【摘要】本文結(jié)合上海浦東國際金融大廈工程闡述了高層建筑物鋼結(jié)構(gòu)施工安
裝過程中的測量工作，對(duì)引點(diǎn)產(chǎn)生的誤差采用偽逆自由網(wǎng)平差方法進(jìn)行處理，提高了控
制點(diǎn)的精度，開發(fā)了一套由便攜機(jī)和全站儀組成的實(shí)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)放樣測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具
有快速、靈活、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且達(dá)到了對(duì)資料的計(jì)算機(jī)化管理
。
一、工程背景
隨著建筑市場的發(fā)展以及建筑水平的提高，高層和超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑逐步增多。在
鋼結(jié)構(gòu)工程安裝過程中，測量是一項(xiàng)專業(yè)性較強(qiáng)又非常重要的工作，測量精度的高低直
接影響到工程質(zhì)量的好壞，是衡量鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。
上海浦東國際金融大廈是一座高達(dá)226m的超高層鋼結(jié)構(gòu)工程，地處東方明珠附近，
是目前上海僅次于經(jīng)貿(mào)大廈的超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，該工程地下3層，地上53層，中央核心
筒為勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外圍是由19節(jié)鋼柱組成的鋼結(jié)構(gòu)。工程采用“天圓地方”的
設(shè)計(jì)方案，造型新穎、美觀，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大，安裝精度要求高。
高層建筑鋼結(jié)構(gòu)測量時(shí)首先根據(jù)底層的控制點(diǎn)向施工層面投點(diǎn)，然后根據(jù)投點(diǎn)進(jìn)行
各鋼柱的放樣。放樣的精度一方面取決于投點(diǎn)的精度，另一方面取決于施工放樣的方法
。為提高鋼結(jié)構(gòu)測量的精度，對(duì)從底層引上來的點(diǎn)進(jìn)行邊角測量，再進(jìn)行平差處理，提
高控制點(diǎn)的精度；施工放樣時(shí)若使用常規(guī)儀器如經(jīng)緯儀、鋼尺按常規(guī)放樣方法，由于受
施工現(xiàn)場條件的限制，外業(yè)放樣人員須進(jìn)行大量繁瑣的計(jì)算工作，實(shí)際測量要求的作業(yè)
人員很多，因此不僅精度低、速度慢，而且極容易出錯(cuò)。鑒于此種情況，開發(fā)一套適用
于高層鋼結(jié)構(gòu)建筑安裝的實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)是非常必要的，利用便攜式計(jì)算機(jī)直接讀取全站
儀的測量數(shù)據(jù)，通過軟件自動(dòng)進(jìn)行處理，簡化外業(yè)測量工作，并能提高精度。
二、引點(diǎn)
通過預(yù)埋孔，從底樓基準(zhǔn)控制點(diǎn)運(yùn)用萊卡ZL天頂儀配合DL2激光儀依次投測至所需施
工樓層，并用激光接收板接收。慢慢旋轉(zhuǎn)鉛直儀(0?、90?、180?、270?、360?，
便在接收板上得到一個(gè)激光圓，圓心即為該控制點(diǎn)的接收點(diǎn)。對(duì)接收點(diǎn)組成的控制網(wǎng)進(jìn)
行角度、距離測量，由于投點(diǎn)存在誤差，因此測量的角度和邊長與已知坐標(biāo)存在一定的
差異，需進(jìn)行平差處理，以提高控制點(diǎn)的精度。由于每個(gè)點(diǎn)都可能存在投點(diǎn)誤差，因此
本工程采用偽逆自由網(wǎng)平差，下面闡述具體的模型及計(jì)算過程。
首先按邊長和方向列誤差方程式：
附加條件式為：，其中
式中，n為觀測值個(gè)數(shù)，m為未知數(shù)個(gè)數(shù)。
坐標(biāo)近似值采取底層控制點(diǎn)的已知坐標(biāo)，在偽逆平差時(shí)保持了這些點(diǎn)的重心坐標(biāo)以
及各點(diǎn)到重心坐標(biāo)的向徑加權(quán)方位角以該向徑距離平方為權(quán)的帶權(quán)平均數(shù)保持不變。實(shí)
際平差時(shí)獲得的各點(diǎn)的精度均小于?mm，從而保障了施工測量放樣的精度，以此作為
本樓層細(xì)部平面放線的依據(jù)。由于引上來的點(diǎn)為空心，無法測定其高程，高程標(biāo)志一般
放置于核心筒的墻面上，用鋼尺傳遞高程時(shí)，在進(jìn)行放樣時(shí)，安置儀器于控制點(diǎn)上，儀
器橫軸的高程可以由全站儀視線水平讀取標(biāo)尺的讀數(shù)獲得，這樣就可以進(jìn)行三維坐標(biāo)的
放樣。若引點(diǎn)不夠多，或樓層形狀改變時(shí)可由已有的控制點(diǎn)加密出一些新的控制點(diǎn)，然
后再進(jìn)行引點(diǎn)。
三、鋼結(jié)構(gòu)安裝實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)
針對(duì)常規(guī)測量存在的問題，采用VB和ACCESS數(shù)據(jù)庫相結(jié)合開發(fā)了Windows95下的實(shí)時(shí)
鋼結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)，系統(tǒng)采用便攜式計(jì)算機(jī)與全站儀相連，通過放樣程序操縱全站儀進(jìn)行
測量，自動(dòng)取得測量數(shù)據(jù)，計(jì)算顯示出點(diǎn)位和糾偏信息，當(dāng)偏差滿足要求時(shí)就可以將測
量的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理、繪圖、打印報(bào)表等。下面分別對(duì)實(shí)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)中
的幾個(gè)問題進(jìn)行闡述。
1.臨時(shí)控制點(diǎn)的測定方法與精度
樓層施工時(shí)，縱橫鋼梁較多，視線經(jīng)常被擋，因此僅在幾個(gè)引測的控制點(diǎn)上難以滿
足施工測量的需要。根據(jù)現(xiàn)場情況選定合適的位置，既能看到已知點(diǎn)又適合于施工放樣
。首先需測定臨時(shí)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，然后通過這些點(diǎn)來放樣鋼柱。臨時(shí)控制點(diǎn)坐標(biāo)可以由
以下幾種方法測定：一是極坐標(biāo)法，需在已知點(diǎn)上設(shè)站測量邊長和角度，該種方法其誤
差一般不受控制點(diǎn)網(wǎng)形的影響，誤差主要來自角度和邊長的測量誤差，一般其點(diǎn)位的誤
差可達(dá)到2～3mm。二是采用前方交會(huì)方法，需在兩個(gè)已知點(diǎn)上放置儀器，且待定點(diǎn)的點(diǎn)
位誤差受網(wǎng)形的影響較大。三是儀器直接放在待定點(diǎn)上進(jìn)行距離交會(huì)，其點(diǎn)位誤差同樣
受網(wǎng)形的影響很大，當(dāng)待定點(diǎn)位于以兩個(gè)已知控制點(diǎn)為直徑的圓周上時(shí)，其誤差較均勻
而當(dāng)網(wǎng)形不好時(shí)其誤差較大，表1計(jì)算了待定點(diǎn)位于不同位置其誤差的計(jì)算結(jié)果，其中已
知控制點(diǎn)坐標(biāo)A(0，100)，B(100，0)，P為未知點(diǎn)，邊長觀測精度為?1mm10-6D)當(dāng)P
點(diǎn)坐標(biāo)為(47，52)時(shí)其誤差橢圓長半徑達(dá)到7cm。四是在距離交會(huì)時(shí)加測一個(gè)角度，即
測站放在未知點(diǎn)上，在測距離的同時(shí)觀測該點(diǎn)到兩個(gè)已知點(diǎn)的夾角，這樣其誤差可得到
有效的控制，對(duì)同樣的距離交會(huì)數(shù)據(jù)加測一個(gè)角度，角度觀測中誤差為?秒，設(shè)計(jì)計(jì)
算的結(jié)果同樣列于表1，該結(jié)果表明加測一個(gè)角度的距離交會(huì)方法精度較好。與其他方法
相比該方法不僅保證了精度，而且測站直接放置于待定點(diǎn)上，在測定本身坐標(biāo)的同時(shí)便
可進(jìn)行施工放樣，因此實(shí)用方便，在上海浦東國際金融大廈工程中主要是使用了該方法
，在軟件中也設(shè)置了便攜機(jī)與全站儀直接連接的測量與坐標(biāo)計(jì)算功能。
距離交會(huì)及加測一個(gè)角度的距離交會(huì)的精度計(jì)算/mm
P坐標(biāo)/m觀測兩條邊兩邊加角度
(x,y)mxmyMabmxmyMab
(80,80)1.141.141.611.341.030.950.951.341.060.83
(52，52)12.612.617.817.70.710.990.991.401.210.87
(47，52)50.050.070.770.70.710.990.991.481.210.71
(45，53)25.024.935.235.20.710.990.991.481.280.71
(55，53)6.316.298.918.090.710.990.991.481.210.71
0)1.161.001.531.270.860.930.931.311.000.85
注：a為誤差橢圓長半徑；b為誤差橢圓短半徑；M為點(diǎn)位誤差；mx為X方向誤差；my
為Y方向誤差
2.鋼柱中心坐標(biāo)的計(jì)算
上海浦東國際金融大廈的鋼結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是空心的圓柱鋼管，一種是H型鋼
柱。無論是空心圓柱鋼管還是H型鋼柱一般都無法直接觀測柱頂與柱底中心，因此只能通
過觀測其他位置來計(jì)算中心點(diǎn)的坐標(biāo)，下面分別闡述空心圓柱鋼管和H型鋼柱中心坐標(biāo)的
測定和計(jì)算方法。
對(duì)于圓柱鋼管觀測左右兩側(cè)邊緣的水平角并在同一截面上貼上一個(gè)反光貼片，如圖
1所示，k為測站點(diǎn)，p為方向控制點(diǎn)，鋼管中心為o,b為反光貼片，在測站上觀測鋼管左
、右邊緣m、n的角度為α1和α2，則由已知方位αkp及α1、α2可計(jì)算測站至鋼管中心
的方位αko。
圓鋼管中心坐標(biāo)計(jì)算
αko=αkp(α1α2)/2
同樣根據(jù)反光貼片觀測的水平角αb及已知方位αkp可算出αkb，因此
∠bko=αko-αkb
Skb=Skb′cosβ
其中Skb′為k,b兩點(diǎn)間斜距，β為豎直角。
∠kob=arcsin(Skbsin∠bko/r)
r為鋼管半徑。
∠obk=π-∠bko-∠kob
Sko=Skbsin∠obk/sin∠kob
則得到圓柱中心坐標(biāo)為
xo=Skocosαkoxk
yo=Skosinαkoyk
zo=SkosinβzH
ZH為儀器橫軸高程。
H型鋼柱放樣如圖2所示，b、c為反光貼片，與H型鋼柱軸線相對(duì)稱放置，其距離Sbc
可在貼貼片時(shí)測得，d點(diǎn)在與b、c相垂直方向延伸H型鋼柱寬度的一半Sdo即為鋼柱的中心
位置，Sdo可根據(jù)H型鋼柱的尺寸來定，是可以得到的已知數(shù)據(jù)。
H型鋼柱中心坐標(biāo)計(jì)算
αb=αkpα1
xb=Skb′cosβbcosαbxk
yb=Skb′cosβbsinαbyk
zb=Skb′sinβbzH
其中Skb′為k,b兩點(diǎn)間斜距。
類似地可以得到xc,yc,zc
則得到H型鋼柱中心點(diǎn)坐標(biāo)
以上得到了圓鋼柱和H型鋼柱在反光貼片處的中心點(diǎn)坐標(biāo)和高程，要得到柱面與柱底
高程，只需在上述點(diǎn)的Z坐標(biāo)上加或減相差距離即可。
3.系統(tǒng)的工作流程
系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。使用該系統(tǒng)首先應(yīng)在室內(nèi)建立控制點(diǎn)和放樣點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，
主要是輸入各點(diǎn)的坐標(biāo)，在外業(yè)測量時(shí)可以直接調(diào)用，外業(yè)測量時(shí)首先安置儀器并啟動(dòng)
全站儀，后視已知點(diǎn)定向，用通信線連接好便攜機(jī)和全站儀，打開便攜機(jī)進(jìn)入鋼結(jié)構(gòu)實(shí)
時(shí)放樣軟件系統(tǒng)，便可進(jìn)行圓柱和方柱的放樣測量工作。
系統(tǒng)工作流程
在放樣時(shí)計(jì)算機(jī)屏幕上有四種數(shù)據(jù)，第一種是控制點(diǎn)的資料，包括點(diǎn)名、坐標(biāo)等信
息，可直接從數(shù)據(jù)庫中得到，即選擇控制點(diǎn)及方向點(diǎn)點(diǎn)名即可調(diào)出其坐標(biāo)，第二種數(shù)據(jù)
需人工輸入，如儀器高、貼片距圓柱頂面距離S、圓柱半徑R、H型鋼柱的寬度do以及兩貼
片距離bc，第三部分是全站儀測量數(shù)據(jù)，如全站儀瞄準(zhǔn)圓柱的左邊、右邊、貼片的相對(duì)
方向控制點(diǎn)的水平角及貼片觀測的豎直角等，第四部分是放樣點(diǎn)的坐標(biāo)和觀測結(jié)果等，
其中放樣點(diǎn)的坐標(biāo)可通過選擇放樣點(diǎn)的點(diǎn)名，由數(shù)據(jù)庫直接調(diào)出，實(shí)測坐標(biāo)由程序自動(dòng)
計(jì)算得到，并給出偏差數(shù)據(jù)，進(jìn)而指揮施工安裝，當(dāng)偏差符合要求，便可將數(shù)據(jù)存至數(shù)
據(jù)庫，該點(diǎn)的放樣即告完成。在放樣一個(gè)鋼柱時(shí)通常要測定頂點(diǎn)和底部的坐標(biāo)，測量時(shí)
，一般在距鋼柱的底部和頂部各一定距離設(shè)置反光貼片，根據(jù)反算的兩點(diǎn)坐標(biāo)可計(jì)算鋼
柱的垂直傾斜度。
4.實(shí)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)放樣測量軟件的特點(diǎn)
與常規(guī)測量模式相比，利用實(shí)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)放樣軟件進(jìn)行施工測量具有以下特點(diǎn)：
(1)實(shí)現(xiàn)了全站儀與計(jì)算機(jī)的雙向通訊。一般的測量放樣計(jì)算是由人工將觀測結(jié)果輸
入到計(jì)算機(jī)或計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算，本系統(tǒng)利用了計(jì)算機(jī)與全站儀直接連接的雙向通訊，由
便攜機(jī)發(fā)指令給全站儀進(jìn)行測量，全站儀的測量數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存中。系統(tǒng)中
全站儀測量主要利用了兩種模式：一種是測量斜距、垂直角、水平角，該種模式需要用
反光貼片，而在測量圓鋼管柱的左右邊緣的方向時(shí)沒有反光貼片，因此只能用水平角測
量模式。圓鋼管柱放樣用到兩種模式，H型鋼柱只要第一種模式即可。測量人員只需要按
計(jì)算機(jī)屏幕的提示，將全站儀瞄準(zhǔn)相應(yīng)目標(biāo)，點(diǎn)取相應(yīng)的按鈕即可。避免了數(shù)據(jù)抄記、
輸入過程中的錯(cuò)誤，簡化了外業(yè)步驟。
(2)實(shí)時(shí)計(jì)算出點(diǎn)位坐標(biāo)和偏差信息。在計(jì)算出測點(diǎn)坐標(biāo)的同時(shí)，結(jié)合放樣點(diǎn)理論坐
標(biāo)進(jìn)行反算，馬上得出建議距離、糾正量，便于指揮放樣工作。
(3)建立了控制點(diǎn)、放樣點(diǎn)以及實(shí)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，能方便地進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)以及實(shí)測
資料的查詢、管理，能進(jìn)行圖表的自動(dòng)生成。
(4)適用于復(fù)雜形狀、復(fù)雜環(huán)境的鋼結(jié)構(gòu)安裝測量。
四、結(jié)束語
鋼結(jié)構(gòu)施工中，很重要的一點(diǎn)就是要將鋼柱的頂部和底部高精度地放樣在設(shè)計(jì)的點(diǎn)
位上，而且要求迅速、可靠，不影響施工進(jìn)度。經(jīng)典的經(jīng)緯儀加鋼尺測量法是目前鋼結(jié)
構(gòu)測量校正所采用的普遍方法，其原理簡單、直觀，容易被大多數(shù)人所接受，但細(xì)部放
線工作較多，工作量較大，對(duì)現(xiàn)場的通視條件要求較高，不僅耗費(fèi)大量的人力、物力，
而且效率較低。在高新技術(shù)日益發(fā)展的今天，全站儀和電子計(jì)算機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，
運(yùn)用接口技術(shù)使二者相連，建立一套完整的全站儀實(shí)時(shí)測繪系統(tǒng)對(duì)鋼柱進(jìn)行測量校正是
非常必要的，上海浦東國際金融大廈進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)層(39層)施工階段時(shí)，對(duì)常規(guī)方法與鋼結(jié)
構(gòu)實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)進(jìn)行了比較，結(jié)果說明該系統(tǒng)不僅提高了工作效率，而且提高了鋼結(jié)構(gòu)
放樣的精度。
參考文獻(xiàn)
[1]姚連璧，金國雄.形變觀測數(shù)據(jù)庫與基本數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).水利水電測量 |
