超高层建筑施工测量

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【摘 要】开宗明义,超高层的特点就是高度特高,因此,导引其向上施工的测量难度极大.在分析了影响超高层建筑施工测量的若干因素后,介绍几种用于超高层建筑施工的高精度测量新技术.

【关 键 词】超高层建筑；施工测量；平面控制；高程控制GPS测量

1.超高层建筑施工测量的任务

在超高层建筑施工中,施工测量面临的任务主要有：一是建立施工测量平面和高程控制网,为施工放样提供依据；二是随超高层建筑施工高度增加,逐步将施工测量的平面控制网和高程控制网引测至作业面；三是根据施工测量控制网,进行超高层建筑主要轴线定位,并按几何关系测设超高层建筑的次要轴线和各细部位置；四是展开竣工测量,为超高层建筑工程竣工验收和维修扩建提供资料；五是变形观测,在超高层建筑施工和运营期间,定期进行变形观测,以了解其变形规律,确保工程施工和运营安全.

2.超高层建筑施工测量特点

2.1超高层建筑施工测量技术难度大

由于超高层建筑结构超高,平面控制网和高程垂直传递距离长,测站转换多,测量累计误差较大,加之超高层建筑高度大,侧向刚度小,特别是体形奇特时,施工过程中受环境影响极为显著,又由于空间位置不断变化,高空测量控制网的稳定性也较差.特别是超高层建筑施工高度高空作业多,作业条件差,测量通视困难,高空架设仪器和接收装置也比较困难,常需设计特殊装置以满足观测条件.这些都极大地增加了超高层建筑施工测量的技术难度.

2.2超高层建筑施工测量精度要求高

超高层建筑结构超高,结构受力施工测量精度影响比较大,过大的施工测量误差不但会影响建筑功能正常发挥,如长距离告诉电梯的正常运行,而且会恶化超高层建筑结构受力,因此必须严格控制施工测量误差.另外,为加快施工速度,超高层建筑大多采用阶梯状流水施工流程,大量采用工厂预制、现场装配的施工工艺,如钢结构工程、幕墙工程,工业化生产也对施工测量精提出了较高的要求.

2.3超高层建筑施工测量影响因素多

超高层建筑施工测量精度除受测量仪器精度和测量技术人员素质影响外,还受建筑设计、施工工艺和施工环境影响.超高层建筑造型、基础和侧向刚度等设计对施工测量精度影响更显著.建筑高度越大、造型越复杂,施工过程中超高层建筑变形越显著.基础刚度越小,施工过程中超高层建筑沉降越大,差异沉降也越显著.

3.测量仪器

3.1经纬仪

经纬仪是测量水平角和竖直角的仪器,由望远镜、水平度盘、竖直度盘、水准器、读书设备、基座部件组成.经纬仪按读数设备分为游标经纬仪、光学经纬仪和电子经纬仪.电子经纬仪虽然在外观上和光学经纬仪相类似,但是由于采用微机控制和电子测角系统,性能更为优越：能自动显示测量成果,实现读数的自动化和数字化；加之采用积木式结构,通过数据传输接口,可把野外采集的数据直接输入计算机进行计算和绘图.因此电子经纬仪在超高层建筑施工测量中得到了广泛应用.

3.2水准仪

水准仪是建立水平视线,测定地面两点间高差的仪器,由望远镜、管水准器（或补偿器）、垂直轴、基座和脚螺旋等部件组成.水准仪按结构分为微倾水准仪,自动安平水准仪和数字水准仪,其中自动安平水准仪和数字激光水准仪应用较为广泛.自动安平水准仪借助自动安平补偿器获得水平视线,当望远镜视线有微量倾斜时,补偿器在重力作用下对望远镜做相对移动,从而迅速获得视线水平时的标尺读数,工效高、精度稳定.数字激光水准仪以标尺的条纹码作为参照信号存在仪器内,测量时,线译码器捕获仪器视场内的编码标尺影响作为测量信号,然后与仪器的参考信号进行比较,就可获得视线高度和水平距离.数字激光水准仪在观测时可自动读数,避免人为误差.观测数据可存贮在仪器内,也可导出到计算机内,进行数据处理.瑞士徕卡NA2和日本索佳B21精密水准仪的精度可以达到0.3mm/km.

3.3测距仪

精密测距一直是测量技术的薄弱环节.传统的距离测量方法有量尺量距法、视距法、视差法等,其中量尺量距法属直接测距法,测距精度虽可,但作业量大,工作效率低.视距法和视差法属间接测距法,测距精度也比较低.20世纪40年展的电磁波测距技术随着科技进步日臻成熟,已经成为李湘的测量距离方法.电磁波测距是利用电磁波为载波,经调制后由测线一端发射出去,由另一端反射或转送回来,测定发射波与回波相隔的时间,以测量距离的方法.测距仪工效和精度都很高,徕卡智能超强型激光测距仪LeicaDis-toA8在0.05至200m的测量范围内,测量精度可达±1.5mm.利用干涉原理制作的测距仪精度甚至可达到丝级.

3.4全站仪

全站仪是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器,是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统,因一次安置仪器就可完成该测站上全部测量工作而得名.全站仪由电源部分、测角系统、测距系统、数据处理部分、通讯接口、显示屏及键盘等组成.目前全站仪正在向全能型和智能化方向发展,采用激光、通讯及CCD技术,实现测量的全自动化,成为测量机器人.测量机器人可自动寻找并精确照准目标,在1s内完成一目标点的观测,就像机器人一样对成百上千个目标作持续和重复观测,已广泛用于变形监测和施工测量,测量机器人与GPS接收机相结合,可成为超全站仪或超测量机器人,将GPS的实时动态定位技术与全站仪灵活的三维极坐标测量技术完美结合,实现无控制网的各种工程测量.瑞士徕卡生产的自动导向全站仪TCA2003在120m范围内测距精度为±0.5mm±1ppm,具有自动导向、自动数据处理和输出等功能,能保证施工测量精度和效率,其对点方式为激光对点.

3.5垂准仪

垂直度控制是超高层建筑施工测量的重要任务,为此工程技术人员开发了多种专用测量仪器,如配有90°弯管目镜的经纬仪、垂准经纬仪、激光铅直仪、自动天顶准直仪、自动天底准直仪和自动天顶―天底准直仪,其中激光铅直仪在超高层建筑铅直定位测量中应用最为广泛.瑞士徕卡生产的WILDZL垂准仪精度高达1/2000004、施工控制测量

4.1平面控制测量

平面控制一般布设三层控制网,由高到低逐级控制.统计控制网可以根据工程规模进一步划分,布设多个平级网.平级网之间必须相互贯通,以便联测校正,确保统一性.

4.1.1首级平面控制网

首级平面控制网是其他各级控制网建立和复核的唯一依据,并可作为钢结构吊装等高空测量定位的空中导线网.首级平面控制网一般以建设单位提供的平面控制点为基础建立,布设在视野开阔、远离施工现场稳定可靠处.布设首级测量控制网,选择较稳定的地面或楼龄在5年以上并且楼高在50m以下的屋顶布设观测墩或观测站（控制点）.控制点应能视线通视,采用GPS定位时高度角15°以上范围应无障碍物.为确保在超高层建筑施工全过程中稳定运行,首级平面控制网应满足有多余观测条件.首级平面控制网可以是导线网、三角网、边角混合网等.

4.1.2二级平面控制网

二级平面控制网是场地平面控制网,发挥承上启下的作用,即依据首级平面控制网的测设,并作为平面控制网建立和校核的基准,同时也可为重要部位的施工放样提供基准.但由于二级平面控制网紧邻施工现场,受施工影响比较大,稳定性较差,因此必须定期复测校核.二期平面控制网多为环绕施工现场的闭合导线网,也可为十字形轴线网.金茂大厦塔楼施工测量二级平面控制网即为轴线网.

4.1.3平面控制网

平面控制网是建筑物平面控制网,为超高层建筑细部放样而布设的平面控制网,一般布置在基础底板上.当结构施工至地面以上时,应及时将平面控制网转换到±0.000结构层,以便与二级平面控制网联测校核,进行施工测量控制.平面控制网位于超高层建筑内部,受施工和建筑沉降影响大,因此必须定期复测校核.

4.2高程控制测量

较之平面控制测量,高程控制测量相对比较简单.高程控制网一般分二级布置,由高到低逐级控制.首级高程控制网一般以建设单位提供的高程控制点为基础建立,一般布设在视野开阔、远离施工现场的稳定可靠处.创建过程中需考虑除了下发或提交的城市高程控制点外,还要增加冗余高程控制点,以增强高程控制系统的安全性.为保证高程系统的稳定性,点位应设置在不受施工环境影响,且不易遭破坏的地方.考虑季节变化、环境影响以及其他不可知因素,定期对高程控制点进行复测.二级高程控制网布设在建筑物内部,以首级高程控制网为依据创建.随着时间的推移与建筑物的不断升高,自重荷载的不断增加,建筑物会产生沉降.因此,要定期检测高程点的高程修正值,及时进行修正.高程控制网应结合平面控制网进行布设,控制点尽可能共享,以减少维护工作量.

5.竖向测量

竖向测量是超高层建筑施工测量最重要的任务,也是超高层建筑施工测量技术研究的主要内容.目前,超高层建筑施工竖向测量方法主要有外控法,内控法和综合法三种.

5.1外控法

外控法是在建筑物外部,利用经纬仪,根据建筑物轴线控制桩来进行轴线的竖向投侧,亦称作“经纬仪引桩投侧法”.外控法操作简单,测量仪器要求低,普通经纬仪即可满足要求,因此早期的超高层建筑竖向测量多采用该方法.但是该方法场地要求高,建筑周边必须开阔,通视条件好.随着超高层建筑高度和城市建筑密度不断增加,外控法作业条件越来越差,因此该方法应用范围逐步缩小,仅限于超高层建筑地下结构和底部结构施工测量使用.

5.2内控法

内控法是在超高层建筑基础底板上布设平面控制网,并在其上楼层相应位置上预留200mm×200mm的传递孔,利用垂准线原理进行平面控制网的竖向投测,将平面控制网垂直投测到任一楼层,以满足施工放样需要,即在建筑物内部进行竖向测量.

内控法有吊线坠法、垂准仪法.吊线坠法受环境影响大,一般仅适用高度在100m以下的高层建筑,在超高层建筑施工测量中应用不多.而垂准仪法受环境影响小,投侧距离大,工效高,误差小,因此目前成为超高层建筑竖向测量的主要方法.按照控制点投测方向,垂准仪法又可分为天顶准直法、天底准直法.天顶准直法是利用垂准仪将控制点向天顶方向进行竖向投测,因此也称仰视法.常用的天顶准直法测量仪器有：配有90°弯管目镜的经纬仪、激光经纬仪、激光铅直仪、自动天顶准直仪和自动天顶-天底准直仪.天底准直法是利用垂准仪将控制点向天底方向进行竖向投测,因此也称俯视法.常用的天底准直法测量仪器有：垂准经纬仪、自动天底准直仪和自动天顶-天底准直仪.

5.3综合法

内控法虽然弥补了外控法易受环境制约的缺陷,但是随着超高层建筑高度的不断增加,内控法自身的缺陷也开始凸现,这就是平面控制网垂直砖递过程中整体位移难以检查和控制,因此在金茂大厦施工中又发展了内控法与外控法相结合的综合法进行超高层建筑竖向测量.竖向测量采用内控法进行平面控制网的竖向传递.为了控制传递误差,以首级平面控制网（空中导线网）为依据,采用外控法校核传递至高空作业面的平面控制网,取得了良好效果.

目前综合法在复杂超高层建（构）筑物施工测量中得到广泛应用,如正在建设的广州新电视塔即采用综合法进行竖向测量.广州新电视塔的曲面扭转钢结构外框简的所有构件都呈三维倾斜,安装精度高,空间定位测量难度大.为此施工前在周围选择通视条件好、稳固的高层建筑物设立外控点,构建空中导线网（首级平面控制网）.空中导线网由五个空间点和一个地面点组成.空中导线网即作为平面控制网垂直传递校核的依据,又为钢结构外框简构件测量定位的参照.

（作者单位：遵化市黎河建筑安装工程有限公司）