第九章 测量.docx
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第九章测量
第九章大型延性多面体钢结构快速定位测量系统
第一节工程概况及特点、难点分析
一、工程概况
本工程屋面及其支撑墙体结构为新型延性多面体空间钢框架结构，整个结构为立方体，平面尺寸177.338×177.338m，结构墙体底标高+1.059m，屋顶标高+30.587m。
外墙结构的围合厚度为3472mm，内墙为3472mm和5876mm两种，屋顶结构为7211mm。
墙体和屋面结构共有9843个球形节点、20670根杆件，节点位置极不规则。
传统的二维图形是标示不出每个节点的实际位置。
只有通过三维坐标才能标示出每个节点的实际位置。
二、工程测量特点难点分析
1、工程建成后用于2008年奥运会游泳、跳水、花样游泳、水球等比赛用馆，结构形式复杂多变，各分部分项工程精度等级高。
2、施工周期长，时间跨度大，分项工程多，工序交叉多，控制点使用频率高，必须建立长期稳定、统一的测量控制体系。
3、钢结构空间变化多，组合形式极不规则，膜结构安装精度高，对测量精度要求非常高。
4、钢结构部分安装时间紧，如何确保9843个球形节点、20670根杆件高质高效安装，要求测量必须具有高效的技术保障。
5、层间标高变化多，跳跃大，没有规律。
6、内业计算和外业施测工作量巨大，数据处理演算方法、测控方法的选择，放样工具的选择，直接决定测量放样的精度和速度。
第二节钢结构安装过程中的测量与控制
一、工程对测量的要求
1、一套系统长期稳定可靠的测控体体系，是所有测量工作的首要前提。
2、制订经济、合理、可靠、高效的测量方案，针对性强、现场可行性强快捷的测控方法及符合工程精度要求和实效要求的测量设备，是测量工作正常进行的可靠保证。
3、工序衔接紧凑，钢构件多，安装时间紧，要求测量工作必须快捷、准确，不能因为测量工作的延误或失误造成窝工、返工。
必须建立高效率的测量管理体系和质量控制体系。
4、必须配备理论基础扎实，实操技术丰富，计算思维缜密，能完成工程中的各种复杂计算的高素质测量人员。
二、工艺流程
测量前方案论证→计算各样点坐标并存入全站仪内存建立数据库→平面控制测量→高程控制测量→球节点三维空间定位测量→杆件就位测量→三维空间位置复测校核
三、工艺原理
将杆件节点三维空间坐标分解为二维平面坐标和高程，采用高精度的Leica全站仪对节点进行平面定位测量，采用高精度水准仪控制其高程，在球节点上分解出球与众多杆件的连接点，标出记号，既可进行杆件安装，按照节点球上标记安装杆件；保证杆件中心线过球中心。
针对多面体结构的特点，在具体安装过程中，工程技术人员发挥其聪明才智，利用空间几何原理，对每个多面体部分节点进行准确测量安装定位后，其余节点很简捷的即进行了定位，具体原理如下：
根据空间几何理论：
如果在一个封闭几何平面的一个边线在另外一个平面上，并以这个边为轴进行转动，如果该平面不在转动轴上的任何一个点对于另外一个平面的垂直距离确定的话，那么该平面上的其他点对与另外一个平面的垂直距离也同时可以确定，反之亦然。
如下图：
平面1...............墙体内外表面或屋面下弦平面
平面2...............空间12或14面体的一个面
P1—P5..............多面体一个面上节点
L1.........多面体一个面上的节点到墙体内外表面或屋面下弦平面的垂
直距离
P6.............多面体一个面上的节点在平面投影点
L2L3............多面体一个面上的节点在平面投影点到水平多边形一
个边的垂直距离
G1...................P5与P2之间的杆件
因此在钢结构安装先由墙体或屋面的平面开始,按照上述几何理论进行空间节点与杆件的安装。
1、首先进行墙体内外表面或屋面下弦平面杆件的定位安装，在此基础上进行空间节点与腹杆杆件的安装
2、将已经组装好的单杆+球的小拼进行安装（此时球节点为图中P5，杆件为G1），由P5节点吊线坠，与P6点重合，测量L1、L2、L3的长度是否与理论值相符，调整符合后将球杆小拼中的G1杆件与平面1中的P2节点定位焊接牢固，空间球节点P5位置已经确定。
由此在平面1上的P1、P2与空间的P5点已经确定了平面2的空间位置。
3、以上述做法可以将多面体的一个面上所有节点空间位置确定。
当多面体3、4个平面确定后，整个多面体节点与杆件即可确定安装成型。
四、延性多面体空间定位工艺特点
1、作业效率高
国家游泳中心工程钢结构球节点9843个，采用常规方法每天只能测量校正5～6个球节点，效率很低，不能满足钢结构工程安装需求。
采用本测量方法，球节点测量安装速度每天可达到60～70个，加快了工期进度，按期完成了工程任务。
2、操作简便
本测量作业操作简便，与钢结构安装人员配合简便有效，及时满足现场钢结构安装需要。
3、精度高
由于全站仪与计算机实现双向通讯，测量数据自动传输到全站仪内存，系统实时计算出点位坐标和偏差信息数据，保证杆件节点连接安装的准确性。
4、设站灵活
因为全站仪设站灵活，可以在不同的现场条件下选择最佳位置设站，减少其它工序对测量的干扰，反之也减少了测量对其它工序的干扰。
五、测量前方案论证
钢结构安装的关键是要保证球节点位置准确和节点与杆件的准确连接，节点定位测量的重点就是保证杆件中心线通过球中心点。
钢结构三维空间定位测量思路：
采用高精度测量仪器进行球节点的空间三维定位，将复杂的三维节点坐标分解为二维平面坐标和高程，首先进行平面定位，然后通过高程确定节点的准确空间位置。
按照节点球上标记安装杆件，保证杆件中心线过球中心。
1、精度分析
在钢结构定位测量中，影响定位测量精度的因素主要是测角误差和测距误差。
采用标称精度为1″2mm+2ppm的全站仪，设控制点至放样点距离为D=80m，方位角为α=40°，观测竖直角β＝2°，则放样点的点位误差计算：
放样点X方向精度：
放样点Y方向精度：
设站点的点位误差在2mm时，放样点的点位误差：
精度分析说明，选用的仪器设备和测量放样方法切实可行，放样点的点位精度满足施工精度要求。
2、杆件中心线过节点球中心的试验论证
⑴现场试验过程
在安装平台放样节点1和节点2的平面位置中心，两中心相连即为杆件的设计位置平面投影线，安装固定1号球节点，按照节点球上标记连接杆件，安装固定2号球节点。
球节点与杆件连接点放样
按连接点标记安装固定杆件
⑵试验结果数据比较
经试验比较，杆件轮廓线设计值与实测值差1mm，1号球弧长设计值比实测值小1mm，2号球弧长设计值比实测值大1mm，证明杆件中心线穿过两端球中心，符合施工精度要求。
⑶试验结论
经试验证明，采用“钢结构三维空间快速定位测量施工方法”的定位测量方法，满足钢结构杆件中心线穿过两端球中心的精度要求，是切实可行的。
3、计算各放样点坐标并存入全站仪内存建立数据库
以放样节点1、节点2以及中间连接杆为例：
要计算出杆件与球体接触面的弧长、两端节点球顶点高差、相邻球节点平面投影相对距离、相邻球节点相对距离等数据，并将此数据与控制点坐标数据输入全站仪内存。
钢结构杆件与两端节点球数据计算
杆件与1号节点球连接点1之间弧长△L1
△L1=2×л×R1×α1÷360
杆件与2号节点球连接点2之间弧长△L2
△L2=2×л×R2×α2÷360
杆件两端节点球顶点高差△Z
△Z=Z2-Z1+R2-R1
相邻球节点平面投影相对距离计算
相邻球节点平面坐标增量
相邻球节点平面投影相对距离
相邻球节点相对距离计算
六、平面控制测量
1、控制坐标系的确定
本工程坐标系
测量坐标系
2、组织实施过程
⑴针对建筑工程施工的实际情况，通常采用导线测量的方法建立平面控制网。
⑵为保证控制点的相对精度，导线边长相对中误差应控制在1/40000以上。
导线点相互之间距离不应太远，导线平均边长控制在100m。
⑶导线点要根据现场实际情况布设，导线点与放样点的距离宜控制在80m之内，最远不应超过100m。
国家游泳中心工程屋面控制点布置图：
⑷导线等级采用《建筑工程施工测量规程》DBJ01-21-95中的一级导线，导线角度和边长各观测二个测回。
⑸导线水平角观测一般采用方向观测法。
当导线点上只有两个方向时，以奇数测回和偶数测回分别观测导线前进方向的左角和右角，观测右角时仍以左角起始方向为准变换度盘位置。
⑹采用全站仪观测水平角，各测回间可不配置度盘。
⑺导线边长测量，各测回间应重新照准目标，每测回三次读数。
各测回间平均值的较差应小于3mm。
⑻导线内业平差采用严密平差方法计算。
七、高程控制测量
1、针对建筑工程施工的实际情况，通常采用水准测量的方法建立平面控制网。
2、水准测量等级采用《建筑工程施工测量规程》DBJ01-21-95中的四等水准，中丝读数法，每站观测顺序为“后－后－前－前”。
3、水准测量采用附合水准路线，每一测段测站数应为偶数。
4、水准测量应在成像清晰、稳定时进行，同一测站不应两次调焦。
八、球节点三维空间定位测量
在进行球节点空间三维定位时，首先将三维坐标（X、Y、Z）分解为平面二维坐标（X、Y）和高程坐标（Z），采用全站仪自动测量对节点球中心（X、Y）进行平面定位。
采用水准仪对球节点进行高程（Z）定位。
在控制点架设全站仪，并后视另一控制点，锁定全站仪制动螺旋。
全站仪后视并锁定制动螺旋
将控制点坐标、放样点坐标等计算数据输入全站仪内存，调用全站仪内置程序自动计算控制点至各放样点的方位角、距离等测量数据。
启用全站仪自动跟踪测量程序，松开全站仪制动螺旋，全站仪自动测量放样点并指挥安装人员安装球节点。
采用水准仪测量球节点高程，并将节点球调整到设计高度。
九、就位测量
节点球吊装前对节点球进行编号，根据球半径R和杆件投影计算杆件与节点球连接角度、弧长等数据，并在球面上放样杆件与节点球连接点并做好标记。
球面放样连接点并标记
节点球安装就位后，依照编号一一对应连接点标记安装连接杆件。
1、三维空间位置复测校核
为保证杆件中心线准确通过节点球中心，分别复测相邻节点的距离和高差。
使用50m钢尺丈量相邻节点的相对距离，读数到mm。
使用水准仪测量相邻节点的高差，读数到mm。
2、人员与设备
⑴人员
高级工程师1名，负责整体测量方案策划，施工组织管理。
工程师2名，1人负责现场测量技术管理，方案深化，数据准备；1人负责现场作业组织管理，现场安全、质量管理。
助理工程师2名，分别负责平面坐标定位测量与高程定位测量；
作业人员15名，负责现场测量作业，根据工程进度和测量工作量多少增减数量。
⑵设备组织
①主要仪器设备，各种仪器设备经检定合格并在检定有效期内。
序号
名称
型号
精度指标
数量
1
全站仪
LeicaTCRA1201
1″2mm+2ppm.D
2
2
经纬仪
Topcon
2″
6
3
水准仪
Topcon
2.5mm/km
6
4
钢尺
50m
1mm
6
5
铝合金塔尺
5m
1mm
6
6
盒尺
5m
1mm
12
7
线坠
10
8
墨斗
6
9
对讲机
12
②全站仪的主要性能
全站仪型号为LeicaTCRA1201，主要技术性能指标如下：
序号
项目
技术性能
1
仪器精度
1″2mm+2ppm.D
2
角度测量
绝对条码对径度盘连续测角，精度1″，最小显示0.1″
3
距离测量
同轴红外相位测量，精度2mm+2ppm，最小显示0.1mm
4
无棱镜测距
无棱镜测距最大测程300m
5
补偿器
集成液体双轴补偿，补偿范围4′
6
望远镜
放大倍数30倍
7
作业环境温度
-20°C至+50°C
8
自动跟踪测量
EGL电子导向
9
内存
128M内存，RS232输出
⑶质量控制
质量要求按《建筑工程施工测量规程》DBJ01-21-95和《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205－2001等规范执行。
导线的主要技术要求
等级
导线长度km
平均边长m
测角中误差″
边长
相对中误差
全长
相对闭合差
方位角闭合差″
一级
2.0
100
±5
1/40000
1/20000
±10
注：
n为测站数
水准测量的主要技术要求
每千米高差中数偶然中误差mΔ
mm
仪器型号
水准标尺
与已知点联测次数
往返较差、附合线路或环线闭合差mm平地
±5
S2.5
双面
往、返
±4
注：
n为测站数
节点球支承面顶板、节点球位置的允许偏差（mm）
项目
最大允许偏差
支承面顶板
位置
15.0
顶面标高
0
－3.0
顶面水平度
L/1000
节点球
中心偏移
±5.0
钢结构安装的允许偏差（mm）
项目
最大允许偏差
纵向、横向长度
L/2000，且不应大于30.0
-L/2000，且不应大于-30.0
支座中心偏移
L/3000，且不应大于30.0
周边支承相邻支座高差
L/400，且不应大于15.0
支座最大高差
30.0
多点支承相邻支座高差
L1/800，且不应大于30.0
注：
L为纵向、横向长度；L1为相邻支座间距。
第三节效益分析
一、施工作业效率高
采用“钢结构三维空间快速定位测量方法”，与常规测量方法相比，平均安装一个球节点的时间节省了80%左右，大大加快了施工进度。
国家游泳中心工程共有钢结构球节点9843个，采用本方法施工，对这一规律性很差的大体量钢结构工程保质如期完成提供了有力的测量技术保障。
二、设备投入少，成本大幅降低
采用“钢结构三维空间快速定位测量方法”，全站仪等主要设备的投入降低了80%，节省了设备投入，原计划投入全站仪10～15台，工艺改进后实际投入2～3台。
国家游泳中心工程钢结构测量费用预算160万元，工艺改进后降低到90余万元。
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