測(cè)基準(zhǔn)使用。

利用垂準(zhǔn)儀方法引測(cè)測(cè)量基準(zhǔn)，布設(shè)精密導(dǎo)線進(jìn)行核心筒剪力墻碎部測(cè)量，利用最小二乘法針對(duì)碎部點(diǎn)進(jìn)行擬合(如圖7所示)，圖中藍(lán)色線是設(shè)計(jì)線，紅色線是擬合直線。核心筒4條邊分別擬合(紅色線)，延長(zhǎng)相交可以求出4個(gè)角點(diǎn)(H001-01、H001-02、H001-03、H001-04)的坐標(biāo)。

圖7 垂直度求取示意圖

把4個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)與設(shè)計(jì)線(藍(lán)色線)延長(zhǎng)線的4個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)相比較，獲取角點(diǎn)偏差。以98層為例，角點(diǎn)偏差如表2所示。

表2 98層角點(diǎn)偏差 m

根據(jù)靜力矩法計(jì)算，98層實(shí)測(cè)中心與設(shè)計(jì)中心的坐標(biāo)偏差Δxj,Δyj、偏心差Sj和總垂直度Kj分別為11 mm、-7 mm、13 mm、0.002 9%，按照類似方法可以獲取其它樓層垂直度。廣州東塔垂直度測(cè)量按照2層1次的間隔進(jìn)行，垂直度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

由表3分析，垂直度結(jié)果滿足《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》超高層建筑全高垂直度允許偏差不得超過(guò)H/1 000且≤30 mm的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

超高層建筑的動(dòng)態(tài)特性和非規(guī)則性在一定程度上增加了垂直度測(cè)量的難度，本文以廣州東塔垂直度測(cè)量為應(yīng)用實(shí)例，提出一種嚴(yán)密可靠的垂直測(cè)量與計(jì)算方法。實(shí)踐應(yīng)用表明：采用智能全站儀監(jiān)測(cè)法和GPS法相結(jié)合的方式解決施工控制網(wǎng)豎向傳遞傾斜偏差改正難題，利用靜力矩法計(jì)算超高層建筑垂直度是科學(xué)合理的，具有借鑒意義。

表3 垂直度統(tǒng)計(jì)表 mm

[1] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范:GB 50204-2015[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015．

[2] 蘭澤英,劉洋．超高層建筑施工監(jiān)測(cè)內(nèi)容及技術(shù)體系研究[J].測(cè)繪工程,2016,25(7):40-45.

[3] 趙小陽(yáng).聯(lián)合多種方法檢定超高層建筑物平面控制網(wǎng)轉(zhuǎn)換精度[J]．工程勘察，2012(3)：79-81．

[4] 蔣利龍．測(cè)量機(jī)器人用于超高層建筑豎向投測(cè)的可行性[J].測(cè)繪科學(xué)，2010，35(1):24-25．

[5] 衛(wèi)建東. 基于測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].測(cè)繪通報(bào), 2006(12):41-44.

[6] 范峰，王化杰．超高層施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011,32(11)：60-64.

[7] 殷文彥，黃聲享，刁建鵬．超高層傾斜建筑周日變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析[J]．測(cè)繪信息與工程，2008，19(2): 19-21．

[8] 趙小陽(yáng)，劉業(yè)光．超高層建筑平面控制網(wǎng)豎向傳遞實(shí)踐與研究[J]．測(cè)繪信息與工程，2010(4): 28-29．

[9] 喻永平，黃偉明．利通廣場(chǎng)超高層建筑日周期擺動(dòng)監(jiān)測(cè)方法研究[J]．測(cè)繪通報(bào)，2012(增1): 134-135．

[10] 劉洋．超高層建筑第三方測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．測(cè)繪工程，2015，24(6):62-66．

[11] 王茜，彭中，劉莉．一種基于自適應(yīng)閾值的圖像分割算法[J]．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003(4): 521-52．

[12] 常治學(xué)， 王培昌，張秀峰．一種基于局域亮度極大的環(huán)柵激光圖像邊緣檢測(cè)[J]．光電子激光，2008(4): 546-548．

[13] 孔兵，王昭，譚玉山． 基于圓擬合的激光光斑中心檢測(cè)算法[J]．紅外與激光工程，2002(3): 275-279．

[14] 徐亞明，束進(jìn)芳，安動(dòng)動(dòng). 自適應(yīng)閾值激光光斑中心定位方法研究[J]. 城市勘測(cè)，2014(4)：5-7.

[15] 陳展鵬. 垂準(zhǔn)儀法超高層建筑平面控制網(wǎng)豎向傳遞[J]．城市勘測(cè)，2014(3)：118-120.

Research of irregular super high-rise building verticality measurement method

WANG Tianying1,XU Yaming2,YANG Wei1

(1.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute, Guangzhou 510060,China; 2.Wuhan University, Wuhan 430079, China)

The result of super high-rise building verticality measurement is an important reference for the quality inspection and deviation processing.The dynamic characteristics and irregularity of super high-rise building increase the difficulty of verticality measurement to a certain extent. This paper proposes an irregular super high-rise building verticality measuring method: measuring robot method is used for daily deformation monitoring for super high-rise building. The GPS method is used for internal and external compliance check of control network. The static moment method is used for the calculation of verticality deviation. The practical application result shows that the method is effective for the critical technical problem of tilt deviation correction of vertical transmission of construction control network.The accuracy and reliability of the measurement datum are guaranteed.The calculation and expression of verticality deviation are scientific.

irregularity; measuring robot method; GPS method; verticality calculation; static moment method

2017-06-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41474005)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015CFB501)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(11G0041)

王天應(yīng)(1982-)，男，高級(jí)工程師.

著錄：王天應(yīng)，徐亞明，楊崴.非規(guī)則性超高層建筑垂直度測(cè)量方法研究[J].測(cè)繪工程，2018，27(2)：71-74.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.02.014

TU198

A

1006-7949(2018)02-0071-04

張德福]