超大面积异形曲面结构测量控制方法

张志强（上海建科工程项目管理有限公司，上海 200032）

0 引言

2021 年第十届中国花卉博览会主场馆之一的世纪馆主体结构，采用复杂双曲面混凝土预应力薄壳结构形式。其外形为蝴蝶状结构，两翼、核心筒竖向设置的框架剪力墙及展陈墙体均为不规则的异形墙体。这种独特的造型使得测量放线复核难度较大。本文主要介绍了结合异形空间测量技术的大型复杂异形结构工程测量方法的技术特点、适用范围、测量过程及操作要点。通过采用更加科学的测量方法，使用精度合格的测量仪器，结合软件 AutoCAD 的制图优势，虚拟建筑实体，测量放样数据从虚拟实体而出，可以免去复杂众多的数据计算，避免大量数据输入和记录失误而导致错误。经大量实践证实，本文所介绍的测量方法适用于目前行业中大部分的建设工程，尤其对于结构较为复杂的工程项目，可以节省大量人力物力，以取得更为良好的经济效益和社会效益。

1 工程概况

花博会世纪馆总占地面积约为 20 000 m2，其中建筑面积达到 12 000 m2。其基础形式为承台+钻孔灌注桩，主体结构 1 层，层高 2 m～15 m，北高、南低，状似一只刚刚飞起的蝴蝶，结构形式采用摇摆柱+剪力墙+预应力钢筋混凝土屋面薄壳结构，该结构外形复杂，也是该工程项目的建设重点。设计世纪馆的目的在于建造一个“展现大国风范的珍惜木本花卉展馆”，世纪馆是本届花博会的“镇园之宝”，在花博会中具有重要地位。在世纪馆中，植物实体展示与专业人员的讲解通过多媒体展示的形式呈现在人们面前。花博会世纪馆工程总平面图，如图 1 所示。该馆可以将教育、展示等功能融为一体，通过工作人员的互动使观众参与其中，最终给观众带来沉浸式的观感体验，彰显人与自然和谐共生的永恒主题。

图1 花博会世纪馆工程总平面图

2 测量控制方法

2.1 首级平面控制网测量

在构建首级平面控制网时采用业主单位交桩的 HB1、HB2、HB3、HB4、HB5 等控制点，作为二级平面控制网建立和复核的基础。业主单位交桩的平面控制点必须在进场后进行复核计算误差，并将成果呈报给监理审查。若复核结果超过限值，应立即以书面形式呈报监理，由监理及时汇同业主和控制网测绘单位协商确定解决方案。在复核达到规范技术要求之后，可定期进行复测。

2.1.1 二级平面控制网测量

为了达到精度更高的目的，在进行二级平面控制网的布网时必须以首级控制网的各个控制点为依据，并以此为基准建立下一级的平面控制网。二级平面控制网各个控制点的布设位置经测量人员现场踏勘后确定设置，与业主提供的控制点形成闭合网。外业测量结束后对测量数据进行闭合和平差，满足规范要求后报监理进行复核验收。

2.1.2 控制网测量技术要求

二级和三级平面控制网按照四等导线精度进行布网观测。水平角观测采用方向观测法，按照规范技术要求进行仪器操作并做好记录，方向观测法的技术要求应满足表 1的数据要求。

表1 水平角方向观测法的技术要求表

采用全站仪进行测距时，必须对仪器进行校正。记录仪器的各项指标、采用的全站仪等级以及总测回数，应符合相关规定（见表 2）。

表2 仪器等级及测回数精度表

2.1.3 平面控制网数据处理

由于首级加密网(边角网)中共观测了 18 个观测值(其中方向数 12 个，测边数 6 个)，首级加密网总点数为 5 个，已知控制点数 2 个，故有 7 个多余观测数，因此在数据处理中采用边角网严密平差，获取各控制网点的点位坐标最或然值及点位精度，误差椭圆等精度指标。

2.2 首级高程控制网测量

同样的，在构建首级高程控制网时采用业主单位交桩的 HB1、HB2、HB3、HB4、HB5 等高程控制点为基准，对业主交桩高程控制点以二等水准测量的技术要求进行复核计算误差，并将成果呈报给监理审查。若复核结果超过限值时，应立即以书面形式呈报监理，由监理及时汇同业主和控制网测绘单位协商确定解决方案。在复核达到规范技术要求之后，可定期进行复测。

2.2.1 二等高程控制网测量

二等高程控制网设置在施工现场内，作为施工测量所需的高程控制点。在对二等高程控制网进行施测时，应基于首级高程控制网，采用二等水准观测精度。随着时间的推移与建筑物的不断升高，总荷载的不断增加，建筑物会产生沉降。因此，要定期进行复测，及时进行高程修正，并报监理进行复核验收。

2.2.2 二等高程控制网测量技术要求

二等高程控制网测量技术要求，如表 3 所示。

表3 水准观测的主要技术要求

2.3 施工测量放样

2.3.1 平面测量放样方法

平面测量放样以业主单位提供的工程施工设计图纸和电子版图纸为依据，采用 AutoCAD 将电子版平面图利用命令等方式归化到设计坐标位置，点击菜单栏“查询”→“定位点”，在 AutoCAD 界面中使用鼠标点击标记出需要放样的碎部点，在命令窗口会显示指定点的坐标值。按此方法得出所需超大面积不规则平面曲线、异形曲线等细部放样碎部测量点坐标值，用 Excel 表格汇总整理打印出来，在施工现场采用全站仪极坐标等方法把测设（放样）点的平面位置放出来。对于放样点坐标结构形状复杂可以比较直观地掌握施工图纸。除此之外，利用 AutoCAD可以构建三维立体图形的特点，还可以解决在外业测量中遇到的诸多问题，来减少工作量。

2.3.2 标高测量控制方法

由于屋面为超大面积双曲面造型，标高控制难度大，为保证标高的控制，在塔吊塔身、结构筒体和钢柱上每隔一米做上标记，便于钢管标高的初步调整，最后用卷尺、激光测距仪等对主要的控制立杆进行精确调整。

（1）标高选取。利用施工设计图纸结合电子版图纸为依据，根据 Rhino 模型通过软件，按照排架最大间距800 mm× 800 m 来设置，输出排架立杆坐标及标高数据，在通过 Rhino 软件在模型上绘制出等高线，根据等高线的密度将标高划分为 A、B、C 三个区域（如图 2 所示）。

图2 Rhino (等高线)标高分区图

（2）标高分析。A 区 20 m 范围内高差约 2 m；B 区20 m 范围内高差约 1 m；C 区 20 m 范围内高差约 0.5 m，针对 A、B、C 三区，分别制定不同间距的控制立杆，控制轴线为 20 m × 20 m，排架施工时严格按输出排架立杆坐标及标高数据施工，确保现场立杆数据与模型一致。A 区20 m范围内设置 5 根控制立杆；B 区 20 m 范围内设置 4根控制立杆；C 区 20 m 范围内设置 3 根控制立杆；三个区域控制立杆及两区交接处立杆涂上红漆与其他立杆区分，施工时两根控制立杆之间绑上控制线，根据各区块的曲率调节其余立杆的标高，保证立杆标高的顺滑连接。

（3）在清水混凝土壳体结构施工前，根据建立的精确的平面控制网和高程控制网，从地基向上逐层检查调整。在保证轴线垂直、尺寸准确的基础上，布设清水壳体边线、模板边线、孔位线进行水准测量抄平，以保证壳体模板标高和立杆标高的准确性。

2.4 施工测量放样点理论值计算

通过一般的测量计算方法就可以满足桩基和承台等规则整齐的放样任务。重点问题在于墩柱、底梁、横梁等复杂构件。对于复杂一些的放样任务来说，要找出其变化规律，并根据变化规律来计算。假设X桩号已经被确定并且根据测量的Y桩号来计算对应的标高H，可以使用 AutoCAD 软件中构造的 3D 图形辅助计算更为简捷。在经过Z轴的平面上，对不在同一直线的点进行剪切，在命令窗口中输入查询高程的命令，以此解决施工放样中计算复杂构件的坐标和高程，极大地提升了作业效率。

2.5 辅助工程量计算

在施工管理中涉及工程量的计算，不规则形体要精确计算工程量相当烦琐，且不易做到；我们可以通过建立AutoCAD 三维立体图，在命令窗口输入相应的命令，来计算出我们所需要的值，如角度、面积、体积等。不规则的土石方工程量是较难计算的，我们可以通过外业实地测量获取数据，将坐标值输入 AutoCAD 中，最终计算出工程量。

3 结语

随着时代的发展，人们对建筑物的要求越来越严格，规划设计的建筑物不仅要满足日常生产生活的需要，还要更加的美观、新颖。相应的，为了满足客户的需要，工程测量技术也应该做出革新来适应当前的发展趋势，可以利用 AutoCAD 构造三维立体图形、结合 Rhino 等软件使大面积异形曲面复杂结构施工测量更加便捷高效。