1、工程測量員-AutoCAD、全站儀和編程計算器在工程測量中 的應用-基礎理論工程測量員-AutoCAD、全站儀和編程計算器在工程測量中的應用 一、引言在工程測量中，內業資料計算占有很重要的比重，內業資 料計算的準確無誤與速度直接決定了測量工作是否能夠快速、順利地完成。而內業資料的計算方法及其所需達到的精度，則又直接取決于外業所用儀器及具體的放樣目標和內業計算所用到的辦公軟件和計 算方法。計算機輔助設計（Computer Aid Design 簡寫 CAD，常稱 AutoCAD ）是 20 世紀 80 年代初發展起來的一門新興技術型應用軟件。 如今在各個領域均得到了普遍的應用。 它大大提高了工程

2、技術人員的 工作效率。 AutoCAD配合 AutoLisp 語言，還可以編制一些常用的計 算程序，得到計算結果。AutoCAD 的特性提供了測量內業資料計算 的另外一種全新直觀明了的圖形計算方法。 結合我們現正使用的徠卡 全站儀的情況，其可以很方便地進行三維坐標的測量， 通過 AutoCAD 的內業計算，、在放樣的過程中，可以用編程計算器結合全站儀， 非常方便地、快速地進行作業；、運用AutoCAD 進行計算結果的 驗證；、隨著全站儀的推廣和普及，極坐標的放樣越來越成為眾多 放樣方法中備受測量人員青睞的一種，而坐標計算又是極坐標放樣中 的重點和難點，由于一般的紅線放樣，工程放樣中的元素多為點

3、、直 線（段八 圓（弧）等，故可以充分利用 AutoCAD 的設定坐標系、繪 圖和取點的功能，以及結合我們外業所用計算器的功能， 從而大大減輕我們外業的工作強度及內業的工作量。 以下以冶勒電站廠區樞紐工程的一些實例來說明三者在工程測量中的應用。二、測區概況冶勒電站廠址位于石棉縣李子坪鄉南椏村，距壩址11KM，距石棉縣城40KM。廠區樞紐工程主要包括通風洞、交通洞、出線洞、尾水洞及 尾水明渠、主廠房、副廠房、安裝間及壓力管道、母線道、變電站等 分部工程，地下洞長近 1600 米，涉及到兩臺（單機為 12 萬 kw）機 組的安裝定位。測量區域高程在海拔 19902200 米之間，高差起伏大，夜晚及

4、洞內外作業溫差較大，給測量作業帶來了一定的困難。三、 AutoCAD 的典型內業資料計算及管理在測區內加密控制點，經常使 用測角交會或測距交會或兩者相結合的方法， 如果我們運用數學公式 來計算，則非常繁瑣，而且不易檢查錯誤，例如在后方交會中的危險 圓上。相反，如果我們利用 AutoCAD 來繪圖計算，就簡單多了。現 針對測角和測距兩種方法分別作如下說明：1、前方測角交會：如圖一 所示，A、B 為坐標已知的控制點，P 為待求點，在 A、B 兩點已觀 測了角度 a 和 b。我們就可以利用 AutoCAD 系統軟件， 根據 A、 B 兩點坐標在桌面繪 制出 A、B 兩個點，連接 AB 點得到 AB

5、線段，然后分別以 A 點和 B 點為基點旋轉AB 線段 a,b 角（從圖上可直觀地分辯方向）。使用 ID 命令選擇交點 P,就可以得出 P 點坐標了。如果圖形有檢校條件，仍 然可以進行坐標差的計算。如果在近似平差的情況下能滿足需要， 則 可以在圖形上進行平均計算并作出標記。2、前方距離交會：如圖二所示，A、B 為坐標已知的控制點，P 為待求點，在 A、B 兩點已分 別利用全站儀測了距離 Sa 和 Sb。我們就同樣可以利用 AutoCAD 系統軟件，根據 A、B 兩點坐標繪制 出 A、B 兩個點，連接 AB 點得到 AB 線段，然后分別以 A 點和 B 點 為圓心，以Sa 和 Sb 為半徑作圓，

6、則得到 P 點和 P點（對照現場的 方位情況，從圖上可直觀地分辯出其中一點P 為所求，而另一點 P則是虛點，是我們不需要的）。使用 ID 命令選擇交點 P，就可以得出 P 點坐標了。在實際工作過程中，我們通常會將前方測角交會與前方 距離交會進行組合應用，當然那就不一定要將所有條件都完成測量 了。另外對于以上幾項對坐標的應用，應該注意的就是AutoCAD 中的坐標順序與我們測量中的大地坐標系是有區別的， 也就是要注意 X坐標和 Y 坐標的對應關系。3、對作業資料的管理：AutoCAD 在工程 中除對測量內業資料計算有其優勢一面，在外業資料的管理方面，同樣有著非常廣泛的應用。AutoCAD 作為有

7、名的工程系列應用軟件平 臺，已經為廣大工程技術人員所熟悉并掌握。在測量外業資料中，主 要是控制點網略圖及其計算資料的管理，另一方面是各種開挖橫斷 面、縱斷面圖的繪制，以及橫斷面面積的計算，以及其它一些需要的 圖紙的繪制。由于AutoCAD 已經有很強的數學計算功能和很高的數 學精度，其有效位數已完全能夠滿足我們在工程測量中的需要了。在冶勒電站工作期間，我們就將所有圖紙、所有工程量表格及文檔進行 分類，其重點是對圖紙文件利用 AutoCAD 進行總圖的繪制，在以后 的工作中，就可以在總圖上進行查找了。4、應用實例：現結合我們工作實際，作一些實際應用上的說明：我們承擔了冶勒水電站廠區樞 紐工程的施

8、工測量工作，進場之際我們就建立了一級導線閉合環，觀測資料經平差后，將坐標點的大地坐標輸入 AutoCAD 平臺，得到圖 三所示，以后隨著工程的進行，我們陸續加密了一些支導線點，同樣 將坐標成果錄入，這樣從真正意義上，實現了坐標資料的數字化管理， 這也方便了以后的坐標管理，同時也方便了以后在一些特殊情況下的 圖形應用。具體地講就是，依據設計提供的結構關系，在圖中設立足 夠的施工坐標系（以我們在外業放樣中設站所需為準）并保存之。在 以后的工程應用中，我們只需打開對應坐標系，利用ID 命令點取我們需要的點，其對應坐標也就出來了。下面舉例給予說明：在尾水洞、尾閘室交叉段工程中，存在一個三直 段夾兩弧段

9、的情形，如圖四所示：當時設計代表提供了如圖示的圖形尺寸關系，以及C 點大地坐標和其以外段的大地方位角，尾閘室以內段的一些結構關系。如果單憑以 往的經驗和儀器條件，需要建立圓的方程，求解二元二次方程，才能 求出圓弧對應圓心的大地坐標， 之后才可進行下面的計算并結合儀器 考慮放樣方法。但是，我們將這個問題放到 AutoCAD 軟件平臺上來 看，就變得非常簡單了。具體操作如下：先在 AutoCAD 軟件平臺上， 依據 C 點大地坐標將 C點錄入， 并依據過 C點的直段洞軸線方位角 及其長度繪出過 C點的洞軸線，依據設代提供的尺寸關系，得到 P1、 P2 點，然后利用 AutoCAD 繪制圓弧，使其分

10、別過 P1、C 點和 P2、C 點，使之滿足 R=28.00 米，并符合圖形方向。再利用 AutoCAD 的標 注功能，分別進行兩段圓弧的圓心的標注01、02 點，利用 AutoCAD 的 ID 命令就可以得到 01、02 點的大地坐標了。將之分別與 P1、P2用直線段連接。考慮洞室的方向，再分別過 P1、P2 點作 P101、P2O2 的垂線 P1X1、P2X2，利用 AutoCAD 方便的坐標系設置功能，分別 建立以P1 點、P2 點為坐標系原點，P1X1、P2X2 為 X 軸的測量施工 坐標系然后再將其坐標系移到（0，-N ）處并分別命名保存。到此， 則我們的兩個輔助施工坐標系建立完成，

11、這兩個坐標系保證了X 軸與過 P1 （或 P2）的圓弧相切（這一點將非常有利于我們下一步的全 站儀與編程計算器的應用）。將我們測得的控制點的大地坐標輸入圖 形中，直接就可以得到該控制點的相應的施工坐標和施工坐標方位角 了。四、全站儀和編程計算器在外業中的應用我們目前使用的全站儀 為瑞士產徠卡605L 型全站儀，其本身已具備利用坐標進行工作的能 力。對我們實際工作中的一些三維坐標的放樣， 就可以利用 AutoCAD 建立數字化模型，先用編程計算器在計算機 AutoCAD 平臺上進行模 擬檢驗，經檢驗程序正確后，再將之用于外業放樣。對于露天點線， 我們就可以盡量直接利用全站儀的坐標放樣功能，將所需

12、放樣點的施 工坐標輸入全站儀，正確操作就可以得到正確的所需點位了。 現在討 論的重點是針對地下工程中一些特殊情況下的點位放樣。例如：地下廠房的開挖紅線放樣和有關結構點的放樣，地下洞室的開挖紅線放 樣，又特別是地下轉彎段的開挖紅線及其相關的一些結構點的放樣。對地下廠房而言，其頂拱跨度大，主廠房達24.36m，其頂拱半徑也有 17m。在施工過程中，業主、監理、設代及施工四方均提出明確要 求，要嚴格控制超挖，禁止欠挖，這就從放樣方法上對我們測量人員 提出了更高的要求。經過我們的反復比較，最后決定利用全站儀結合編程計算器，在現場進行三維的施工坐標的測量，再進行相關的計算， 從而放出所需的紅線點，事實證

13、明，我們的方法是得當的、合理的， 取得的效果也是較為理想的。下面分分兩個方面來說明。1、無平面轉彎情況下的計算：如圖五所示，其具2) H3=2035.368(15.36-“(15.36+(N+1.55)-HAL4=15.36-v(N+1.55)+(H-2020.008)N二TX(N+1.55-TXv(17.00-(17.0-(2036.68-H)上述諸式中，H1、L2 分別為開挖紅線的高程差值和徑向方向上的差值， H3L4 分別為頂拱混凝土結構表面的高程差值和徑向方向上的差值。在AN式中：T=1,代表 NA-1.55,即廠房的下游側；T=-1，代表 NV-1.55，即廠房的上游側(如圖示， 廠

14、房中心線與機組中心線的平行 距為 1.55m。AH為正，測點應上移AH距離即為紅線，反之AH為 負，測點應下移AH距離即為紅線；AN為正，測點應向靠近廠房中 心線的方向移AN距離即為紅線，反之AN為負，測點應向遠離廠房 中心線的方向移AN距離即為紅線。同樣，在廠房頂拱的混凝土襯砌 的過程中，我們需要對頂拱的立模線進行放樣和模板檢查，其混凝土結構下邊沿線半徑為 R=15.36 米，有跨度大和難度大的重要特點。在 模板的放樣過程中，其情況與開挖紅線放樣又有一些不同點，我們沒有將其作出相對廠房軸線的上下游之分，根據施工現場的實際情況看 來，其只有鉛垂方向的調整。在做模板檢查時，相對來說，我們的作 業

15、環境將更加不利(有時可能無法通視)，針對實際情況，我們一般 采用將反光三棱鏡高度保持某一定值或者者使用微棱鏡，將其沿頂拱 模板圓弧徑向方向上放置，然后在計算時針對模板只有徑向上的上下移動調整。在模板的放樣及檢查中，我們同樣要利用編程計算器進行 現場的計算，其計算原理類似于開挖紅線放樣的計算， 只不過進行模 板檢查的計算時，其計算程序中的高程基準應以其混凝土結構面圓弧 對應的圓心高程為基點，再結合其半徑求其差值作調整。在 AutoCAD 軟件平臺上，可以非常方便地進行放樣點坐標和模板點坐標的有效驗 證。即通過在 AutoCAD應用平臺上建立地下廠房的三維模型，在這 個三維坐標系中，我們直接任意輸

16、入一個在廠房平面范圍內的三維點 坐標，從應用平臺上可以直觀地看到該點是否為紅線或與紅線或是否 為模板點線的關系，同時我們用編程計算器對該輸入三維點坐標進行 計算，得出一個結論，就可以作為互相驗證的依據了。針對冶勒電站 的情況及其在地下洞室設計上的要求，一般都有一定的坡度以利排水 等，傳統的洞室開挖放樣是在洞外或已開挖段布設基本導線，然后運用經緯儀和水準儀、鋼尺的配合，在掌子面上尋出開挖斷面圓心、中 心線、腰線等。這種傳統的作業方法在實際操作過程中很不易操作， 而且誤差較大，也易出錯。一般情況下，掌子面不會是一個標準的鉛 垂面，而通常隧洞都具有一定的坡度，有時甚至坡度很大，這時應該 先考慮將非鉛

17、垂面的設計開挖（結構）線進行相關的轉換，具體操作 可在 AutoCAD 軟件平臺上進行，也可直接在編程計算器上進行。如 通風聯系洞，坡度達 0.3039。其設計開挖頂拱為圓弧，而在鉛垂面則 為橢圓弧了，則我們可以利用AutoCAD 軟件平臺建立其縱橫斷面的 空間模型，求出該橢圓弧的長、短半軸，從而得到其對應的橢圓方程， 再利用編程計算器編寫相應的程序，之后在 AutoCAD 軟件平臺進行驗證，結果符合良好。這樣就可以充分避免一些特殊情況下易造成的 欠挖(如，掌子面不平整等)。2、有平面轉彎情況下的計算：而對稍 復雜一點的情況，如通風洞轉彎段、尾水洞三叉口段，在開挖過程中， 掌子面根本沒法保證是

18、同樁號，及砼襯砌過程中為保證各倉號端面均 為同樁號，則必須利用編程計算器在現場施工坐標系間坐標轉換的計 算。對于地下洞室的轉彎段，則主要應考慮其施工坐標的平面轉換， 假如要采用一些傳統的放曲線的方法，眾所周知，由于地下通視不好， 則很可能是沒辦法放樣的，而利用全站儀結合編程計算器，進行一些 優化后的施工坐標的測量，則變得容易多了。從冶勒水電站廠區樞紐 工程的施工情況來看，運用上述組合方法，能夠較好地控制超挖和保 證開挖效果。參見圖四，以尾水洞轉彎段為例：通過前述的坐標設站， 待測得坐標點，應用編程計算器將之轉化成洞軸線(曲線)上的坐標， 再以之進行相關對應斷面的高程和平面坐標的計算。其 2-E)-HJ=1999.66+(343.947-E)-H 上述諸式中，直接的