1、高層鋼結構鋼柱垂直度控制實時測量工法編寫單位：中建八局青島公司劉寶忠前言隨著建筑市場的發展以及建筑水平的提高，高層和超高層鋼結構建筑逐步增多。在鋼結構工程安裝過程中，施工測量是一項專業性較強又非常重要的工程，測量精度的高低直接影響到工程質量的好壞， 測量效率的高低又直接影響到工程進度的快慢，因此安裝測量技術的高低是衡量鋼結構工程施工水平的一項重要指標，而鋼柱垂直度的控制又是高層鋼結構結構施工測量的重點和難點。高層鋼結構鋼柱垂直度控制實時測量工法是我們在長期高層和超高層鋼結構施工測量放樣實踐中，充分利用免棱鏡全站儀、便攜式計算機（或可編程計算器）的性能， 通過對傳統的施工測量方法進行研究改造，形

2、成的針對高層鋼結構工程施工測量放樣的施工工法。該工法的關鍵技術是平面控制點豎向高精度向上傳遞技術、鋼柱中心實際位置的間接測量及理論位置數據庫建立技術、計算機與全站儀進行數據實時通訊技術。該工法是在北京大學醫院病房樓、 鄭州藍碼大廈、南京新地中心及青島萬邦中心施工測量放樣經驗的基礎上形成的。用這種測量方法對高層鋼結構鋼柱安裝過程進行控制， 測量人員為鋼柱安裝人員提供的數據時間短，精度高。 南京新地中心工程的鋼柱節垂直度及建筑物全高垂直度經評估和鑒定， 完全符合鋼結構驗收規范的要求。質量評定等級為合格，觀感達到“好”的要求。在此， 我們編制此工法，希望它能夠為以后高層鋼結構的施工測量提供指導作用。

3、該工法于2008年 3月被認定為中建八局企業工法。1 特點傳統的鋼柱垂直度控制方法是先在施工操作面上放樣出柱網的縱橫軸線，再利用兩臺經緯儀從兩個近似相互垂直的方向對一根鋼柱進行測量控制，這種方法投入測量人員多，結果反饋到鋼柱校正操作人員的時間長，經緯儀架設位置限制較多。本工法所采用的施工測量方法，是充分利用免棱鏡全站儀的免棱鏡測距性能，測量鋼柱立面某些特定點的三維坐標，測量值傳遞到便攜計算機，程序依據鋼柱的幾何形狀，間接計算出鋼柱的中心偏移量及鋼柱的扭轉偏差值， 同時可以得出鋼柱的標高偏差值。因此利用本工法進行鋼柱的垂直度控制測量，可以縮短施工前的軸線放樣的時間，減少測量工作的勞動強度，減少測

4、量結果的反饋時間，提高鋼柱的安裝質量。2 適用范圍高層鋼結構鋼柱垂直度控制實時測量工法適用于所有柱子安裝的垂直度控制測量及質量檢測驗收，特別是許多非水平、非垂直的特異構件安裝過程中的施工測量及質量驗收。3 工藝原理高層鋼結構鋼柱垂直度控制實時測量工法的工藝原理是：由于鋼柱安裝垂直度校正時，鋼柱頂端不方便安設全站儀的反射棱鏡， 為此充分利用免棱鏡全站儀的免棱鏡測量性能，快速測量鋼柱頂端特征點的三維坐標，并把測量信息通過數據線實時傳輸到便攜式計算機中。在施工測量前的準備階段，應認真分析圖紙，建立合適實用的建筑物坐標系，收集各鋼柱的中心坐標、鋼柱編號、截面大小及定位角度等相關信息，并建立數據庫。當測

5、量結果被程序接收后， 程序依據測量點坐標信息自動查找測量鋼柱的編號，找到相關信息， 并計算出該鋼柱中心偏移量及鋼柱的扭轉偏差值等鋼柱安裝校正所需的相關信息，及時把相關信息反饋給施工人員作為鋼柱垂直度校正的依據。4工藝流程及操作要點4.1 高層鋼結構鋼柱垂直度控制實時測量工法施工測量流程 安置全站儀才測量特征點坐標f分析計算一信息及時傳遞給操作人員鋼柱安裝校正后，再一次觀測循環4.2 高層鋼結構鋼柱垂直度控制實時測量操作方法1 .2.1分析計算、通訊程序編寫1.1.1.1 收集編程資料：編程的基本資料包括鋼柱編號、鋼柱中心坐標、截面形狀、截面大小及定位角度等描述鋼柱外部形狀及空間 位置的相關信息

6、以及全站儀的指令碼資料，為使測量人員提供的數 據使用方便，程序編寫前還應與鋼柱安裝校正施工人員多次溝通， 與鋼構件加入人員溝通，相互提供對方所需要的資料。收集鋼柱相 關資料的過程還應包括對設計數據正確性復核計算過程，并對數據 進行分類編碼。1.1.1.2 編寫程序：按程序功能不同可把程序分成三個主要模塊， 基礎數據管理模塊；計算機與全站儀之間進行實時數據通訊模塊； 鋼柱中心偏移量及鋼柱的扭轉偏差值分析計算模塊。1）基礎數據管理模塊：由于數據關系比較簡單，基礎數據的管 理可以利用 Microsoft Office Access 軟件建立 Access數據庫， 數據庫的建立及數據的添加、修改、刪除

7、等管理工作可以通過Microsoft Office Access軟件直接進行，也可以通過 VB等常用的編程軟件，自己編寫符合自己要求和習慣的程序界面，以方便自己的工作。基礎數據內容一般包括鋼柱編號、鋼柱中心理論坐標、截面形狀、截面大小、截面變換位置、定位方位角及鋼柱觀測標志點的理論基礎坐標等描述鋼柱外部形狀及空間位置的相關數據。2 ） 計算機與全站儀之間進行實時數據通訊模塊: 不同廠家的全站儀有不同的指令碼體系，同廠家的不同型號全站儀的指令碼也不完全相同，因此編寫程序前必須熟悉各個命令的意義。計算機與全站儀一般通過串行端口進行數據交換，編程前也應熟悉操作串行端口的編程語句。另外需要準確確定計算

8、機發出測量指令后，儀器測量、 到測量結果發送到儀器緩存區的時間間隔，并在程序中設置等待時間，確保接收指令發出后，所需的測量數據已發送到儀器緩存區，否則將會得不到結果。3）鋼柱中心偏移量及鋼柱的扭轉偏差值分析計算模塊：此模塊的主要計算模型如下。（ 1 ）鋼柱中心坐標的間接測量鋼柱的截面形式多種多樣，但最基本的截面形狀有兩種，一種是圓形鋼柱，一種是矩形鋼柱。無論是圓形鋼柱還是矩形鋼柱一般都無法直接觀測柱頂與柱底中心，因此只能通過測量其他特征點的坐標， 來間接計算中心點的坐標，下面分別闡述圓形鋼柱及矩形鋼柱中心坐標間接測定和計算方法。其它截面類型的鋼柱可以做適當改變，轉化成這兩種截面類型進行計算。對

9、于圓形鋼柱觀測左右兩側邊緣的水平角并在同一截面上貼上做觀測標志（或粘反光貼片）測量斜距、水平角及豎直角。如下圖 -1 所示： k 為測站點，p 為方向控制點，鋼管中心為o ， b 為觀測標志，在測站上觀測鋼管左右邊緣 m n的角度為1和 2, 及觀測標志點b的角度 b、k、b兩點的斜距Skb，及豎直角（3。pkn圖-1:圓鋼管柱中心坐標測量計算示意圖則由已知方位 kp及 1、 2可計算測站至鋼管中心的方 位 k;鋼柱中心坐標的計算算法如下：ako= akp+( ai+ a2)/ 2同樣根據觀測標志點的水平角ab及已知方位OCkp可算出 otkb= OCkp+ otb,因止匕/-bko= ako

10、- akbSkb=Skb COS B其中Skb為k,b兩點間斜距，B為豎直角。kob=arcsin( Skbsin _bko/r)r為鋼管柱半徑/obk=兀-/bko- . kobSko=Skb sin _obk/sin _kob則得到圓柱中心坐標為：x o =Sko cos ako+Xky o =Sko sin ako+ykz o =Sko sin 0 +zhZH為儀器橫軸標高矩形鋼柱中心坐標測量圖-2所示，b c為觀測標志（或粘反光 貼片），與矩形鋼柱線相對稱放置，具距離 S可在貼片上測得，d 點在與b c相垂直方向延伸矩形鋼柱寬度的一半S do即為鋼柱的 中心位置，S do可根據矩形鋼柱

11、的尺寸來定，是可以得到的已知 數據。在測站上觀測觀測點b、c兩點的角度、兩點與測站的斜距 及豎直角。圖-2:矩形鋼柱中心坐標計算示意圖則由已知方位 kp及 1、 2可計算矩形鋼柱中心坐標, 計算算法如下：akb= OCkp + DC 1X b=Sk'bCOS BbCOS akb+Xky b=Skbcos Bbsin otkb+ykZb=Skbsin Bb+ZH其中Skb為k,b兩點間斜距,zh為儀器橫軸標高 類似地可以得到xc、yc、ZcXd=(Xb+Xc)/2y d=(y b+yc)/2Zd=(Zb+Zc)/2則得到矩形鋼柱中心坐標Xo=Xd +Sdo cOS( OCbc-兀 y o

12、=y d +Sdosin( abc-兀/2)Zo=Zd(2)鋼柱中心偏移量及鋼柱的扭轉偏差值計算鋼柱中心偏移量是鋼柱中心理論值與鋼柱中心間接觀測值之 差；鋼柱的扭轉偏差值是觀測標志點的理論值與觀測標志點的實測 值之差。以上得到了圓鋼柱和矩形鋼柱在觀測標志截面處的中心點坐 標和高程，要得到柱面與柱底高程，只需在上述點的Z坐標上加或 減相差距離即可。4.2.1.3測試程序：程序編寫完成后，應對整個程序的所有功能，各種不同情況進行測試，確保程序執行結果正確。測試的數據至少 要包括所有前面已確定的觀測標志點的數據。4.2.2 施工測量平面及高程控制網的建立：首級平面與高程控制網的建立方法及精度等級與其

13、他類似工 程一致，并按要求編制測量方案，為了方便全站儀測量點的三維坐 標，要求平面控制點與高程控制點布置在同一位置上。采用天頂儀進行豎向平面控制點傳遞，當操作層到地面控制點 的高度大于100m時，依據規范應把地面控制點向上傳遞，作為上 部平面控制點傳遞的依據，其方法如下條所述。4.2.3 平面控制點豎向傳遞4.2.3.1 平面控制點豎向傳遞的流程如圖-3所示圖-3:平面控制點豎向傳遞的工藝流程4.2.3.2 用天頂儀豎向傳遞水平控制點軸線是高層鋼結構安裝的生命線，軸線放樣精度的高低將直 接影響鋼柱安裝的整體垂直度及構件安裝速度。高層施工測量依 據，根據規范的要求，應從地面控制網引投到施工層，不

14、得使用下 一節樓層的定位軸線。從工程測量的角度而言，建筑物的整體垂直 度的控制主要通過內控、外控或內外控結合的方法來進行的。 高層結構豎向傳遞一般都采用內控法，投點儀器選用天頂準直儀。在需 要傳遞控制點的施工層預留孔處水平固定一塊有機玻璃板做成的光靶，在控制點上架設天頂準直儀，慢慢旋轉天頂儀在（0°、90°、 180°、270°、360° ）,便在接收光靶上得到一個激光圓，圓心即 為該控制點的傳遞點。傳遞過程如圖-4所示。所有控制點傳遞完 成后，則形成該樓層軸線控制網。由于日光照射不均勻，高層鋼結構會生產較大的垂直度變化， 為了減少日光對水平控

15、制點傳遞的影響，向上傳遞控制點的作業時 間應選擇陰天或日出前進行。 c天頂準直儀光靶圖-4:平面控制點豎向傳遞示意圖4.2.3.3 測量傳遞點之間的距離并與理論值比較對傳遞到施工層的控制點組成的控制網進行角度、距離測量。距離用全站儀或鋼尺精密丈量四測回，各測回之間較差w 士 2mm 與理論值之差 S不宜超過6mm角度觀測用J2級儀器測量需六測 回，必須滿足工程測量規范對四等網測角的規定：角度與理論 值之差| （3 |應小于0.0025 p XS3/S1? S2（式中：S3為兩目標點 之間的距離，S1、S2為測站點到兩目標點之間的距離，以米為單位)。若角度偏差 B和距離偏差 S超出規范要求，則必

16、須重新 豎向投測平面控制點。只有當 (3、$符合要求后，方可進行平 差。全站儀的普及，使得測距比測角方便快速，人為因素對測量精 度的影響較小，實際操作時用測邊網比較合適，且定權簡單。4.2.3.4 秩虧自由網平差由于投點存在誤差，因此測量的角度和邊長與已知值存在一定 的差異，需進行平差處理，以提高控制點的精度。由于每個點都可 能存在投點誤差，平差時無起始數據，因此采用秩虧自由網平差。無起始數據的自由網能較方便地找出它的 GT陣，因此用假觀 測值法解法有利，測邊網的無起始數據的自由網平差的數學模型及 計算過程如下：V= A X - Lnxm mx1Vg= G *其中：/ 1010. 10Gt=0

17、101. 01、方0x-y1 x. 2-yx0(A Pa+GG )X-A PL=0 X=(A Pa+GG ) A-Pl=QWQxkQ(A PA)QmlQ = ±VTPVV n-m+3式中，n為觀測值個數，m為未知數個數。坐標近似值采取底層控制點的已知坐標，在自由網平差時保持 了這些點的重心坐標保持不變。實際平差時獲得的各點精度均較 高，從而保障了施工測量放樣的精度，以此作為本樓層細部平面放 線的依據。秩虧自由網平差過程也可采用別的公司開發的成熟軟件進行。4.2.3.5 歸化改正后放樣出軸線網若使用全站儀進行細部軸線放樣，利用上面平差后的控制點坐 標，用極坐標法放樣即可，無需先對控制點

18、進行歸化改正；若用經 緯儀和鋼卷尺放樣軸線，則應先對控制點進行歸化改正，然后以歸 化后的控制點作為平面測量的依據，鋼卷尺測距時，應在鋼尺的自 由端施加標準拉力，且需進行溫度尺長改正。4.2.4 標高的向上傳遞及控制線放樣標高的傳遞采用掛鋼尺法，在施測的過程中必須施加標準拉 力，且應進行溫度尺長改正。另一種方法是在底層的一個平面控制 點上架設好全站儀，先精確測定儀器橫軸的標高，在儀器的正上方 設置棱鏡或反射片，然后轉動全站儀望遠鏡到垂直狀態， 測量兩點 間的距離，通過計算求得棱鏡標高，再把棱鏡高和傳遞到鋼柱上。 標高向上傳遞均應單獨進行兩次，兩次測量較差 H不宜大于7mm, 取平均值作為最后結果

19、。標高傳遞上來后設置臨時水準點，作為該 樓層上一節點鋼結構安裝標高控制的依據。傳遞過程如圖-5、圖-6 所示：圖-5:水準儀傳遞標高傳遞示意圖圖-6:全站儀傳遞標高傳遞示意圖標高引測到施工層后，用水準儀在鋼柱上放樣出統一的控制線，作為鋼柱安裝的標高依據，水準儀只能架設在固定鋼柱上的儀器托架上。標高的傳遞同樣不得從下層樓層丈量上來，以防止積累誤差。4.2.5 鋼柱垂直度校正實時測量過程4.2.5.1 鋼柱垂直度校正實時測量流程圖-7所示：圖-7:鋼柱垂直校正實時測量流程圖 -4.2.5.2 安置全站儀、設置測站三維坐標并定向在操作層上進行鋼柱垂直度校正實時測量時，測站點盡可能選 用從下方傳遞上來

20、的控制點，當用這些控制點觀測不能滿足施工要 求時，可以用這些控制點加密一次控制點， 作為臨時觀測點，為保 證測量精度，臨時觀測點不能作為再次加密控制點的依據。臨時測站點坐標的測量可以有很多種，使用不同的設備方法也 不同，當使用全站儀時常用兩種方法：1）極坐標法，需在已知點上設站測量邊長和角度，該種方法 測量結果的誤差一般不受控制點網形的影響， 誤差主要來自角度和邊長的測量誤差，一般其點位的誤差可達到2-3mm并且可以在一個測站上一次測量幾個臨時控制點坐標，該方法的缺點是在獲取 未知點坐標時需在已知點上設架設全站儀，作業時間長。極坐標法測量過程如圖-8所示。P2BP3圖-8:極坐標法測量示意圖A

21、 B為已知點；A為測站點；P1、P2、P3為待定點2)儀器直接放在待定點上進行距離交會(自由測站的一種方法)，其點位誤差同樣受網形的影響很大，如圖-9所示:BB圖-9:自由測站示意圖A B、C為已知點；P為待定點。m=SQRT(2)*m/sin(P)mP： 為待定點的誤差；m： 為測距誤差；P： 為兩測量邊的夾角。當待定點位于以兩個已知控制點為直徑的圓周上時（即P=90。 ） ，其誤差最小，P 角增大或變小都會使誤差增大，當網形不好時其誤差值會迅速增大，一般要求P角在120。一60。之間，提高P點的位角精度可增測角度 P,在通視條件好的情況下，也可增 測 P 點與另一已知點的距離PC。 一般全

22、站儀都有自由測站的功能，有多余觀測時自動進行平差處理，應熟悉儀器操作手冊，明白各種儀器測量的不同之處。雖然自由測量的精度受圖形影響，但自由測站減少一個測站的工作，可以加快測量速度，只是在測量時要注意點位的選擇即可大大提高精度，加快作業速度。4.2.5.2 儀器設置好后，就可以進行鋼柱垂直度校正測量，測量數據是鋼柱校正方向、校正多少的依據。對于每一根鋼柱，都是依據已經制訂好的測量方案進行測量，在鋼柱吊裝前先在確定好的位置測量標志。鋼柱初步固定后，對測量標志點進行測量。由于經過初步固定后，鋼柱的垂直度偏差一般小于100mm， 因此可以依據測量坐標在數據庫中查找到該鋼柱的相關信息， 再依據相關信息計

23、算出該鋼柱中心坐標的實測值，最后計算出中心偏移與扭轉偏差的大小及方向等信息。測量前應依據規范、柱長、 施工實際情況等實際情況確定各偏差量的允許偏差值，并把相關數據輸入到程序，程序自行判斷鋼柱的各偏差值是否符合施工要求。4.2.5.3 信息及時傳遞給操作人員: 把上述信息傳遞到操作人員，指導其施工，傳遞信息可借助對講機等工具。4.2.5.4 鋼柱垂直度的校正是一個逐步逼近過程，可能需多次測量、校正、測量、校正, 的重復過程，其垂直度才能合格。5 材料 本工法只控制產品的空間位置，沒有形成最終產品的材料。6機具設備6. 1施工機具測量工作一般由一個小組協同完成，以一個工作小組為例，需 要下表所示的

24、機具。施工機具一覽表序號名稱及規格單位數量1全站儀套12便攜式計算機臺13對講機對24可編程計算器個155米鋼卷尺把26紅藍鉛筆只小7工具包個18鐵錘把19紅油漆桶110排筆把111鋼釘盒6. 2檢測設備檢測設備一覽表序號名稱及規格單位數量1全站儀套12便攜式計算機臺13水準儀套14對講機對25可編程計算器個165米鋼卷尺把27勞動組織和安全7. 1勞動組織情況表（一個工作小組）序號工種構成技術要求人員數量1測量工程師有較好的編程基礎，有鋼結構 施工測量經驗。12測量工持測量員證47. 2安全措施施工測量工作貫穿鋼結構安裝施工的全過程， 測量人員除了避 免自身傷害外，還應避免測量儀器的傷害。測

25、量施工人員除注意一 般施工人員所需注意的安全隱患外，還需要注意下列情況。6.1.1 使用塔尺、花桿、長桿棱鏡等金屬工具應有防觸電警示標記。6.1.2 測量人員在鋼梁、洞口邊等臨邊地點作業時，應有可靠的安全防護設施。6.1.3 加強對測量人員的安全教育，測量人員必須穿防滑絕緣膠鞋 施工。6.1.4 當在隱蔽的角落測量時，應有專人進行安全看護。6.1.5 測量員不能離開儀器，嬉戲打鬧，禁止閑雜人員圍觀、碰觸 儀器。6.1.6 攜帶儀器不可行走在建筑物邊緣和攀爬架管等。6.1.7 測量人員不可以用望遠鏡直接對準太陽， 在測量時不能用眼 睛從前方觀看望遠鏡。8質量要求8. 1質量標準對施工測量的結果，

26、用現行有效的國家規范和行業標準進行驗收，常用規范和標準如下：工程測量規范GB50026-93鋼結構結構質量驗收規范GB50205- 2001高層民用建筑結構技術規程JGJ99-98鋼結構工程施工技術標準八局企業標準ZJQ08-SGJB205-20058 2 檢驗辦法利用全站儀、水準儀、鋼尺等測量工具對結果進行實測實量，依據規范、標準的要求，計算出理論值與實測值的較差。8 3 質量保證措施8 3 1 必須嚴格按規范要求操作，并認真執行現場方案及規范所要求的各項測量技術、驗收程序。8 3 2 為防止視線過長，目標模糊、晃動等影響，當土建施工到一定高度時（一般100 米左右） ，把基準控制點向上轉置

27、，嚴禁逐層傳遞。8 3 3 每一道測量工序完成后，必須按三級驗收制度執行，自檢合格后方可上報監理工程師復驗，合格鑒認后方可進入下道工序施工。8 3 4 班組施測前，做好技術交底工作，技術主管對整理的測量成果必須進行會審，并做好上記錄、施工日志。8 3 5 測量放線前后，及時對測量儀器進行檢驗，確保儀器在狀態良好的情況下運行。8 3 6 工程中所有距離丈量所使用的鋼尺或全站儀，其尺長必須以同一把鋼尺作為比較，最好用同一制造廠的同一批產品，并在同一計量所檢定。9 效益分析9 1 經濟效益分析與傳統的鋼柱垂直施工測量方法相比較，本工法在經濟效益方面有下面幾方面的不同：本工法在前期數據準備及程序編寫調試需要比傳統方法多用一名測量工程師10 天的時間；傳統方法是平面施測與高程施測分開完成，而本工法平面施測與高程施測同時完成，節約測量時間三分之一；傳統的方法在鋼柱垂直度控制時需要兩個測量小組同時進行， 而本工法只用一個測量小組就可單獨完成，節約測量時間三分之-因此