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1、最新高层钢柱垂直度控制实时测量工法编写单位：中建八局青岛公司刘宝忠前言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，施工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程质量的好坏，测量效率的高低又直接影响到工程进度的快慢，因此安装测量技术的高低是衡量钢结构工程施工水平的一项重要指标，而钢柱垂直度的控制又是高层钢结构结构施工测量的重点和难点。高层钢结构钢柱垂直度控制实时测量工法是我们在长期高层和超高层钢结构施工测量放样实践中，充分利用免棱镜全站仪、便携式计算机（或可编程计算器）的性能，通过对传统的施工测量方法进行研究改造，形成的针
2、对高层钢结构工程施工测量放样的施工工法。该工法的关键技术是平面控制点竖向高精度向上传递技术、钢柱中心实际位置的间接测量及理论位置数据库建立技术、计算机与全站仪进行数据实时通讯技术。该工法是在北京大学医院病房楼、郑州蓝码大厦、南京新地中心及青岛万邦中心施工测量放样经验的基础上形成的。用这种测量方法对高层钢结构钢柱安装过程进行控制，测量人员为钢柱安装人员提供的数据时间短，精度高。南京新地中心工程的钢柱节垂直度及建筑物全高垂直度经评估和鉴定，完全符合钢结构验收规范的要求。质量评定等级为合格，观感达到“好”的要求。在此，我们编制此工法，希望它能够为以后高层钢结构的施工测量提供指导作用。该工法于2008
3、年3月被认定为中建八局企业工法。1特点传统的钢柱垂直度控制方法是先在施工操作面上放样出柱网的纵横轴线，再利用两台经纬仪从两个近似相互垂直的方向对一根钢柱进行测量控制，这种方法投入测量人员多，结果反馈到钢柱校正操作人员的时间长，经纬仪架设位置限制较多。本工法所采用的施工测量方法，是充分利用免棱镜全站仪的免棱镜测距性能，测量钢柱立面某些特定点的三维坐标，测量值传递到便携计算机，程序依据钢柱的几何形状，间接计算出钢柱的中心偏移量及钢柱的扭转偏差值，同时可以得出钢柱的标高偏差值。因此利用本工法进行钢柱的垂直度控制测量，可以缩短施工前的轴线放样的时间，减少测量工作的劳动强度，减少测量结果的反馈时间，提高
4、钢柱的安装质量。2适用范围高层钢结构钢柱垂直度控制实时测量工法适用于所有柱子安装的垂直度控制测量及质量检测验收，特别是许多非水平、非垂直的特异构件安装过程中的施工测量及质量验收。3工艺原理高层钢结构钢柱垂直度控制实时测量工法的工艺原理是：由于钢柱安装垂直度校正时，钢柱顶端不方便安设全站仪的反射棱镜，为此充分利用免棱镜全站仪的免棱镜测量性能，快速测量钢柱顶端特征点的三维坐标，并把测量信息通过数据线实时传输到便携式计算机中。在施工测量前的准备阶段，应认真分析图纸，建立合适实用的建筑物坐标系，收集各钢柱的中心坐标、钢柱编号、截面大小及定位角度等相关信息，并建立数据库。当测量结果被程序接收后，程序依据
5、测量点坐标信息自动查找测量钢柱的编号，找到相关信息，并计算出该钢柱中心偏移量及钢柱的扭转偏差值等钢柱安装校正所需的相关信息，及时把相关信息反馈给施工人员作为钢柱垂直度校正的依据。4工艺流程及操作要点4.1高层钢结构钢柱垂直度控制实时测量工法施工测量流程收集编程资料编写测试程序现场勘察理设控制点控制测量平面及高程控制点竖向传递安置全站仪测量特征点坐标分析计算信息及时传递给操作人员钢柱安装校正后，再一次观测循环4.2高层钢结构钢柱垂直度控制实时测量操作方法4.2.1分析计算、通讯程序编写4.2.1.1收集编程资料：编程的基本资料包括钢柱编号、钢柱中心坐标、截面形状、截面大小及定位角度等描述钢柱外部
6、形状及空间位置的相关信息以及全站仪的指令码资料，为使测量人员提供的数据使用方便，程序编写前还应与钢柱安装校正施工人员多次沟通，与钢构件加人人员沟通，相互提供对方所需要的资料。收集钢柱相关资料的过程还应包括对设计数据正确性复核计算过程，并对数据进行分类编码。4.2.1.2编写程序:按程序功能不同可把程序分成三个主要模块，基础数据管理模块；计算机与全站仪之间进行实时数据通讯模块；钢柱中心偏移量及钢柱的扭转偏差值分析计算模块。1）基础数据管理模块：由于数据关系比较简单,基础数据的管理可以利用Microsoft Office Access软件建立Access数据库,数据库的建立及数据的添加、修改、删除
7、等管理工作可以通过Microsoft Office Access软件直接进行，也可以通过VB等常用的编程软件，自己编写符合自己要求和习惯的程序界面，以方便自己的工作。基础数据内容一般包括钢柱编号、钢柱中心理论坐标、截面形状、截面大小、截面变换位置、定位方位角及钢柱观测标志点的理论基础坐标等描述钢柱外部形状及空间位置的相关数据。2) 计算机与全站仪之间进行实时数据通讯模块:不同厂家的全站仪有不同的指令码体系，同厂家的不同型号全站仪的指令码也不完全相同，因此编写程序前必须熟悉各个命令的意义。计算机与全站仪一般通过串行端口进行数据交换，编程前也应熟悉操作串行端口的编程语句。另外需要准确确定计算机发出
8、测量指令后，仪器测量、到测量结果发送到仪器缓存区的时间间隔，并在程序中设置等待时间，确保接收指令发出后，所需的测量数据已发送到仪器缓存区，否则将会得不到结果。3）钢柱中心偏移量及钢柱的扭转偏差值分析计算模块：此模块的主要计算模型如下。（1）钢柱中心坐标的间接测量钢柱的截面形式多种多样，但最基本的截面形状有两种，一种是圆形钢柱，一种是矩形钢柱。无论是圆形钢柱还是矩形钢柱一般都无法直接观测柱顶与柱底中心，因此只能通过测量其他特征点的坐标，来间接计算中心点的坐标，下面分别阐述圆形钢柱及矩形钢柱中心坐标间接测定和计算方法。其它截面类型的钢柱可以做适当改变，转化成这两种截面类型进行计算。对于圆形钢柱观测
9、左右两侧边缘的水平角并在同一截面上贴上做观测标志（或粘反光贴片）测量斜距、水平角及竖直角。如下图-1所示：k为测站点，p为方向控制点，钢管中心为o ，b为观测标志，在测站上观测钢管左右边缘m、n 的角度为1 和2，及观测标志点b的角度b、k、b两点的斜距Skb及竖直角。图-1:圆钢管柱中心坐标测量计算示意图则由已知方位kp及 1、2可计算测站至钢管中心的方位k；钢柱中心坐标的计算算法如下：矩形钢柱中心坐标测量图-2所示，b c为观测标志（或粘反光贴片），与矩形钢柱线相对称放置，其距离S可在贴片上测得，d点在与b c相垂直方向延伸矩形钢柱宽度的一半do即为钢柱的中心位置，do可根据矩形钢柱的尺寸
10、来定，是可以得到的已知数据。在测站上观测观测点b、c两点的角度、两点与测站的斜距及竖直角。图-2:矩形钢柱中心坐标计算示意图则由已知方位kp及 1、2可计算矩形钢柱中心坐标，计算算法如下：（2）钢柱中心偏移量及钢柱的扭转偏差值计算钢柱中心偏移量是钢柱中心理论值与钢柱中心间接观测值之差；钢柱的扭转偏差值是观测标志点的理论值与观测标志点的实测值之差。以上得到了圆钢柱和矩形钢柱在观测标志截面处的中心点坐标和高程，要得到柱面与柱底高程，只需在上述点的坐标上加或减相差距离即可。4.2.1.3测试程序：程序编写完成后，应对整个程序的所有功能，各种不同情况进行测试，确保程序执行结果正确。测试的数据至少要包括
11、所有前面已确定的观测标志点的数据。4.2.2施工测量平面及高程控制网的建立：首级平面与高程控制网的建立方法及精度等级与其他类似工程一致，并按要求编制测量方案，为了方便全站仪测量点的三维坐标，要求平面控制点与高程控制点布置在同一位置上。采用天顶仪进行竖向平面控制点传递，当操作层到地面控制点的高度大于100m时，依据规范应把地面控制点向上传递，作为上部平面控制点传递的依据，其方法如下条所述。4.2.3平面控制点竖向传递4.2.3.1平面控制点竖向传递的流程如图-3所示用天顶仪竖向传递水平控制点测量传递点之间的距离并与理论值比较自由网平差归化改正后放样出轴线网合格不合格图-3:平面控制点竖向传递的工
12、艺流程4.2.3.2用天顶仪竖向传递水平控制点轴线是高层钢结构安装的生命线，轴线放样精度的高低将直接影响钢柱安装的整体垂直度及构件安装速度。高层施工测量依据，根据规范的要求，应从地面控制网引投到施工层，不得使用下一节楼层的定位轴线。从工程测量的角度而言，建筑物的整体垂直度的控制主要通过内控、外控或内外控结合的方法来进行的。高层结构竖向传递一般都采用内控法，投点仪器选用天顶准直仪。在需要传递控制点的施工层预留孔处水平固定一块有机玻璃板做成的光靶，在控制点上架设天顶准直仪，慢慢旋转天顶仪在（0、90、180、270、360），便在接收光靶上得到一个激光圆，圆心即为该控制点的传递点。传递过程如图-4
13、所示。所有控制点传递完成后，则形成该楼层轴线控制网。由于日光照射不均匀，高层钢结构会生产较大的垂直度变化，为了减少日光对水平控制点传递的影响，向上传递控制点的作业时间应选择阴天或日出前进行。 图-4:平面控制点竖向传递示意图4.2.3.3测量传递点之间的距离并与理论值比较对传递到施工层的控制点组成的控制网进行角度、距离测量。距离用全站仪或钢尺精密丈量四测回，各测回之间较差2mm，与理论值之差S不宜超过6mm；角度观测用J2级仪器测量需六测回，必须满足工程测量规范对四等网测角的规定：角度与理论值之差|应小于0.0025S3/S1S2（式中：S3为两目标点之间的距离，S1、S2为测站点到两目标点之
14、间的距离，以米为单位）。若角度偏差和距离偏差S超出规范要求，则必须重新竖向投测平面控制点。只有当、S符合要求后，方可进行平差。全站仪的普及，使得测距比测角方便快速，人为因素对测量精度的影响较小，实际操作时用测边网比较合适，且定权简单。4.2.3.4秩亏自由网平差由于投点存在误差，因此测量的角度和边长与已知值存在一定的差异，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，平差时无起始数据，因此采用秩亏自由网平差。无起始数据的自由网能较方便地找出它的GT阵，因此用假观测值法解法有利，测边网的无起始数据的自由网平差的数学模型及计算过程如下：式中，n为观测值个数，m为未知数个数。坐标
15、近似值采取底层控制点的已知坐标，在自由网平差时保持了这些点的重心坐标保持不变。实际平差时获得的各点精度均较高，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。秩亏自由网平差过程也可采用别的公司开发的成熟软件进行。4.2.3.5归化改正后放样出轴线网若使用全站仪进行细部轴线放样，利用上面平差后的控制点坐标，用极坐标法放样即可，无需先对控制点进行归化改正；若用经纬仪和钢卷尺放样轴线，则应先对控制点进行归化改正，然后以归化后的控制点作为平面测量的依据，钢卷尺测距时，应在钢尺的自由端施加标准拉力，且需进行温度尺长改正。4.2.4标高的向上传递及控制线放样标高的传递采用挂钢尺法，在施测的过程中必须施加标准拉力，且应进行温度尺长改正。另一种方法是在底层的一个平面控制点上架设好全站仪，先精确测定仪器横轴的标高，在仪器的正上方设置棱镜或反射片，然后转动全站仪望远镜到垂直状态，测量两点间的距离，通过计算求得棱镜标高，再把棱镜高和传递到钢柱上。标高向上传递均应单独进行两次，两次测量较差H不宜大于7mm,取平均值作为最后结果。标高传递上来后设置临时水准点，作为该楼层上一节点钢结构安装标高控制的依据。传递过程如图-5、图-6所示： 图-5:水准仪传递标高传递示意图 图-6:全站仪传递标高
