三维控制在超高层钢结构施工测量的关键技术

称艺铭

摘要：结合国内一超高层大厦钢结构施工，介绍了超高层钢结构施工过程中的测量关键技术，包括坐标系的转换、轴线控制点的竖向传递、倾斜H型巨柱安装精度的控制、复杂构件检验、外环梁的精度控制等。

关键词：超高层；钢结构吊装；测量；三维坐标转换

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2073-04

随着人类的进步，科技发展的今天，超高层建筑作为新型的建筑体系在各国逐渐兴起。这不仅标志着建筑领域的进步，同时，也反映出国家科技的发展和综合实力。

超高层因其高度，所以对它的结构也有特殊的要求，每栋超高层建筑在外观形态上为了突出与众不同，给人在视觉上拥有不同的美学概念——形状各异，美观、结构复杂。随着结构的复杂性，大多数超高层都采用劲心结构，在这样的结构形势下，对施工技术有一定特殊的要求，对测量精度控制要求超出了原有的规范技术指标。然而普通的测量仪器和方法，因难以实现对建筑施工精度控制，已逐渐被全站仪、GPS、三维扫描仪等新型仪器取代。新型的三维控制方法，在结合设计图纸的内业计算，逐渐取代原来的测量方法，使工作即简便又高效、工程进度也在不断的提高。该文总结了上海中心大厦在施工过程中，三维坐标测量方法在钢结构施工中的应用。

1 工程概况

上海中心大厦总建筑面积为574058㎡，建筑高度为632m，地上共121层，大厦功能主要为办公、高级酒店、大型国际级会议中心及文化、商业、娱乐、观光休闲等配套设施，建成后将与临近的建筑形成国际顶级的办公商务中心。同时，大厦将作为超高层绿色建筑的典范，实现中国绿色建筑三星级、美国LEED-CS金奖双认证。在建设具有标志性功能性建筑和引领超高层建筑的可持续发展等方面具有重大意义。

主楼地下室的结构类型为混凝土型钢巨型柱+混凝土钢骨核心筒及外翼墙组成的混合结构。主楼地下室的8根巨柱和4根角柱呈井字形框架分布于核心筒外围。核心筒平面结构随着高度逐渐变化，首先由九宫格四角收缩变为十字形，核心筒东西向继续收缩，最终南北向呈1字形。主楼外围有8根巨型柱和4根角柱劲性混凝土结构柱，沿着高度向核心筒中心倾斜。屋顶皇冠钢结构位于整栋建筑顶部，由内外八角钢框架、双向桁架加强层、竖向鳍状桁架、水平带状桁架组成。屋顶皇冠构件由H型钢、圆形钢管或角钢制作。裙房地上为钢框架结构，分为东、西裙房两部分。东裙房为钢梁框架结构，西裙房为大跨度主次桁架框架结构。主桁架的上、下弦杆采用桁架结构形式，桁架呈南北向布置，最大跨度达58.8m。下弦桁架作为楼面支撑桁架；上弦桁架作为屋面支撑桁架，顶面呈曲线形，次桁架呈东西向布置，与主桁架下弦杆十字交错。

2 控制网的建立

2.1 坐标转换

为了便于内业计算，总平面图上所有的拼接接点定位坐标均为建筑坐标，建筑坐标系的中心点为九宫格核心筒的中心，如图1所示为12轴和H轴的两条轴线的交汇处。

规划设计图中所有红线范围桩点坐标为城市大地坐标，利用城市大地坐标控制点测放到建筑施工区域平面内，形成矩形首级控制网。为了便于实测方便，将其按照一定角度距离转换，本工程旋转角为0.0000度，统一归化为建筑平面坐标，便于现场测量的快速计算。

2.2 二级控制点布置

平面轴线控制点转换方法，首先应以图纸设计的轴线点理论坐标为根据，对原控制点坐标进行测设；然后布网测量并进行平差处理，与理论值比较，当误差在允许范围内时才可以继续上传递。核心筒结构控制轴线测量采用天顶法，整个建筑将经过8次楼层的基准点转换。

3 控制点的向上引测

为了施工方便，首级控制网需要竖向传递，经过竖向传递在同一个施工楼层中形成施工控制网，对其要进行角度、距离测量复核，考虑投点时存在的人为误差、环境的影响，因此测量施工控制平面网的角度和边长与首级控制网精度的差异，经合理分配、平差处理，以提高施工控制网等级的精度，达到规范及设计要求。

3.1 平面轴线引测

施工总平面设计图标明的建筑轴线三维坐标（控制点）的引测，开始要在施工场地B0层±0.000m（本工程为4.600m）混凝土楼面上，在首级控制网的控制点位上架设激光铅直仪，竖直向上传递平面轴线上的控制点点位，为提高控制点点位的捕捉精度，为消除因距离远而形成的分段引测误差的积累和受施工环境的影响，造成点位的漂移，故而在施工楼层使用自制的激光捕捉靶。使其准确而明亮的在激光捕捉靶上显示点位。

3.2 标高引测

由水准点引测到施工场地的B0层上，在B0层上做一个高程基准点±0.000m（本工程为4.600m）。在高程基准点上架设全站仪从B0层楼面竖向传递，每隔5个楼层中转一次，各施工楼层的标高用钢卷尺沿主楼核芯筒外墙面向上量引测，经温度、钢尺参数修正。高精度全站仪传递标高基准点的方法如下：

1）在B0层楼面上±0.000m（吴淞高程4.600m）高程基准点上架设高精度全站仪如Leica1201+、Leica2003、Leica Ts30，经过气压、气温、竖角测量及其他因素影响，对全站仪进行参数改正设置。使其消除仪器误差，提高传递精度。

2）以核心筒墙面+1.000m/0.600m为标高基准线控制线。经假定高程测得仪器高，对仪器内H（高程）向坐标进行数值设置，包括使用反射棱镜的常数设置。不同的反射棱镜的常数是不同的，如徕卡的圆棱镜常数为34.4mm。

3）高精度全站仪竖角（v）竖直向上，利用弯管观测，沿各个楼层的预留洞口竖直向上传递，顶部反射棱镜或反射物放在提模架或需要测量标高的楼层面上，棱镜反射面向下对准全站仪激光。因物体及反射贴片远距离测距时反射信号较弱或难以反射，影响测距的精度或全站仪读不出数据，故在此用反射棱镜配合全站仪进行距离测量。

4）内业计算得到相应的标高后，用水准仪测量，计算水准仪仪器高，将标高传递到剪力墙侧面距离本楼层高度+1.000m/0.600m处，并在墙体上弹墨线标识并注明高程值，用于后续高程测量和压缩变形监测，同时也可作为楼层高程传递的基准。

4 外筒钢柱安装测量定位技术

测量定位技术主要体现在外筒钢结构，外筒钢柱节点为H形，各层节点的分枝角度不同，所以每一个节点的位置都必须用全站仪进行三维空间坐标定位测量。测量步骤：

1）在室内，通过深化设计图纸和专业的软件计算出即将要吊装的钢柱顶中心的三维坐标，或两端端点坐标值。

4）对于实际吊装拼接中产生的误差，可通过焊接缝（3mm-5mm）进行焊接间距的调整，如吊装产生的偏差过大，将实测数据反馈至巨柱加工厂直接调整巨柱制作长短，来消除偏差，使其满足设计和现场吊装的要求。

5）利用高精度全站仪对核心筒外围各个钢柱柱顶中心或已设置好的一定尺寸的三维坐标点进行三维坐标测量，并记录原始数据。

a、架设全站仪在施工控制网的控制点上或随意架站，利用后方交会和高程传递，照准一个或几个后视点，并通过其他点位的三维坐标进行校核。

b、调用已有的后视点、、测站点数据文件或输入后视点、测站点坐标值、棱镜常数、棱镜高度值，建立本测站的施工坐标系统，进行定向和高程传递。

c、配合棱镜或贴片进行三维坐标测量；

6）结合上下节柱顶焊后的偏差，矢量叠加出计算出上一节巨柱的实际三维坐标值；

7）焊接完成后重新架站，再次测量柱顶或已设置好的一定尺寸贴片的三维坐标，测量数据经内业计算和理论数据对比，得出偏差，为上节钢柱吊装安装提供理论依据和消除偏差，如此循环。

计算三维坐标：

1）常温、常压条件下，不考虑工程本身荷载增加引起变形和施工环境的影响每节柱顶中心点或已设置好的一定尺寸的三维坐标；

2） 按施工工艺顺序，考虑各种因素的影响，改正各个参数矢量叠加。

5 钢结构构件的测量

5.1 测量原理

采用高精度全站仪，在同一层建立施工控制网，对各个节点点位的三维测量，记录实际三维坐标值，将实测坐标值编辑成对应的文件，利用专业绘图软件展点，并转换为设计深化图构件相同坐标系，还原实物，将实测实测数据与标准模型或图纸以最大限度拟合对齐和经过校正转化，得出偏差，如环梁控制复核表：

5.2 测量内容

5.2.1 巨柱、角柱、钢梁外形尺寸预检

巨柱、角柱、钢梁外形尺寸预检包括巨柱、角柱、钢梁的直径、长度、轴线间距的大小，其中轴线间距是非常重要，对构件的现场拼装影响较大，故检查采用检测过的有名义尺长的钢卷尺，直接量取对角点（柱口四等分点或若干等分）距离，以倾斜角度量取数次取平均值，巨柱、角柱、钢梁的长度及轴线间距由于在现场吊装过程中难以用普通的测量方法检验，可用全站仪测量三维坐标法检测。

5.2.2 吊装节点测量

上海中心钢结构测量工作的重点就是吊装节点测量，它关系着整个建筑框架的最终成型，由于每区的大小、形状加上旋转，所以各个节点拼接也不同，各构件位置处于三维空间状态，这样就构成了节点形态复杂，空间位置各异，因此必须采用三维坐标测量法核对各点的空间位置。

1）三维坐标法实测节点数据，吊装精度要求非常高，本工程拟选莱卡TPR1200+全站仪（精度1”级）作为主要测量仪器，并配徕卡圆棱镜、小棱镜和徕卡反射贴片。

2）测量流程

在实测实量的过程中必须为同一楼层面上的每个节点建立统一的施工控制网，使所测的坐标数据的统一。利用内业软件计算，经内业平差，记录工程的原始资料、并加以归档、检查。

5.2.3 巨柱、角柱上牛腿和连接耳板、节点空间坐标的测量

现场单个H型巨柱、角柱，在同一节巨柱、角柱平面上建立施工控制网。使其各控制点相互通视、全站仪架设地点坚硬为原则，架设测站点坐标定为（x，y，h）。

在巨柱、角柱顶部量取0.6m或一定尺寸的距离，用经检测有名义尺长的钢卷尺反复检查，以保证所拉距离的准确性，消除人为误差，然后调节十字架中心激光反射片中心与量取的距离线一致及统一性。

巨柱、角柱的 牛腿测量以牛腿外边中点或两端端点向内偏移15mm—20mm，以便焊后的伸缩变形而造成向外的整体偏差。

三维坐标测量要点：

1） 在施工控制点上架设全站仪，在各个节点上粘贴反射片；反射片中心十字线与构件中心线重合，因反射片厚度<1mm，全站仪所测数据即为该点的实际数值，减少了反射棱镜垂直对中和坐标值换算的复杂计算。

2） 在同一点上，每次架设仪器高不可能一致，也没有一定规律可寻，若用钢尺法量仪高，则误差较大，不能满足高精度测量要求，因此在施测前，对已有高程点作H向坐标的比测，将所得数据在仪器内重新输入或直接进行数据改正。

5.3 偏差核对

1） 将记录实测的三维坐标值，经电脑传输，编辑成对应的数据文件。

2） 将实测出三维坐标与标准三维模型和设计院给的设计深化图纸以最大限度拟合对齐，以其中的几个共同点校正数据图形，当实测数据点位与图形基本重叠时，便能得出偏差。上面提到的牛腿、连接耳板的位置和角度偏差均可以此体现出来。如图2：

5.4 偏差核对数据

构件三维坐标偏差核对，以构件的一端为起始点，与相邻构件之间的距离和起始边对齐。而构件实际偏差是以节点中心线交点为基准点（因构件形状、现场通视条件差的特殊性而观测不到），所以比对的偏差值均除以2还原实际偏差值。钢结构吊装施工中，对拼接的精确定位要求极高，而且验收要有时效性，因施工随时会影响定位的精度，加上钢结构变形等因素影响。

6 结束语

随着科技发展，超高层建筑造型独特，外筒巨型钢柱形状各异、钢柱角度变化复杂，纯外挑结构的设计，人员难以到达的外挑位置。普通的测量技术难以实现测量精度控制，三维控制坐标法大大的减缓了在施工中的这些难题。对比以上两种测量方法，后

者逐步取代了前者。该文在此浅谈在上海中心施工过程中所积累了一些测量技术，望其能为其他类似项目的测量工作提供了借鉴参考的实践依据。

参考文献：

[1] 姚连璧，张明海，尹敏达，等.高层建筑钢结构安装测量[J].测绘通报，1999（03）.

[2] 郁政华，张连明，严玉龙，等.广州新电视塔钢结构测量技术[J].建筑施工，2009（11）.

[3] 李元武，闫海飞，傅宏伟，等.杭州国际会议中心钢结构安装测量技术[J].建筑施工，2009（03）.

[4] GB/T 50026-93.工程测量规范[S].

[5] JGJ/T 8-97. 建筑变形测量规程[S].