高层钢结构钢柱垂直度控制实时测量工法.docx
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高层钢结构钢柱垂直度控制实时测量工法
高层钢结构钢柱垂直度控制实时测量工法
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
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MicrosoftOfficeAccess软件建立Access数据库,数据库的建立及数据的添加、修改、删除等管理工作可以通过MicrosoftOfficeAccess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α1和α2，及观测标志点b的角度αb、k、b两点的斜距Skb＇及竖直角β。
图-1:
圆钢管柱中心坐标测量计算示意图
则由已知方位αkp及α1、α2可计算测站至钢管中心的方位αk；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，bc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bc相垂直方向延伸矩形钢柱宽度的一半Ｓdo即为钢柱的中心位置，Ｓdo可根据矩形钢柱的尺寸来定，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αkp及α1、α2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Ｚ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
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|△β|应小于0.0025ρ×S3/S1•S2（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间的距离，以米为单位）。
若角度偏差△β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△β、△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:
全站仪传递标高传递示意图
标高引测到施工层后，用水准仪在钢柱上放样出统一的控制线，作为钢柱安装的标高依据，水准仪只能架设在固定钢柱上的仪器托架上。
标高的传递同样不得从下层楼层丈量上来，以防止积累误差。
4.2.5钢柱垂直度校正实时测量过程
4.2.5.1钢柱垂直度校正实时测量流程图-7所示：
-
4.2.5.2安置全站仪、设置测站三维坐标并定向
在操作层上进行钢柱垂直度校正实时测量时，测站点尽可能选用从下方传递上来的控制点，当用这些控制点观测不能满足施工要求时，可以用这些控制点加密一次控制点，作为临时观测点，为保证测量精度，临时观测点不能作为再次加密控制点的依据。
临时测站点坐标的测量可以有很多种，使用不同的设备方法也不同，当使用全站仪时常用两种方法：
1）极坐标法，需在已知点上设站测量边长和角度，该种方法测量结果的误差一般不受控制点网形的影响，误差主要来自角度和边长的测量误差，一般其点位的误差可达到2－3mm，并且可以在一个测站上一次测量几个临时控制点坐标，该方法的缺点是在获取未知点坐标时需在已知点上设架设全站仪，作业时间长。
极坐标法测量过程如图-8所示。
图-8：
极坐标法测量示意图
A、B为已知点；A为测站点；P1、P2、P3为待定点
2）仪器直接放在待定点上进行距离交会（自由测站的一种方法），其点位误差同样受网形的影响很大，如图-9所示:
图-9：
自由测站示意图
A、B、C为已知点；P为待定点。
mP=SQRT
（2）*m/sin（P）
mP：
为待定点的误差；m：
为测距误差；P：
为两测量边的夹角。
当待定点位于以两个已知控制点为直径的圆周上时（即P=90。
），其误差最小，P角增大或变小都会使误差增大，当网形不好时其误差值会迅速增大，一般要求P角在120。
—60。
之间，提高P点的位角精度可增测角度P，在通视条件好的情况下，也可增测P点与另一已知点的距离PC。
一般全站仪都有自由测站的功能，有多余观测时自动进行平差处理，应熟悉仪器操作手册，明白各种仪器测量的不同之处。
虽然自由测量的精度受图形影响，但自由测站减少一个测站的工作，可以加快测量速度，只是在测量时要注意点位的选择即可大大提高精度，加快作业速度。
4.2.5.2仪器设置好后，就可以进行钢柱垂直度校正测量，测量数据是钢柱校正方向、校正多少的依据。
对于每一根钢柱，都是依据已经制订好的测量方案进行测量，在钢柱吊装前先在确定好的位置测量标志。
钢柱初步固定后，对测量标志点进行测量。
由于经过初步固定后，钢柱的垂直度偏差一般小于100mm，因此可以依据测量坐标在数据库中查找到该钢柱的相关信息，再依据相关信息计算出该钢柱中心坐标的实测值，最后计算出中心偏移与扭转偏差的大小及方向等信息。
测量前应依据规范、柱长、施工实际情况等实际情况确定各偏差量的允许偏差值，并把相关数据输入到程序，程序自行判断钢柱的各偏差值是否符合施工要求。
4.2.5.3信息及时传递给操作人员:
把上述信息传递到操作人员，指导其施工，传递信息可借助对讲机等工具。
4.2.5.4钢柱垂直度的校正是一个逐步逼近过程，可能需多次测量、校正、测量、校正……的重复过程，其垂直度才能合格。
5材料
本工法只控制产品的空间位置，没有形成最终产品的材料。
6机具设备
6．1施工机具
测量工作一般由一个小组协同完成，以一个工作小组为例，需要下表所示的机具。
施工机具一览表
序号
名称及规格
单位
数量
1
全站仪
套
1
2
便携式计算机
台
1
3
对讲机
对
2
4
可编程计算器
个
1
5
5米钢卷尺
把
2
6
红蓝铅笔
只
若干
7
工具包
个
1
8
铁锤
把
1
9
红油漆
桶
1
10
排笔
把
1
11
钢钉
盒
若干
6．2检测设备
检测设备一览表
序号
名称及规格
单位
数量
1
全站仪
套
1
2
便携式计算机
台
1
3
水准仪
套
1
4
对讲机
对
2
5
可编程计算器
个
1
6
5米钢卷尺
把
2
7劳动组织和安全
序号
工种构成
技术要求
人员数量
1
测量工程师
有较好的编程基础，有钢结构施工测量经验。
1
2
测量工
持测量员证
4
7．1劳动组织情况表（一个工作小组）
7．2安全措施
施工测量工作贯穿钢结构安装施工的全过程，测量人员除了避免自身伤害外，还应避免测量仪器的伤害。
测量施工人员除注意一般施工人员所需注意的安全隐患外，还需要注意下列情况。
7.1.1使用塔尺、花杆、长杆棱镜等金属工具应有防触电警示标记。
7.1.2测量人员在钢梁、洞口边等临边地点作业时，应有可靠的安全防护设施。
7.1.3加强对测量人员的安全教育，测量人员必须穿防滑绝缘胶鞋施工。
7.1.4当在隐蔽的角落测量时，应有专人进行安全看护。
7.1.5测量员不能离开仪器，嬉戏打闹，禁止闲杂人员围观、碰触仪器。
7.1.6携带仪器不可行走在建筑物边缘和攀爬架管等。
7.1.7测量人员不可以用望远镜直接对准太阳，在测量时不能用眼睛从前方观看望远镜。
8质量要求
8．1质量标准
对施工测量的结果，用现行有效的国家规范和行业标准进行验收，常用规范和标准如下：
《工程测量规范》GB50026-93
《钢结构结构质量验收规范》GB50205—2001
《高层民用建筑结构技术规程》JGJ99-98
《钢结构工程施工技术标准》八局企业标准ZJQ08-SGJB205-2005
8．2检验办法
利用全站仪、水准仪、钢尺等测量工具对结果进行实测实量，依据规范、标准的要求，计算出理论值与实测值的较差。
8．3质量保证措施
8．3．1必须严格按规范要求操作，并认真执行现场方案及规范所要求的各项测量技术、验收程序。
8．3．2为防止视线过长，目标模糊、晃动等影响，当土建施工到一定高度时（一般100米左右），把基准控制点向上转置，严禁逐层传递。
8．3．3每一道测量工序完成后，必须按三级验收制度执行，自检合格后方可上报监理工程师复验，合格鉴认后方可进入下道工序施工。
8．3．4班组施测前，做好技术交底工作，技术主管对整理的测量成果必须进行会审，并做好上记录、施工日志。
8．3．5测量放线前后，及时对测量仪器进行检验，确保仪器在状态良好的情况下运行。
8．3．6工程中所有距离丈量所使用的钢尺或全站仪，其尺长必须以同一把钢尺作为比较，最好用同一制造厂的同一批产品，并在同一计量所检定。
9效益分析
9．1经济效益分析
与传统的钢柱垂直施工测量方法相比较，本工法在经济效益方面有下面几方面的不同：
本工法在前期数据准备及程序编写调试需要比传统方法多用一名测量工程师10天的时间；
传统方法是平面施测与高程施测分开完成，而本工法平面施测与高程施测同时完成，节约测量时间三分之一；
传统的方法在钢柱垂直度控制时需要两个测量小组同时进行，而本工法只用一个测量小组就可单独完成，节约测量时间三分之一。
因此本工法与传统方法比较，测量效率高一倍，成本减少一半。
传统测量方法与本工法成本比较表
比较项目
单位成本
传统方法每天成本
本工法每天成本
内业计算
一名测量工程师每天费用200元
0
200×10=2000元
外内施测
一个测量小组每天的国家定额费用2000元，企业内部费用为1000元
1000×1×1=1000元
1000×0.667×0.667=445元
若钢结构安装工期为1个月，节约的费用：
（1000-445）×30-2000=14650元
若钢结构安装工期为6个月，节约的费用：
（1000-445）×30×6-2000=97900元
若钢结构安装工期为12个月，节约的费用：
（1000-445）×30×12-2000=197800元
9．2社会效益
本工法施工时可以减少钢柱垂直度校正的时间，加快整个钢结构安装的进度,为工程的按时竣工提供可靠的技术保证,从而提高人们办公、生活的质量,为整个社会经济发展多作贡献。
测量过程代替放样过程,测量精度提高，减少了测量误差，提高了钢结构以及建筑物的质量等级。
本工法若能在山东省范围内得到推广，必将提高全省高层钢结构的安装测量水平，为行业的进步做出贡献。
10应用实例
10.1北京大学医院病房楼工程的结构形式为钢框架—剪力支撑全钢结构体系，地下三层，地上二十层，标准层层高3.6m，总高77.3m，钢柱结构形式为钢管柱及箱型柱。
已竣工，并荣获北京市长城杯。
10.2郑州蓝码大厦工程位于郑州市郑东新区CBD外环A-2地块,为超高层写字楼，属于一类建筑，总用地面积0.571公顷，总建筑面积60130平方米。
地下三层，地上三十层，局部25层，主体檐口高度为120米。
10.3南京新地中心工程位于南京市河西新区中央商务区内。
主楼结构为框筒结构，框架为钢结构、钢管混凝土柱结构，核心筒为剪力墙结构，楼板为压型钢板-钢筋混凝土组合楼板结构。
本工程地下2层，地上55层，建筑总高度232米，标准层层高4米。
10.4青岛万邦中心是带伸臂桁架并结合巨型支撑的型钢混凝土组合框架-混凝土筒体混合结构，结构高225米，地上51层。
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