高层建筑钢结构安装测量

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[摘要]本文结合上海浦东国际金融大厦工程阐述了高层建筑物钢结构施工安装过程中的测量工作，对引点产生的误差采用伪逆自由网平差方法进行处理，提高了控制点的精度，开发了一套由便携机和全站仪组成的实时钢结构放样测量系统。该系统具有快速、灵活、准确的特点，不仅提高了生产效率，而且达到了对资料的计算机化管理。

一． 工程背景
随着建筑市场的发展以及建筑水平的提高，高层和超高层钢结构建筑逐步增多。在钢结构工程安装过程中，测量是一项专业性较强又非常重要的工程，测量精度的高低直接影响到工种质量的好坏，是衡量钢结构工种质量的一个重要指标。
上海浦东国际金融大厦是一座高达226M的超高层钢结构工程，地处东方明珠附近，是目前上海仅次于经贸大厦的超高层钢结构建筑，该工种地下3层，地上53层，中央核心筒为劲性钢筋混凝土结构，外围是由19节钢柱组成的钢结构。工程采用"天圆地方"的设计方案，造型新颖．美观，但结构复杂、施工难度大，安装精度要求高。
高层建筑钢结构测量时首先根据底层的控制点向施工层面投点，然后根据投点进行各钢柱的放样。放样的精度一方面取决于投点的精度，另一方面取决于施工放样的方法。为提高钢结构测量的精度，对从底层引上来的点进行边角测量，再进行平差处理，提高控制点的精度；施工放样时若使用常规仪器如经纬仪．钢尺按常规放样方法，由于受施工现场条件的限制，外业放样人员须进行大量繁锁的计算工作，实际测量要求的作业人员很多，因此不仅精度低、速度慢、容易出错。鉴于此种情况，开发一套适用主高层钢结构建筑安装的实时测量系统是非常的，利用便携式计算机直接读取全站仪的测量数据，通过软件自动进行处理，简化外业测量工作，并能提高精度。
二． 引点
通过预埋孔，从底楼基准控制点运用莱卡ZL天顶仪配合DL2激光议依次投测到所需施工楼层，并用激光接收板接收。慢慢旋转铅直仪（0o、90o 、180o 、270o 、360o），便在接收板上得到一个激光圆，圆心即为该控制点的接收点。对接收点组成的控制网进行角度、距离测量，由于投点存在误差，因此测量的角度和边长与已知存在一定的差异，需进行平差处理，以提高控制点的精度。由于每个点都可能存在投点误差，因此本工程采用 逆自由网平差，下面阐述具体的模型及计算过程。
首先按边长和方向列误差方程式：

式中，n为观测值个数，m为未知数个数。
 

坐标近似值采取底层控制点的已知坐标，在伪逆平差时保持了这些点的重心坐标以及各点到重心坐标的±１mm向径加权方位角以该向径距离平方为权的带权平均数保持不变。实际平差时获得的各点精度均小于，从而保障了施工测量放样的精度，以此作为本楼层细部平面放线的依据。由于引上来的点为空心，无法测定其高程，高程标志一般放置于核心筒的封面上，用钢尺传递高程时，在进行放样时，安置仪器于控制点上，仪器横轴的高程可以由全站仪视线水平读取标尺的读数获得，这样就可以进行三维坐标的放样。若引点不够多，或楼层形状改变时可由已有的控制点加密出一些新的控制点，然后再进行引点。
三． 钢结构安装实时测量系统
针对常规测量存在的问题，采用VB和ACCESS数据库相结合开发了Windows95下的实时钢结构测量系统，系统采用便携式计算机与全站仪相连，通过放样程序操纵全站仪进行测量，自动取得测量数据，计算显示出点位和纠偏信息，当偏差满足要求时就可以将测量的数据存入数据库进行管理、绘图打印报表等。下面分别对实时钢结构测量系统中的几个问题进行阐述。
1． 临时控制点的测定方法与精度
楼层施工时，纵横钢梁较多，视线经常被挡，因此仅在几个引测的控制点上难以满足施工测量的需要。根据现场情况选定合适的位置，既能看到已知点又适合施工放样。首先控制点坐标可以由以下几种方法测定：一是极坐标法，需在已知点上设站测量边长和角度，该种方法其误差一般不受控制点网形的影响，误差主要来自角度和边长的测量误差，一般其点位的误差可达到2－3mm。二是采用前方交会方法，需在两个已知点上放置仪器，且待定点的点位误差受网形的影响较大。三是仪器直接放在待定点上进行距离交会，其点位误差同样受网形的影响很大，当待定点位于以两个已知控制点为直径的圆周上时，其误差

2．钢柱中心坐标的计算
上海浦东国际金融大厦的钢结构有两种，一种是空心的圆柱钢管，一种是H型钢柱。无论是空心圆柱还是H型钢柱一般都无法直接观测柱顶与柱底中心，因此只能通过观测其他位置来计算中心点的坐标，下面分别阐述空心圆柱钢管H型钢柱中心坐标测定和计算方法。

对于圆柱钢管观测左右两侧边缘的水平角并在同一截面上贴上一个反光贴片，如图1所示, k为测 站点，p为方向控制点，钢管中心为o ，b较均匀而当网形不好时其误差较大，表1计算了待定点位于不同位置其误差的不同结果，其中已知控制点坐标A（0，100），B（100，0），P 为未知点，边长观测精度为±（1mm+10-6D ）当P点坐标为（47，52）时其误差椭圆长半径达到7cm。四是在距离交会时加测一个角度，即测站放在未知点上，在测距离的同时观测该点到两个已知点的夹角，这样其误差可得到有效的控制，对同样的距离交会数据加测一个角度，角度观测中误差为 ± 5秒，设计计算的结果同样列于表1，该结果表明加测一个角度的距离交会方法精度较好。与其他方法相比该方法不仅保证了精度，而且测站直接放置于待定点上，在测定本身坐标的同时便可进行施工放样，因此实用方便，在上海浦东国际金融大厦工程中主要是使用了该方法，在软件中也设置了便携机与全站仪直接连接的测量与坐标计算功能。

为反光光贴片，在测站上观测钢管左右边缘m 、n 的角度为a1 和a2，则由已知方位akp及 a1 、 a2可计算测站至钢管中心的方位ako

Ｚ为仪器横轴高程。
Ｈ型钢柱放样如图２所示，b c为反光贴片，与Ｈ型钢柱线相对称放置，其距离S可在贴片上测得，d点在与b c相垂直方向延伸Ｈ型钢柱宽度的一半Ｓdo即为钢柱的中心位置，Ｓdo可根据Ｈ型钢柱的尺寸来定，是可以得到的已知数据。

以上得到了圆钢柱和Ｈ型钢柱在反光贴片处的中心点坐标和高程，要得到柱面与柱底高程，只需在上述点的Ｚ坐标上加或减相差距离即可。
3．系统的工作流程

图3 系统工作流程

系统的工作的流程如图３所示。使用该系统首先应在室内建立控制点样点数据库，主要是输入各点的坐标，在外业测量时可以直接调用，外业测量时首先 安置仪器并启动全站仪，后视已知点定向，用通信线连接好便携机各站仪，打开便携机进入钢结构实时放样软件系统，便可进行圆柱和方柱的放样测量工作。
在放样时计算机屏幕上有四种数据，第一种是控制点的资料，包括点名、坐标等信息，可直接从数据库中得到，即选择控制点及方向点点名即可调出其坐标，第二种数据需人工输入，如仪器高、贴片距圆柱顶面距离Ｓ、圆柱半径Ｒ、Ｈ型钢柱的宽度do以及两贴片距离bc ，第三部分是全站仪测量数据，如全站仪瞄准圆柱的左边、右边、贴片的相对方向控制点的水平角及贴片观测的竖直角等，第四部分是放样点的坐标和观测结果等，其中放样点的坐标可通过选择放样点的点名，由数据库直接调出，实测坐标由程序自动计算得到，并给出偏差数据，进而指挥施工安装，当偏差符合要求，便可将数据存至数据库，该点的放样即告完成。在放样一个钢柱时通常要测定顶点和底部的坐标，测量时，一般在距钢柱的底部和顶部各一定距离设置反光贴片，根据反算的两点坐标可计算钢柱的垂直倾斜度。
４、实时钢结构放样测量软件的特点
与常规测量模式相比，利用实时钢结构放样软件进行施工测量具有以下特点：
　（１）实现了全站仪与计算机的双向通讯。一般的测量放样计算是由人工将观测结果输入到计算机或计算器进行计算，本系统利用了计算机与全站仪直接连接的双向通讯，由便携机发指令给全站仪进行测量，全站仪的测量数据自动传输到计算机内存中。系统中全站仪测量主要利用了模式：一种是测量斜距、垂直角、水平角，该种模式需要用反光贴片，面在测量圆钢管柱的左右边缘的方向时没有反光贴片，因此只能用水平角测量模式。圆钢管柱放样用到两种模式，Ｈ型钢柱只要第一种模式即可。测量人员只需要按计算机屏幕的提示，将全站仪瞄准相应目标，点取相应的按钮即可。避免了数据抄记、输入过程中的错误，简化了外业步骤。

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