异形扭转钢结构测量安装技术应用

赵 毅 张红永 闫 冬 齐鹏辉 王 雨

中建三局集团有限公司 湖北 武汉 430064

钢结构具有自重轻、整体刚度好、抗震性能好、工业化生产程度高、施工速度快、建筑造型美观、施工环保、空间使用大、可满足各种功能需求等特点，近几年来发展迅速，被广泛应用于高层、超高层、大跨度空间结构等各种造型复杂的建筑中。这些建筑通常具有结构复杂、造型独特、施工测量复杂、测量工作难度较高的特点[1]。

钢结构安装测量是钢结构工作质量控制的重要工作，测量成果的精度将直接影响钢结构工程质量和施工的进度。钢结构测量工作精度要求较高，允许误差以毫米计，测量工作包括构件加工尺寸测量、现场施工安装测量。构件在加工厂采用数控加工，测量精度较高。受现场环境、结构形式影响，很多超高层钢结构钢柱在安装测量时没有仪器操作平台，需要借助临时搭设平台或者借助全站仪专业的卡具和夹具来架设仪器。现场施工安装测量工作量较大，除了对钢柱进行定位测量外，还要对钢柱全程开展跟踪监测工作。

1 项目工程概况

河南省科技馆新馆圭表塔为异形扭转钢框架结构体系（图1、图2），共21层，建筑高度为100 m，建筑面积为900 m2，使用功能为观光。钢结构包括圆钢柱（10根直钢柱，14根为斜钢柱）、H型楼层钢梁、箱型斜撑及框架外弧形钢管梁，4～12层（标高10.5～67.5 m）设计为无楼板结构。

图1 圭表塔钢结构模型

图2 圭表塔效果图

2 施工测量内容及重、难点分析

1）本工程为纯钢结构，建筑层数多、高度高，异形扭转，造型复杂，结构竖向偏差直接影响工程受力情况，在施工测量中要确保竖向投点精度，减小偏差。

2）本工程造型比较独特，核心筒有10根直柱，外围有14根斜度不同的斜柱。斜钢柱每节柱的柱顶坐标不同，传统的混凝土结构施工测量方法在本工程中已不适用。核心筒采用外控法进行控制，外圈斜柱采用内控法，钢柱安装过程中内控、外控相互校核。

3）本工程为钢框架结构体系，单层面积较小，再加上中间无楼板结构，内控点不易布设且无仪器架设平台，需要借助临时搭设平台或者借助全站仪专业的卡具和夹具来架设仪器。

4）平面控制网向上引测时受钢构件吊装环境和结构特性影响较大，再加上斜柱重心不稳，需要对斜柱进行连续跟踪测量。

5）随着楼层的增高，误差累积会加大，如何在复杂的外部环境因素影响下，迅速、准确地完成平面轴线控制、高程传递，是本工程的重点工作。

6）钢结构安装精度高，位置、标高及轴线定位难度大。安装时，构件受力情况较复杂，极易发生变形、位移等现象，易造成偏差，需进行跟踪观测，随时纠偏并调整施工。

7）随着楼层的增高，外围斜钢柱向核心筒收敛，楼层截面变小，钢柱定位安装难度大。

3 施工测量准备

1）熟悉设计图纸，对图纸中的有关数据和几何尺寸，进行认真复核。

2）熟悉业主单位提供的基准点，并复核其准确性。

3）斜柱定位是本工程测量控制的重点，采用施工坐标系较为方便。以建筑物西南角轴线交点为坐标系原点，建立施工坐标系，将控制点坐标转换为施工坐标系。

4）根据每层的结构平面布置图，结合钢结构深化模型、每节柱的加工长度，依据斜柱长度、斜度计算每节柱的柱顶坐标。

5）根据图纸条件及工程结构特征确定轴线基准点布置和控制形式。

4 施工控制网布设

4.1 外控网建立

根据建筑物特点和施工要求，首先复测基准点的正确性，再进行导线控制网联测。内业资料整理、计算完后，进行闭合导线误差分析和平差，对坐标数据加以修正，得出各导线点平差后的坐标，确认误差满足规范要求后，建立施工导线控制网。

4.1.1 核心筒直柱定位

核心筒直柱安装时无任何平面结构，无法采用内控法进行轴线投测，只能采用外控法进行轴线投测。

外控法就是在高层建筑物外部，根据建筑物的轴线控制桩，使用经纬仪将轴线向上投测，又称为经纬仪竖向投测法。类似于多层建筑轴线投测，但由于高层建筑施工特点和场地情况不同，故安置经纬仪的位置也有不同。常用的3种轴线投测方法为：延长轴线法、侧向借线法和正倒镜逐渐趋近法。

1）延长轴线法。此法适用于建筑物场地四周宽阔，能将建筑物轮廓轴线延长到远离建筑物的总高度以外，或附近多层建筑物的楼顶上，并可在轴线的延长线上安置经纬仪的情况，再以首层轴线为准，向上逐层投测。

2）侧向借线法。此法适用于场地四周范围较小，高层建筑物四周轮廓轴线无法延长，但可以将轴线向建筑物外侧平行移出（俗称借线）的情况。移出的尺寸应视建筑物外侧脚手架的情况而定，尽可能不超过2 m。

3）正倒镜逐渐趋近法。此法适用于建筑物四周轮廓线虽然可以延长，但不能在延长线上安置经纬仪的情况。

4.1.2 外控网布设、投测

本工程周围场地比较宽阔，所以核心筒直柱轴线投测采用延长轴线法。当首节柱安装完成后，使用全站仪将3、C轴线精确地投测在塔楼底部并标定，如图3所示。随着塔楼不断升高，要逐层向上投测其柱轴线。具体做法如下：先将经纬仪安置在C、C＇、3、3＇的轴线控制桩上，严格对中与整平，分别以正倒镜2个盘位照准塔楼首层3、C轴线标志a、a＇、b、b＇，向上投测施工层直钢柱，取正倒镜投测点位的中点作为轴线投测的投影点，然后进行直钢柱校正。随着楼层的增高，仪器与建筑物的仰角越来越大，因此可将轴线控制桩延长到施工部位100 m外，或者使用经纬仪＋弯管目镜的方法进行轴线的投测。

图3 延长轴线法的轴线竖向投测示意

轴线投测时应注意：

1）轴线投测前应严格检核仪器，宜选择阴天及无风天气进行投测。

2）操作时仪器应仔细对中整平，以减少仪器竖轴误差的影响。

3）应用正倒镜投点法向上投测或延长轴线，以消除仪器视准轴误差和横轴不水平误差的影响。

4）轴线控制桩或延长轴线的桩位要稳固，标志要明显，并能长期保存。投测时应尽可能以首层轴线为准直接向施工层投测，以减少逐层向上投测造成的误差积累。

5）每隔5层或者10层，用正倒镜逐渐趋近法校核一次，以提高投测精度，减少竖向偏差的积累。

4.2 内控网

4.2.1 内控网布设

由于本工程先进行钢柱安装，电梯井横梁上焊接的临时工字钢井字梁平台是唯一能架设全站仪的地方，故内控点布置在首层电梯井内，在电梯井北侧、西侧分别布置后视点、检查点（图4）。

图4 内控点平面布置

在首层电梯井横梁上焊接工字钢井字梁作为架设激光垂直仪的平台，电梯井内控点布置如图5所示。在楼板上预埋钢板，等楼板结构混凝土强度达到设计要求后，进行内控点引测并复核角度、边长，经复核无误后做好标识。

图5 电梯井内控点布置

4.2.2 内控网投测

分别在首层3个内控点处安置激光铅直仪，仔细对中，严格整平，在内控点竖直方向的各施工楼层板上均预留垂准孔，在垂准孔上方放置有不同直径圆圈的激光接收靶。

为消除仪器的轴系误差，投测时采用0°、90°、180°、270°四个位置分别向上投测，将4个投测点连线相交，即可得到投测点位，一般投测2次，如果2次相关结果在限差内，则取其中点作为最终投测点。

4.2.3 斜钢柱及弧心梁定位

核心筒直钢柱、H型钢梁安装完成并连接成整体后，在电梯井梁上使用工字钢焊接的井字梁作为测量平台，将内控点引测到测量平台上。由于斜钢柱在水平2个方向都有变化，无法采用外控法投测轴线进行定位，故只能使用全站仪极坐标法放样来控制斜钢柱定位。

内控点投测完成后，在电梯井内借助工字钢井字梁架设全站仪，后视点及检查点借助悬挑钢平台进行后视、测站检核。建站完成并待角度、距离检核无误后，采用全站仪极坐标法进行斜钢柱及弧心梁的安装定位测量。

斜钢柱由于重心不在底部，故定位测量需要连续进行，直至斜钢柱间弧心梁、斜钢柱与核心筒柱间的H型钢梁焊接完成并形成一个整体后，方可停止。

4.3 高程控制网

4.3.1 高程控制点

高程控制点直接设置在平面控制点位上，高程控制点不少于2个，待首节钢柱安装完成后，将控制点高程引测至首节柱上，做好标识，引测精度不应低于四等水位，并定期进行复核。

4.3.2 高程传递

本工程的高程采用水准仪悬挂钢尺法和全站仪天顶测距法2种不同的方法进行传递，相互校核。

5 钢结构安装、测量校正施工流程

按照核心筒直钢柱、核心筒H型钢梁、外围斜柱、弧心梁的顺序进行钢结构安装校正工作。核心筒直钢柱的安装校正按照先标高、后位移、最后垂直度的顺序进行。在构件安装校正过程中，加强对相邻钢柱的监测工作，提高整体安装精度。

1）构件进场复测。在安装测量前，对柱、梁、牛腿等主要构件尺寸与中线位置进行复核，并标出构件轴线或中心线，以作安装校正用。

2）基地埋件复核。在首节柱安装前，首先确保基础混凝土达到设计强度，然后复核钢柱地脚螺栓的平面位置、高程，复核无误后在埋件上用墨线弹出轴线。

3）钢柱标高控制。钢柱的标高控制应在钢柱安装就位前完成。钢柱吊装前，根据下一节柱顶偏差值、本节柱的柱长偏差值、下节柱柱底焊缝收缩值来确定本节柱安装标高。如本节钢柱需调高，则在本节柱与下节柱的对接口间隙处垫上相应高度的垫片。应注意一次调整标高不宜过大，否则会给其他构件的安装定位带来难度。

4）位移调整。钢柱吊装前复核下节柱顶中心三维坐标，为上节柱的标高、位移预调整提供依据。钢柱对接时钢柱的中心线应尽量对齐，错边量应符合规范要求，尽量做到上下柱十字轴线重合。

5）垂直度校正。在柱、梁安装过程中，2台经纬仪＋弯管目镜分别置于相互垂直的轴线控制网上，从2个垂直方向同时测量、校正钢柱的垂直度。在焊接时随时跟踪、校正钢柱的垂直度，防止由于焊接收缩而造成柱子的偏移。

6 测量精度保证措施

1）施工控制网等级与钢结构施工要求相适应。根据误差理论分析和类似工程的施工经验，本工程平面控制网按照一级导线精度要求布设，高程控制网按照三等水准精度要求布设，确保控制网点位的精度符合要求。

2）使用相应精度等级的施工测量仪器，提高测量放线精度。

3）测量过程中严格按照相关规范进行测量，并实行复核制度，做到步步有复核，前一工序未检核合格，不进行后一步的测量。

4）须在测量前对涉及的仪器、钢卷尺等测量工具进行必要的检验，合格后方可投入到测量施工中。

5）控制点测量作业要做好书面记录，对施工过程中用的全部测设数据进行计算并复核。

6）定期复核测量控制网。

7）定期对外控用的轴线控制桩进行复核，防止因人为原因变动导致桩位位移或受破坏，影响测量的精度。

7 结语

在超高层建筑施工中，大多数采用内控法进行轴线竖向投测。轴线投测至施工楼层后，虽然对每一层边角和自身尺寸进行检测，但无法检查内控点在施工层上的位移与转动。因此，近些年来，在一些超高、造型独特的钢结构建筑轴线投测中，经常采用内、外控相结合的方法进行轴线投测。本工程即采用内、外控相结合的方法进行竖向轴线投测，并最终顺利地完成了异形扭转钢结构的测量控制任务。