建筑工程测量教案.docx

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建筑工程测量教案

建筑工程测量

课程类别：

必修课

课程性质：

专业核心课程、考试课

学时数：

156

学分：

8.5

课程的性质与任务

建筑工程测量是建筑工程技术、工程监理专业学生必修的专业技术基础课。

其作用和任务是：

通过理论教学和实验，使学生获得必要的建筑工程测量基本知识、基本理论和操作技能训练，为后续课程以及学生将来从事施工和施工技术管理等工作打下一定的基础，培养学生分析解决施工中实际测量问题的能力和基本素质。

课程的具体任务是使学生：

1．掌握测量学的基本理论，基本知识；了解水准仪、经纬仪等常用测量仪器的构造；掌握其使用方法。

2．掌握识读、绘制和使用大比例尺地形图和编绘竣工总平面图的初步技能；具有建（构）筑物的施工放样和和变形观测的初步技能。

3．具有较强的动手能力和分析解决一般建筑工程测量实际问题的初步能力。

第一章绪论

[教学目的]：

1、了解建筑工程测量的任务与内容现在与发展方向。

2、理解测量工作的基准面和地面点位确定的方法。

3、掌握高斯-克吕格正形投影的分带计算。

[教学任务与内容]：

1、建筑工程测量的任务与作用

2、地面点位的确定

3、测量工作的原则和程序

[学时]：

2学时。

[教学条件]：

多媒体教室。

§1.1测量学简介

测量学是研究地球的形状、大小确定地球表面各种物体的形状、大小、空间位置的科学。

（1）地物和地貌

1）地物——地面上天然或人工形成的物体，

包括湖泊、河流、海洋、房屋、道路与桥梁等。

2）地貌：

地表高低起伏的形态，它包括山地、丘陵与平原等。

地形——地物和地貌的总称。

（2）测量学的任务

测定与测设

1）测定——使用测量仪器和工具，

通过测量和计算，

将地物和地貌的位置按一定比例尺、规定符号缩小绘制成地形图。

2）测设

将地形图上设计的建筑物、构筑物的位置在实地标定出来，作为施工的依据。

（3）测量在国民经济建设中的应用

1）城市规划、给排水、煤气管道、工业厂房和高层建筑建设

①设计阶段——测绘各种比例尺地形图，供结构物平面及竖向设计使用；

②施工阶段——将设计建构物的平面位置

和高程在实地标定出来，作为施工的依据；

③工程完工后——测绘竣工图，供日后扩建、

改建、维修和城市管理用；对某些重要建构筑物在建设中和建成后进行变形观测，保证建筑物安全。

2）铁路、公路建设的测量工作

①测绘路线附近地形图，

在地形图上设计路线，将设计路线位置标定到地面。

②建桥前，测绘河流两岸的地形图，测定河流的水位、流速、流量与河床地形图、桥梁轴线长度，为桥梁设计提供资料，将设计桥台、桥墩位置标定到实地。

③开挖隧道前，在地形图上确定隧道位置，

计算隧道长度与方向，指示隧道开挖方向，保证隧道正确贯通。

§1.2地球的形状和大小

（1）、地球

1）南北极稍扁，赤道稍长，平均半径为6371km的椭球。

2）表面有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等，呈现高低起伏的形态。

最高处——中国珠穆朗玛峰，8844.43m2005年中国测得。

最低处——马里亚纳海沟，-10911m，1995年日本探测艇海沟号（Kaiko）测得。

3）海洋面积——71%，陆地面积——29%。

（2）地球的物理特性

1）重力与铅垂线

①重力——地球质点受万有引力与离心力的合力。

②铅垂线方向——重力方向。

2）水准面

水准面——静止不动的水面延伸穿过陆地，包围整个地球，形成的封闭曲面。

处处与铅垂线垂直的连续封闭曲面。

因高度可变，水准面不唯一。

3）大地水准面

与平均海水面吻合的水准面。

静止海水面向大陆延伸，形成的不规则的封闭曲面。

大地水准面——唯一。

§1.3测量坐标系与地面点位的确定

（1）参心坐标系与地心坐标系

物理空间——三维空间。

表示地面点在某空间坐标系的位置需三个参数；确定地面点位——确定其在某个空间坐标系的三维坐标。

空间坐标系——地心坐标系和参心坐标系。

“地心”——地球质心，WGS-84为地心坐标系。

“参心”——参考椭球中心，参心与地心一般不重合。

1954北京坐标系与1980西安坐标系属参心坐标系。

工程测量使用参心坐标系，地心坐标系与参心坐标系可以相互转换。

②大地地理坐标系

表示地面点在参考椭球面上的位置。

基准——参考椭球面和法线。

用大地经度L，大地纬度B表示。

P点大地经度L——P点大地子午面与首子午面的两面角

P点大地纬度B——P点的法线与赤道面的夹角。

大地经、纬度是根据起始大地点的大地坐标，

按大地测量所得数据推算得到。

起始大地点——大地原点，该点大地经纬度与天文经纬度一致。

我国以陕西省-泾阳县-永乐镇-石际寺村大地原点

建立的大地坐标系——1980西安坐标系。

大地原点的地理坐标约为

东经108°55′，北纬34°32′，海拔417.2m。

（3）平面直角坐标系

球面坐标对局部测量不方便，工程测量一般在平面直角坐标系进行。

地球是一个不可展的曲面，通过投影将地球表面物体化算到平面上，

一定存在变形。

案例——切橙子。

1）高斯平面坐标系

高斯投影——保持球面上的角度不变，边长存在变形，保角投影。

德国科学家高斯在1820~1830年间，为解决德国汉诺威地区大地测量投影问题，提出的一种投影方法；1912年起，德国学者克吕格将高斯投影公式加以整理扩充并推导出了实用计算公式。

使用高斯投影的国家——德国、中国、前苏联。

地球按经线划分为带——投影带；用空心椭圆柱横套在参考椭球外面；椭圆柱与某一子午线相切——中央子午线，椭球面上图形按保角投影原理投影到椭圆柱体面上；沿过南北极的母线切开椭圆柱体，展开成平面，定义平面直角坐标系。

按投影经度范围划分

①统一6°带高斯投影

首子午线起，每隔经度6°划分为一带（称统一6°带）西→东划分地球为——60个带。

带号N从首子午线开始，用阿拉伯数字表示。

第一个6°带中央子午线的经度为3°。

带号N与中央子午线经度L0的关系——L0=6N－3

已知任意点经度L，计算所在6°带的带号公式

N=Int（（L+3）÷6+0.5）

北京天安门：

东经116°23′26″，北纬39°54′27″

香港会展中心：

东经114°10′22″，北纬22°17′05″

澳门大三吧牌坊：

东经113°32′31″，北纬22°11′49″

台北中山纪念堂：

东经121°31′18″，北纬25°02′04″

保角投影——球面上的角度投影到横椭圆柱面上保持不变，但长度变长。

只有中央子午线与赤道投影后长度不变，并相互垂直。

建立的直角坐标系——高斯平面直角坐标系。

与数学笛卡尔坐标系的差异，

x轴与y轴互换位置，象限顺时针编号，我国位于北半球，x坐标值恒为正，y坐标值则有正有负，最大y坐标负值约为-334km。

为保证y坐标恒为正，我国统一规定将每带的坐标原点向西移500km，既给每个点的y坐标值加500km。

为确定投影带位置，y坐标前冠带号。

高斯投影长度变形——离中央子午线越远，长度变形越大；减小长度变形的方法之一——缩小投影带宽，经差。

②统一3°带高斯投影带号n与中央子午线经度L’0的关系——L’0=3n已知经度L，计算所在3°带带号公式n=Int（L÷6+0.5）

我国大陆经度范围——东经73°27′~东经135°09′用公式N=Int（（L+3）÷6+0.5）求出统一6°带投影带号范围——13~23用公式n=Int（L÷3+0.5）求出统一3°带投影带号范围——25~45两种投影带的带号不重复根据y坐标前的带号可以判断属于何种投影带。

③任意带高斯投影

《城市测量规范》规定——长度变形值>2.5cm/km（1/40000）可采用高斯投影任意带平面直角坐标系统，案例——广东江门中心经度——东经113°10′，位于统一3°带的38号带（中央子午线经度为114°）

中央子午线以西98km。

长度变形为1/8329>1/40000。

为使长度变形<1/40000，选择中央子午线经度=113°10′进行高斯投影；建立江门市独立坐标系；江门市区最边缘距离中央子午线23km，长度变形缩小为1/150000<1/40000。

2）大地地理坐标与高斯平面坐标的相互变换由L,B→x,y——高斯投影正算。

由x,y→L,B——高斯投影反算。

将某带x,y→相临带x,y——高斯投影换带计算。

计算公式较复杂，用光盘程序PG2-1.exe计算。

先用Windows的记事本编写一个文本数据文件。

存盘文件名的前两个字符应为da。

§1.3.2一维高程系

（1）高程定义

A点高程——A点到大地水准面的垂直距离，HA表示。

大地水准面的确定——在海边设立验潮站，长期观测，求得海水面的平均高度作为高程零点，以通过该点的大地水准面为高程基准面。

WGS-84坐标系——原点位于地球质心，z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，x轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，y轴通过右手规则确定。

§1.4地球曲率对测量工作的影响

测区范围较小，

大地水准面近似为水平面时

对水平距离和高程的影响

§1.5测量工作概述

（1）、测量的任务——测定和测设

1）测定——地物，地貌一定比例尺缩绘成地形图。

在测区布设控制点A,B,C,D,E,F，测出其x,y,H坐标，

已知点安置仪器，测量地物与地貌特征点坐标，

特征点坐标按比例尺缩小展绘到图纸。

地物、地貌特征点——碎部点，

测量碎部点坐标的方法与过程——碎部测量。

2）测设——将图纸设计的建构筑物放样到实地。

已设计出P、Q、R三幢建筑物，用极坐标法标定到实地——在A点安置仪器，F点定向，拨角β1，在该方向上量距S1

（2）结论

测定、测设在控制点上进行。

测量工作的原则——先控制后碎部

测量规范规定，测量控制网——由高级向低级分级布设。

平面三角控制网——一等、二等、三等、四等5″、10″和图根网的级别分级布设，一等网——精度最高，图根网——精度最低。

控制网等级高，网点之间的距离大、点的密度稀、控制的范围大。

控制网布网原则——从整体到局部。

§1.6测量常用计量单位与换算

测量常用角度、长度、面积

几种法定计量单位的换算关系

第二章水准测量

[教学目的]：

1、了解测定地面点高程的几种方法和原理。

2、理解在建筑工程测量中被广泛应用的视线高测量方法，转点和测站的意义。

3、掌握水准仪的基本操作程序、度数方法、记录计算和各项检验校正。

[教学任务与内容]：

1、水准测量的原理

2、水准测量的仪器和工具

3、水准仪的基本操作程序

4、水准测量方法

[学时]：

22学时。

[教学条件]：

多媒体教室。

[教学方法]：

先用多媒体理论教学，然后带领学生做室外测量练习。

高程测量——测量地面点的高程。

方法——水准测量、三角高程测量、GPS高程测量、气压高程测量、水准测量——精度最高

§2.1水准测量原理

水准仪——水平视线，读取水平视线在标尺上的读数，

水准测量方向——A→B。

A尺——后视尺，读数a——后视读数。

B尺——前视尺，读数b——前视读数。

A→B高差hAB=a－b

A点高程HA已知，求出B点高程HB=HA+hAB

视线高程Hi=HA+a

B点高程HB=Hi－b

常用于施工测量，放样点的高程。

A，B两点相距较远时，连续水准测量。

中间设置转点（TP），放置尺垫。

h1=a1－b1，h2=a2－b2，h3=a3－b3，……，hn=an－bn。

hAB=h1＋h2＋h3＋……＋hn=Σhi

hAB=Σai－Σbi

§2.2水准测量的仪器与工具

水准仪，水准尺，尺垫。

微倾式水准仪

调整微倾螺旋→管水准气泡居中→水平视线，

水准仪——望远镜、水准器、基座。

3）水准尺与尺垫

水准尺：

2m~5m，有四种类型，常用直尺。

直尺——A、B尺，两把一对，

每把有黑、红两面分划与注记。

A尺——黑面分划0~3m，红面分划4.687m~7.687m。

B尺——黑面分划0~3m，红面分划4.787m~7.787m。

A、B尺黑面注记的零点差为0，

红面注记的零点差为0.1m。

§2.3水准测量的方法

（1）水准点

水准测量等级：

一、二、三、四等与图根水准。

一、二等为精密水准测量，三四等为普通水准测量。

为统一全国高程系统和满足各种测量的需要国家各级测绘部门在全国各地埋设并测定了很多高程点称水准点（BM），分地面点与墙上点。

（2）水准路线

水准点之间进行水准测量所经过的路线。

附合水准路线，闭合水准路线，支水准路线。

检核条件——高差闭合差fh。

附合水准路线：

fh=Σhi－（HBM2－HBM1）。

闭合水准路线：

fh=Σhi－0=Σhi。

支水准路线：

fh=Σh往＋Σh返。

（3）水准测量方法

每站高差观测两次，以检核观测数据的正确性。

1）两次仪器高法

两次不同仪器高度的水平视线——

（改变仪器高度应在10cm以上）

测定相邻两点间的高差，

图根水准测量

两次高差之差应小于5mm，否则应重测。

2）双面尺法

读取每一把水准尺的黑面和红面分划读数，前、后视尺的黑面读数计算出一个高差，前后视尺的红面读数计算出另一个高差，两次高差之差应小于5mm，否则应重测。

①瞄准后视点水准尺黑面分划→精平→读数；

②瞄准后视点水准尺红面分划→精平→读数；

③瞄准前视点水准尺黑面分划→精平→读数；

④瞄准前视点水准尺红面分划→精平→读数。

上述观测顺序简称为“后—后—前—前”。

（5）水准测量成果处理

根据已知水准点的高程，水准路线高差观测值，

分配高差闭合差，计算出未知点的高程。

附合水准路线——fh=Σhi－（H终－H起）。

闭合水准路线——fh=Σhi－0=Σhi。

支水准路线——fh=Σh往＋Σh返。

图根水准高差闭合差允许值fh

平坦地区——fh允=±40√L（mm）

山地——fh允=±12√n（mm）

fh

原则：

反号，按路线长Li（平坦）或测站数ni（山地）比例分配

高差改正数Vi公式：

第三章角度测量

[教学目的]：

1、了解经纬仪的精度分级和仪器精度的概念。

2、理解水平角、竖直角的测量原理，读数和置数方法，照准目标的位置，观察限差要求，水平角观察的误差来源和消减的措施。

3、掌握经纬仪对中、整平的方法，测回法和竖直角的观测、记录和计算。

[教学任务与内容]：

1、水平角测量原理

2、光学经纬仪

3、水平角的观测

4、竖直角的观测

5、经纬仪的检校

[学时]：

24学时。

[教学条件]：

多媒体教室。

角度类型——水平角与竖直角。

角度测量——测量地面点连线的水平夹角视线方向与水平面的竖直角

仪器——经纬仪，全站仪。

水平角测量——求算点的平面位置，竖直角测量——测定高差，或将倾斜距离化算为水平距离。

§3.1角度测量的基本概念

（1）水平角测量原理

地面一点与两个目标点的连线在水平面投影的夹角，或过B，C两点铅垂面与过B，A两点铅垂面的两面角在B点水平安置刻度圆盘，（顺时针注记）测出BA方向在度盘的读数a，BC方向在度盘的读数c，水平角β=c－a

（2）竖直角测量原理

竖直面内，视线与水平线的夹角。

视线在水平线上方为仰角，竖直角>0；视线在水平线下方为俯角，竖直角<0。

铅垂面内安置一个刻度圆盘，视线水平时的竖盘读数为90°，视线倾斜时的竖盘读数为L，视线方向竖直角α=90°－L。

§3.2光学经纬仪

国产光学经纬仪型号（DadiceliangJingweiyi）DJ07，DJ1，DJ2，DJ6，DJ30，D，J代表“大地测量”和“经纬仪”，

07，1，2，6，30分别为一测回方向观测中误差秒数。

工程测量常用DJ6级。

徕卡光学经纬仪型号（Theodolite）T4（0.5″），T3（1″），T2（2″），T1（6″）

（1）DJ6级光学经纬仪的结构

方向经纬仪和复测经纬仪。

方向经纬仪——用于地表测量。

复测经纬仪——用于光线较暗的地下工程测量。

结构——基座,水平度盘,照准部

1）基座

三个脚螺旋,一个圆水准气泡——粗平仪器。

水平度盘旋转轴套在竖轴套外围，仪器固定在基座上；

2）水平度盘

圆环形光学玻璃盘片，盘片边缘刻划顺时针注记0°~360°角度值。

3）照准部

水平度盘上，能绕竖轴旋转的全部部件总称，竖轴、U形支架、望远镜、横轴、竖盘指标管水准器、读数装置，

竖轴VV——照准部旋转轴，水平度盘变换螺旋。

（2）DJ6级光学经纬仪的读数装置

度盘，光路系统，测微器。

水平度盘和竖盘上的分划线，经棱镜和透镜成像，显示在望远镜旁的读数显微镜内。

有测微尺读数装置，单平板玻璃读数装置两种。

§3.3经纬仪的使用

（1）经纬仪的安置

内容——对中，整平。

使仪器竖轴位于过测站点的铅垂线上，水平度盘和横轴处于水平位置，竖盘位于铅垂平面内。

方法——垂球对中，光学对中。

打开三脚架腿，调整长度使脚架高度适合于观测者高度，张开三角架，安置在测站上，架头大致水平。

取出经纬仪放置在三角架头上，仪器基座中心基本对齐三角架头的中心，旋紧连接螺旋。

1）垂球对中法安置经纬仪

将垂球悬挂于连接螺旋中心的挂钩上，调整垂球线长度使垂球尖略高于测站点。

粗对中与粗平：

平移三脚架，使垂球尖大致对准测站点中心，将三脚架的脚尖踩入土中。

精对中：

稍微旋松连接螺旋，双手扶住仪器基座，在架头上移动仪器，使垂球尖准确对准测站点，旋紧连接螺旋。

垂球对中误差应小于±3mm。

精确整平：

旋转脚螺旋，在相互垂直的两个方向使照准部管水准气泡居中。

2）使用光学对中法安置经纬仪

光学对中器的结构。

粗对中——手握三角架，眼睛观察光学对中器，移动三脚架，对中标志基本对准测站点中心，脚尖踩入土中。

精对中——旋转脚螺旋对中，使对中误差<±1mm。

粗平——伸缩脚架腿，使圆水准气泡居中。

精平——转动照准部，旋转脚螺旋，使管水准气泡在相互垂直的两个方向居中。

精平操作会略微破坏已完成的对中关系。

再次精对中——旋松连接螺旋，眼睛观察光学对中器，平移仪器基座（注意，不要有旋转运动），使对中标志准确对准测站点中心，拧紧连接螺旋。

旋转照准部，在相互垂直两方向检查管水准气泡居中情况否则从再次精对中开始重复操作。

（2）瞄准和读数

测角照准标志

竖立于测点的标杆、测钎、用三根竹杆悬吊垂球线或觇牌。

水平角测量，望远镜十字丝竖丝瞄准照准标志。

①目镜对光——望远镜对向明亮背景，转动目镜使十字丝清晰；

②粗瞄目标——望远镜上的粗瞄器瞄准目标，水平、垂直制动；

③精瞄目标——从望远镜观察，旋转水平、垂直微动螺旋。

④读数——打开度盘照明反光镜，调整开度和方向，照亮读数窗口。

§3.4水平角观测

测回法，方向观测法。

（1）测回法

观测两个方向之间的单角，一测回操作步骤：

盘左：

照准A点→配水平盘→读数→顺时针转C点→读数；

盘右：

照准C点→读数→逆时针转A点→读数。

测回法观测水平角的记录格式

（2）方向观测法

观测三个及以上方向用，一测回操作步骤：

选择标志十分清晰的点作零方向，如A点。

盘左照准A点→配水平度盘盘左（顺时针）：

瞄A读数→瞄B读数→瞄C读数→瞄D读数→再瞄A读数（盘左归零）。

盘右（逆时针）：

瞄A读数→瞄D读数→瞄C读数→瞄B读数

→再瞄A读数（盘右归零）。

方向观测法观测水平角记录格式

（3）方向观测法的限差

《城市测量规范》规定的限差。

照准点垂直角超过±3°时，该方向2C较差按同一观测时段内相邻测回比较。

（4）水平角观测的注意事项

1）仪器高度与观测者身高相适应；三脚架踩实，仪器与脚架连接牢固，操作仪器时，不要用手扶三脚架；转动照准部和望远镜前，应先松开制动螺旋，使用各种螺旋时，用力应轻。

2）精确对中，尤其对短边测角。

3）观测目标间高低相差较大时，更应注意整平仪器。

4）照准标志应竖直，用十字丝交点瞄准标杆或测钎底部。

5）记录要清楚，应当场计算，发现错误，立即重测。

6）一测回水平角观测中，不得再调照准部管水准气泡，

气泡偏离中央>2格，应重新整平与对中仪器，重新观测。

§3.5竖直角观测

（1）竖直角的用途

将观测的倾斜距离化算为水平距离或计算三角高程。

1）倾斜距离化算为水平距离

D=Scosα

2）三角高程计算

hAB=Ssinα+i-v

HB=HA+hAB

（2）竖盘构造

竖盘固定在望远镜横轴一端并与望远镜连接在一起，竖盘随望远镜一起绕横轴旋转，竖盘面垂直于横轴。

竖盘读数指标与竖盘指标管水准器连接在一起，望远镜置于盘左，竖盘指标管水准气泡居中时，竖盘读数应为90°。

（3）竖直角的计算

盘左竖直角：

αL=90°－L

盘右竖直角：

αR=R－270°

（4）竖盘指标差

竖盘指标差——望远镜视准轴水平竖盘读数相对于正确值（90°（盘左）或270°（盘右））角度的偏差x。

盘左竖直角：

α=90°＋x－L=αL＋x，左加；盘右竖直角：

α=R－（270°＋x）=αR－x，右减；指标差：

x=（αR－αL）/2；盘左盘右取平均：

α=（αL＋αR）/2，抵消竖盘指标差。

（5）竖直角观测

经纬仪安置在点上，量取仪器高i目标点应量取觇标高v

用十字丝横丝瞄准目标特定位置，一般为标顶hAB=Ssinα+i-v

竖直角观测手簿与计算

盘左竖直角：

αL=90°－L

盘右竖直角：

αR=R－270°

指标差：

x=（αR－αL）/2

盘左盘右取平均：

α=（αL＋αR）/2

（6）竖盘指标自动归零补偿器

仪器竖盘光路中安装补偿器，代替竖盘指标管水准器仪器竖轴偏离铅垂线的角度在一定范围内时通过补偿器能读到相当于竖盘指标管水准气泡居中时的读数

第四章距离测量与直线定向

[学习目的]：

1、了解距离测量的目的。

2、理解标准方向线有三种。

3、掌握钢尺精密量距。

[教学任务与内容]：

1、钢尺量距

2、视距测量

3、直线定向

4、坐标正、反算

5、电子测距

[学时]：

4学时。

[教学条件]：

多媒体教室。

方法——钢尺量距、视距测量、电磁波测距和GPS测量。

§4.1钢尺量距

（1）量距工具

1）钢尺——长度20m，30m，50m。

2）辅助工具

（2）直线定线

确定分段丈量的分段点在待量直线端点的连线上。

1）目测定线

2）经纬仪定线

（3）钢尺量距的一般方法

1）平坦地面的距离丈量

先量整尺段长，最后量余长。

DAB=n×尺段长+余长

需往、返丈量，返测时应重新定线。

往、返丈量距离的相对误差K=|DAB－DBA|/D≤1/3000。

例如，DAB=162.73m，DBA=162.78m，

相对误差K=|162.73－162.78|/162.755=1/3255<1/3000

2）倾斜地面的距离丈量

①平量法——吊垂球线投影。

②斜量法——量斜距，测高差或竖角化算为平距。

D=Scosα=√S2－h2

（4）钢尺量距的精密方法

一般方法量距，相对误差为1/1000~1/5000，