施工坐标系统在水利水电工程中的建立与应用

（中国水利水电第六工程局有限公司，沈阳市，110000）

1 概述

水利工程形式多种多样，有大坝、厂房、压力管道、调压井、引水隧洞等，由于工程的设计是在总体规划下进行的，因此建筑物的轴线往往不能与大地坐标系的坐标轴平行或垂直，依据测量控制点进行测量工作时如果只进行简单的轴线放样是比较简单，但是当遇到比较复杂的建筑物（比如：水电站发电厂房）时就比较费时费力，而且难度比较大。为此，针对建筑物的细部结构与轴线垂直或平行的特点，我们在具体的工作中可以建立施工坐标系统，这样一来很多问题都能够迎刃而解，而且比较直观，大大的提高工作效率。

2 施工坐标系统的适用范围

施工坐标系统适用于一些大型综合性的建筑物，结构形状都比较复杂，建筑面积相对较大，分部工程较多，又需要一体浇注完成，对于测量的精度要求较高，普通的轴线控制方法不能达到具体的施工测量要求时我们采用施工坐标系统。对于直线型的道路同样适用，使用坐标控制轴线的方式能够更加方便、快捷、准确的完成施工测量任务，使用全站仪放轴线控制点，经纬仪放控制线，也充分利用了仪器的最优功能。需要注意的是当道路为曲线时尽量不要采用施工坐标系，如果采用的话一定要注意施工坐标系所控制的范围。

3 建立施工坐标系的基本原理

供工程建设施工放样使用的平面直角坐标系，称为施工坐标系，也称为建筑坐标系。

图1 施工坐标系统与大地坐标系统之间的位置关系

由图1可知，XOY为大地坐标系统，X’O’Y’为施工坐标系统，点A在大地坐标系统中的坐标为（X,Y），在施工坐标系统中的坐标为(X’,Y’)，施工坐标系原点O’在大地坐标系统中的坐标为(XO,YO)，角α为大地坐标系统的纵轴X与施工坐标系统的纵轴X’的夹角即施工坐标系的旋转角，那么根据图形间的几何关系可以推算出它们之间的换算关系即：

点A由大地坐标转换为施工坐标公式为

点A由施工坐标转换为大地坐标公式为

其中夹角α可以通过设计图纸推算出来。

通过上述公式1可以计算出各个控制点所对应的施工坐标，然后根据控制点的施工坐标对全站仪进行架设，设置后的全站仪所置的坐标系统就是施工坐标系统，与设计图纸一致而且比较直观。

4 CASIO-5800P计算器在转换过程中的运用

上面我们详细阐述了大地坐标转换为施工坐标的基本原理，通过公式我们可以计算出一个大地坐标相对应的施工坐标，但是公式比较麻烦而且手算时容易出错，这时我们就可以借助工程编程计算器来解决这个问题，计算器编写代码输入后，运算时只需要输入数字，得到结果。

下面我们只以大地坐标转换为施工坐标公式为例编写代码。

说明：XO/YO为施工坐标系原点O’在大地坐标系统中的坐标即拟建立施工坐标系的原点。

X/Y为点A在大地坐标系统中的坐标。

SGX/SGY为点A经过转换后所对应的施工坐标。

XZJ为大地坐标系统的纵轴X与施工坐标系统的纵轴X’的夹角。

以上为大地坐标转换为施工坐标在CASIO-5800P计算器中的代码公式，代码输入计算器后，按提示进行操作即可得到结果。

5 施工坐标系统在黄河刘家峡洮河口排沙洞及扩机工程中的建立及运用

5.1 工程概况

刘家峡洮河口排沙洞扩机工程位于刘家峡水电站左岸，主要建筑物由排沙洞、发电支洞、调压井、压力管道及岸边电站厂房等组成。扩机电站装机2台，总装机容量300MW，工程属二等大（2）型工程。排沙洞、发电洞、调压井、压力钢管、厂房系统等主要建筑物为2级，次要建筑物为3级。扩机工程为排沙洞分岔段下游引水发电系统（包括发电洞、调压井、压力钢管和电站厂房等）。

5.2 建立施工坐标系统的目的

由于该工程的厂房开挖及混凝土衬砌工作结构复杂，普通的测量手段难以满足现场施工需要，为加快测量速度、提高点位精度，所以需要建立施工坐标系统。拟建立的施工坐标系统主要控制发电厂房施工区域，兼顾厂房边坡、进场交通洞等。

5.3 厂房布置与大地坐标系统之间的位置关系

图2 厂房布置形式与大地坐标系统之间的位置关系

图2中绿色的轴线表示大地坐标系统的轴线，红色的轴线代表施工坐标系统的轴线，红色轴线与绿色轴线的交点为施工坐标系统的原点。

根据设计文件可知厂房施工坐标系统的旋转角为16°0′43.23″，施工坐标系统的原点坐标为X=3978961.6499、Y=119976.9322，得到以上数据即可对数据进行转换

5.4 厂房内控制点数据的转换

得到发电厂房与大地坐标系统之间的关系后即可对厂区内的控制点坐标进行转换，这里我们选取比较典型的两个控制点S1、S2为例进行转换计算。

表1 两控制点S1、S2的大地坐标数据

打开CASIO-5800P计算器把程序1输入进去，按照步骤提示进行数据录入，以S1数据转换为例：

步骤1：X0=? 输入施工坐标系统原点坐标X0的数值3978961.6499

步骤2:Y0=? 输入施工坐标系统原点坐标Y0的数值119976.9322

步骤3:XZJ=? 输入施工坐标系统旋转角的数值16°0′43.23″

步骤4:X=? 输入待转换的S1数据X值3979021.8570

步骤5:Y=? 输入待转换的S1数据Y值119 974.5 372

步骤6:SGX=57.2 107 得到S1施工坐标X值

步骤7:SGY=-18.9 095 得到S1施工坐标Y值

S2数据重复以上步骤，得到表2数据。

这时我们可以发现转换后的数据出现负数，那么我们就要根据设计图纸定义一下正负数的实际含义，这里我们规定SGX为正时表示厂下、SGX为负时表示厂上、SGY为正时表示厂右、SGY为负时表示厂左，为更加形象的表示各个象限详见图3。

图3 厂区施工坐标系统象限示意图

那么转换后S1数据的可以称为：厂下57.2107、厂左18.9095、高程1 628.8 927

为保证数据的准确可靠，我们可以根据图纸推算数据与转换得到的数据相比对，校核其正确性。然后对两种方式数据进行比对就可以发现其正确与否。

表2 两种计算方式结果比较

通过对比分析我们可以发现经程序1转换的施工坐标数据与由图纸推算出的施工坐标数据是吻合的，误差最大的为1.1mm，那么我们就可以判断表2中转换的数据是正确的，程序1可以使用。

5.5 全站仪对施工坐标系统的运用

我们通过上述步骤已经得到控制点转换后的施工坐标，结合全站仪，那么以后的测量工作就变得相当容易，全站仪可以直接测量出一个点的坐标，这是其最大的优点。

利用以上两控制点的施工坐标，设置全站仪，目前通用快捷的架站方式有后方交会、坐标定向两种（架站原理这里不做详细论述），仪器架设完成，满足一定的精度就可以进行测量工作。由于我们是利用施工坐标进行测量，那么全站仪目前所置的就是施工坐标系统，与设计图纸上的厂房布置形式吻合，那么我们进行测量时就比较直观，全站仪测出来的数字就是图纸上的数字。

比如我们现在要测量出7#发电机组的中心（厂上0.000，厂左19.700），那么我们只需要让全站仪屏幕上的测量数据显示（X:0.000，Y:-19.700）就可以，测量步骤简单，不需要拿着计算器计算，可以节约大量的时间。需要注意的是这里我们定义的上下左右与厂方布置图的关系，这是问题的关键，稍有不慎就会酿成大错，切记。

6 结语

将施工坐标系统与大地坐标系统的坐标进行换算，使其坐标统一，便于施工中的轴线控制、计算及复核，对施工整个过程具有测设方便、准确，减少施工测量放线的工作量，提高经济效益和施工质量，特别对复杂外形，多点建筑物的施工测量放线工作具有很好的应用前景，不单单适用于水利工程，市政、房建、道路等工程领域。

在实际的测量工作中我们追求就是把复杂的工作简单化，节约时间，提高精度，那么施工坐标系统就满足这一需要，它具有普遍意义，值得推广，并在今后的实践中总结和提高。