变曲率曲面超高层测量控制施工工法.docx
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变曲率曲面超高层测量控制施工工法
变曲率曲面超高层测量控制施工工法
中国建筑第八工程局有限公司王涛王洪王东磊
1、前言
当前，外形新颖的超大型建筑越来越多的以地标性的建筑伫立在各个城市，伴随而来的是结构的复杂化，施工难度的几何形增长，变曲率建筑也越来越多的挑战着传统施工测量放线定位。
望京SOHO中心由三栋塔楼组成，仰视时犹如三座相互掩映的山峰，俯视时宛似游动嬉戏的锦鲤。
其独特的曲面造型使建筑物在任何角度都呈现出动态、优雅的美感。
塔楼外部被闪烁的铝板和玻璃覆盖，与蓝天融为一体。
我单位承建的望京SOHO中心T1塔楼是三栋塔楼中曲率变化最复杂的一栋，“鱼头”和“鱼尾”部分最多由十余个非同心圆弧连接组成，为了准确控制结构外轮廓边缘和铝板埋件的定位，我单位在仪器上采用全站仪与GPS前后结合应用的方式解决这一技术难题，用三合板作为侧面模板代替传统木胶板的办法处理现场施工难题。
2、特点
在单一的传统测量放线方式在超高层变曲率结构施工中存在精度差、操作复杂、费时费力的缺点，且传统测量放线需间接定位方能控制变曲率结构边缘位置。
此工法解决了传统测量放线中无法快速准确直接定位变曲率结构边缘点位、现场作业面复杂导致控制点无法通视的问题。
1、通过对施工图纸中变曲率曲面结构边缘的深化设计，优化外边缘定位点的密度与间距，达到以点带线的设计值后再进行点位放线，从根源上避免了传统测量方式中弧线误差不可控制的弊端。
2、不受现场施工情况影响，即使在不通视情况下，依然能够快速准确定位复杂结构。
3、施工过程中采用传统方式放线，全站仪符合，GPS监测模板施工等施工放线工序层层监控、多次复核实现变曲率结构控制。
3、适用范围
本工法适用于各种结构复杂，外形新颖的大型建筑结构外轮廓的控制，特别适用于体量大、工期紧、幕墙安装精度要求高的建筑。
不仅能够提高测量放线的精度与时间，还能够直接对接需要高精度测设施工的幕墙龙骨定位，节约了幕墙施工安装中重新测设的时间。
4、工艺原理
全站仪，即全站型电子速测仪，是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体，将所得数据数字化、自动存储、处理于一体的智能化测量仪器。
利用不同的测量方法可消除某些人为误差及固定误差，达到远高于传统测量放线的精度。
其数据通讯功能能非常方便、快速的完成与计算机之间的双向数据交换，进而将测量数据与其它绘图软件（比如CAD、南方CASS等）相结合，更好的完成大量数据处理。
全站仪自由设站原理利用了边角交会测量，指在待定控制点设站，向多个已知控制点观测方向和距离，按照平差要求，计算待定点坐标的一种测量方法。
该方法很好的解决了施工现场工序复杂、建筑材料堆放等因素导致的控制点无法通视的问题，合理利用现场有限空间进行作业，避免误差累积，提高了作业精度和效率。
GPS全球定位系统具备了全天候、高精度、操纵简单、测站之间无需通视等特点为控制变曲率曲面提供了新的方法。
我单位在面临望京SOHO中心T1工程超高层变曲率曲面的异形结构时，充分发挥了现代测绘的特点取得了成功应用，并形成本工法。
5、工艺流程及操作要点
5.1工艺流程
结构板边定位图纸深化设计→坐标系统转换→激光铅垂仪内控点竖向传递→全站仪楼层平面轴线定位→传统方式楼层结构板边定位→全站仪楼层平面放线复核→传统方式结构板边定位点竖向传递→GPS法模板支设复核→楼层浇注混凝土
5.2操作要点
5.2.1深化设计图
将“鱼头”和“鱼尾”部分变曲率曲面板边按照不同圆心拆分处理，形成半径不一的圆弧段。
圆弧段分别采用二分法进行深化设计，“鱼腹”和“鱼背”部分直线段定位通过两点定位。
在CAD图中连接圆弧两个端点作弦线，取弦线中点量取至圆弧距离（即最大距离），保证此距离小于限差即满足定位精度要求，达到圆弧效果，保证下一步施工。
如果此距离小于限差则保留两个端点，量取端点至轴线距离即可用作放线定位；如果此距离大于限差，则采用二分法无限逼近圆弧，连接中点与一端端点作弦线，取该弦线中点至圆弧距离，若小于限差则保留两个端点，若大于限差重复以上步骤直到满足精度要求。
图中29，30点是原设计点点位属于圆弧A2段。
通过二分法首先连接29，30点，取中间点（即最大距离）得到29
（2）点点位，由于29
（2）至29点之间最大距离大于2.5cm无法满足精度要求，仍需进一步深化。
再连接29，29
（2）点、30，29
（2）点，分别取中间点得到29
（1）和29（3）两个点位。
通过判断29至29
（1）之间最大距离满足精度要求，结束深化设计，最后得到29
（1），29
（2），29（3）三个深化设计点位。
在得到满足施工要求的点位后，进一步圆弧部分的板边定位与轴线的尺寸关系图，见下图。
同时通过大地坐标系与施工坐标系间的四参数转换求解得到深化点的施工坐标，结合所使用测量仪器，便能进行大量板边点的定位。
坐标转换公式
是平移因子，
为转角因子，
为尺度因子。
设
为旋转矩阵
，则模型变为
，
是四个转换参数。
技术要点：
1、深化设计点位应根据现场所使用材料的材质、大小将点位适当增加，以保证结构板边的美观性。
2、在进行坐标系转换时，应至少选择两个以上公共点位进行坐标转换，两公共点位应选择最长距离为宜，通过两个公共点坐标求得四参数后，利用第三个点位进行复核。
3、因变曲率曲面结构中每层结构差异较大，每层结构的不通视点会有差异，为避免不通视而导站造成的累积误差，在施测过程中要求选取最优点，将深化设计点一次性测设完毕。
5.2.2内控点竖向传递
采用激光铅直仪进行竖向内控点传递。
透明塑料薄片，中间空洞便于点位标示。
雕刻环形刻度。
第一次接收激光点。
蒙上薄片使环形刻度与光斑吻合
通过塑料薄片中间空洞捕捉第一个激光点在激光接收靶上。
分别旋转铅直仪90°、180°、270°用上述同样的方法捕捉到四个激光点
取四次激光点的几何中心即为本次投测的真正点位位置。
技术要点：
1、激光铅锤仪使用时，通过调焦设备使光斑准确聚焦，保证光斑直径不大于3mm。
2、360°旋转激光铅锤仪，取四次激光点几何中心作为内控点真实位置。
3、根据流水施工分段，每段施工至少投射3个点，作角度及距离校核后，组成闭合图形，作为楼层放线基准。
5.2.3楼层平面放线及板边控制
传统测量放线利用钢尺进行放线，适合在小范围内（3m~5m），超过钢尺有效距离极易造成误差传递，而且施工放线过程复杂，费时费力，通常需要5~6人完成大面积测量放线任务，严重影响后续施工工序的进行，对现场施工条件要求比较高，比如现场材料堆放造成钢尺无法丈量等。
传统测量放线误差累计过程：
利用内控点进行轴线测设产生第一次误差，利用轴线进行细部点测设产生第二次误差累计。
后方交会施测楼层结构板边
由于施工现场条件复杂，内控点通视过程中受到干扰，影响施工质量和进度，遂采取后方交会法施测楼层结构板边，既减少了内控点通视的影响，又避免了因转站导致的误差累积，大大提高了测量放线的精度，减少了对工期的影响，合理配置人力，提高了效率。
在通视良好的未知点P点设站，保证至少能观测到三个已知坐标点A、B、C。
通过A、B的坐标与未知点P的相互关系（角度与距离）进行坐标校正，测量C点坐标进行复核，完成后方交会自由设站，将楼层顶板板边定位点施测至本层底板，作为板边定位点竖向传递依据。
由全站仪测距得到
和
，再由A、B的坐标解算出AB的方位角
和AB间的距离
；通过余弦定理得到∠A
由测量坐标解算得到P点坐标（
，
）
其中，∠
=
图5.2.3-1全站仪放线
技术要点：
1、在进行后方交会自由设站时，应尽量选择更多的已知点，对中时尽可能使用强制对中棱镜进行对中，以减少误差，提高精度。
2、全站仪使用过程中，应根据施测环境对仪器常数进行适当调整，减少误差。
3、后视定向过程中，尽量采用正倒镜测量。
4、测设过程中应瞄准棱镜下部最底处，固定水平螺旋，旋转竖直螺旋瞄准棱镜后进行测量。
5.2.4楼层结构板边模板支设
楼层结构板边模板支设后：
根据现场实际情况，采取传统测量的吊垂线法和GPS法相结合，利用两种方法的优势，快速准确定位模板。
GPS法操作：
1、基站架设在未知点上，为更多的搜到卫星信号，保证提供足够信号强度，位置点应尽量选择在空旷地点，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过15度，避免附近出现辐射物及高层建筑等干扰因素。
同时安排专人看管基准站，防止基准站受到外来人员等干扰。
图5.2.3-2GPS采点复核
2、移动站在多个已知点上进行坐标校正，移动站在内控点上保证足够的观测历元，确保GPS解算出的坐标满足测量精度的需求，完成坐标在已知内控点上的校正。
图5.2.3-3GPS采点复核-控制点坐标矫正
图5.2.3-4GPS采点复核-移动站数据采集
3、移动站在模板边测设时接收机必须接收至少4颗卫星、卫星高度角大于等于15°，数据采集间隔大于15s、观测时间采取300s，移动站接收信号稳定形成固定解时测量结果为有效值。
测量模板边线时，需进行多个历元测量取平均值作为测量结果，保证测量精度。
图5.2.3-5板边支设效果图
技术要点：
1、吊垂线法：
精度高，操作复杂，速度慢，适合在点位密集处。
2、GPS法：
操作简单，速度快，适合在点位稀疏，周围无高大物体遮挡信号处。
3、模板支设采用易弯曲的三合板，模板边采取双层加固，在混凝土浇注过程中，安排专人对模板进行维护，防止出现跑模、涨模现象。
6、材料与设备
1、激光铅垂仪
DZJ3-L1
白天100m
1
2、徕卡全站仪
TC402
测角2″
1
测距2mm+2ppm
3、GPS一套
南方S86T
±1cm+1ppm
1
4、线垂
1
5、三合板
7、质量控制
1、为保证测量工程的施工质量，所有测量人员必须持证上岗，并严格按照测量规范进行操作。
2、施工过程中的仪器，必须经过有检定资质的检定厂家进行校检，方可投入使用。
3、深化设计过程应对点位解算、坐标转换进行复核。
4、测量放线过程中应对仪器进行必要的检查、仪器常数的校正，尽量避免导站影响测量精度。
5、模板支设过程中，应加强模板的支撑，浇筑混凝土过程中，应及时修改模板边。
表建筑物施工放样﹑轴线投设允许偏差
项目
内容
允许偏差（mm）
各施工层上放线
外廓主轴线长度L（m）
L≤30
±5
30＜L≤60
±10
60＜L≤90
±15
30＜L
±20
细部轴线
±2
承重墙、梁、柱边线
±3
非承重墙边线
±3
门窗洞口线
±3
轴线竖向投测
每层
3
总高H（m）
H≤30
5
30＜H≤60
10
60＜H≤90
15
90＜H≤120
20
120＜H≤150
25
150＜H
30
8、安全措施
1、施工人员进场时应做安全文明教育培训，合格后方可进场施工。
操作人员进入施工现场应遵守工地各项安全措施要求，必须戴安全帽，不准穿拖鞋，不准喝酒及打架斗殴。
2、测量人员在现场进行作业时，要防止仪器被碰撞，避免仪器伤害他人。
3、进行临边作业时，必须系好安全带，防止坠人、坠物等现象发生。
4、内控点竖向传递后，应将空洞进行遮挡维护。
9、环保措施
施工人员应遵守绿色文明施工要求，施工过程中应注意保护现场，避免产生垃圾，作业完成后及时清理现场。
10、效益分析
本工法通过改进传统测量模式、运用测绘新技术，在变曲率曲面的控制过程中减少了传统测量施工过程复杂性，合理配备了人力、物力资源，节约了成本，减少了传统测量放线中误差的累计，提高了测量放线精度，保证了实体结构对后续工作的影响。
通过改善施工工序，与其他工序交叉进行，避免了因大量点位控制对后续施工的影响，减少了工序之间的间歇，缩短了工期。
11、应用实例
工程实例一：
望京SOHO中心T1工程位于北京市朝阳区望京地区，东北侧为阜通西大街，东南侧为阜安东街，西南侧为望京街，西北侧为阜安西街。
建筑功能为商场、办公楼及配套设施。
工程总建筑面积191699m2，地上25层，地下4层。
整体建筑俯视为三条鱼，三座塔楼地面至屋顶，各外立面均为变曲率曲面，且地上结构25层，各层结构均有不同程度的减小（外轮廓逐层回收）。
望京SOHO中心T1工程结合传统测量放线技术，增加全站仪、GPS法测控变曲率曲面技术，采用三合板对模板进行支设，测量人员全程参与控制，保证了幕墙后续安装工作的顺利进行，为变曲率曲面结构积累了施工经验，确保了工程质量与进度，受到业主和监理的一致认可。
图11-1现场实施效果图
图11-2现场实施效果图
图11-3现场实施效果图
工程效果图1
图11-4现场实施效果图
图11-5现场实施效果图
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