高層建筑垂直度檢測方法的探討

黃加旺，岳國森，曹紅杰，鄧翠美

(1.廣東省惠州市國土資源信息中心，廣東惠州516003;2.廣東省佛山市城市規劃勘測設計研究院，廣東佛山528000)

高層建筑垂直度檢測方法的探討

黃加旺1，岳國森2，曹紅杰1，鄧翠美1

(1.廣東省惠州市國土資源信息中心，廣東惠州516003;2.廣東省佛山市城市規劃勘測設計研究院，廣東佛山528000)

使用激光垂準儀與精密全站儀相結合的方法對某大樓進行垂直度檢測，通過檢測實踐，充分證明該方法具有適應性強、作業簡便、檢測精度高且成果可靠的優點。同時使用GPS對大樓的垂直度受外部載荷的影響進行檢測，得出一些有益結論。

高層建筑;垂直度;垂準儀

一、引 言

隨著城市建設的發展，高層建筑物不斷涌現，其垂直度是衡量施工質量及安全與否的一個重要指標。對于垂直度觀測，在地形空曠的場所可以方便地采用經緯儀垂直投影法對高層建筑物進行垂直度檢測，但在建筑密集且建筑物外形復雜的情況下，就很難采用經緯儀投影法。針對這種情況，本文采用垂準儀與電子全站儀相結合的方法對某市國際商業中心大樓進行了垂直度檢測，獲得了較高的檢測精度。該大樓于1997年建成，共52層，高191.2 m，為鋼筋混凝土結構，頂層有鋼架天線，總高220.0 m，是目前該市最高的一座綜合性建筑。

二、檢測方案的實施

1.檢測方案的設計

根據設計要求，大樓的垂直度和施工測量的要求都比較高，主軸線要求偏差不超過H/1 000(H為建筑物總高)，層間不超過h/200(h為層高)，因此根據原垂直度控制網的幾何要素及控制軸線與建筑主軸線之間的相互關系，計算大樓的垂直度。

由于大樓內部垂直度檢測不具備外控條件，而施工時在大樓首層布設的平行于縱、橫主軸線的26.100 m×17.900 m矩形控制網北面的兩個點仍保存完好，且4個控制點在各層的傳遞孔現仍全部開通，對大樓的垂直度檢測充分利用原布施的垂直度控制網，采用內控形式，用DZJ2激光垂準儀(標稱精度1/45 000)進行豎向投測，計算出大樓現狀的垂直度。

2.投測方案的實施

投測時采取分段控制、分段鎖定、分段投測的原則，將大樓分成5個投測段，第1段由1層至7層、第2段由7層至20層、第3段由20層至33層、第4段由33層至46層、第5段由46層至50層。由于大樓第1層和第2層堆放的雜物較多，考慮到矩形控制網的精度，又轉投測了第3層，自第1層投測到第3層，自第3層投測到第7層。全樓分段投測圖如圖1所示。

圖1

3.矩形控制網的恢復

根據現場條件，大樓第1層堆放的雜物太多，第2層被臨時住房遮掩，對原有首層平行于縱橫主軸線的26.100 m×17.900 m矩形控制網的恢復轉移到第3層。首先在第1層量測現存的兩個控制點的邊長，檢核的距離與原有設計值相差0.5 mm，證明原內控網邊長無問題，其次在這兩點通過DZJ2激光垂準儀將該兩點垂直投射到第3層，投射時分0°—90°—180°—270°4個方向投測，取矢量的中點作為最后投測點位。現場實踐表明，在投測段距離約為50 m時，激光光斑的直徑約為1.5 mm;30 m時，直徑約為1 mm，因此用激光垂準儀投測能滿足精度要求。

對矩形控制網邊長的復核采用經檢定的鋼尺進行測量，每條邊測量3次，測量值互差小于1 mm，各次測量均值與第1層現存控制點邊長比較，邊長較差滿足1/10 000;垂直角測量時采用測角精度為±0.5″的徠卡TCA2003全站儀自動測量模式放設方向，Δβ≤±20″。矩形控制網進行檢測和調整改正后，將矩形控制網的4個控制點重新在第3層樓面標定好，作為以后向上投測的依據。

4.矩形控制網投測

以第3層矩形控制網的4個控制點為依據，分別向上投測第1、2、3、4、5段，各段分段控制、分段鎖定、分段投測。分段鎖定檢測各層矩形控制網的邊長、角度，邊長相對誤差均沒有超過1/10 000、Δβ≤±20″，將投測出的4個控制點進行調整并標定，作為上一段投測的依據，如此依次檢測標定出7層、20層、33層、46層、50層的平面控制點。分段投測時，各控制點均應 0°—180°對徑分 0°—90°—180°—270°4個方向投測，取矢量的中點作為最后投測點位。

5.垂直度檢測及計算

由于連日大雨，樓層地面有積水且潮濕，各層通過控制點彈出該樓層的控制墨線較困難，采用在控制點間拉細線的方法，量取該直線到各柱子的垂距，此垂距與相應設計垂距之差即為縱橫X、Y方向的偏差值。量測時取柱子前后兩側的方位，如圖2所示。

由各層柱子兩側中點的測量值的縱橫偏差值計算該層的實際形心，實際形心與設計形心的坐標差，反映出該層大樓的傾斜方向、偏差值和垂直度。計算模型如下

則各層偏差值為

各層相對偏差值

各層相對垂直度

各層絕對垂直度

依據以上公式，計算的檢測結果如表1所示。

圖2 柱位量測平面圖

表1 計算的檢測結果

6.數據分析

由第7、20、33、46、50層的觀測成果計算得各層垂直度偏差，通過對檢測資料的計算、統計和分析得出以下結果。

1)垂直度的偏差值隨樓層的增加而增加(如表1所示)，其中低層3個測段的偏差值基本相同，均小于11 mm，互差小于2 mm，比較均勻;高層的偏差值高于底層的偏差值。

2)垂直度偏差值最大的在50層，Smax= 40.04 mm，其垂直度K=1/4 500。各層垂直度均滿足K≤1/1 000，Smax≤50 mm的設計要求。

3)層間偏差(指相鄰兩測段所在層間的偏差)均滿足K≤1/200的設計要求，為便于比較，也對46層小矩形內控網至墻體中心的距離進行了量測，結果為 ΔX=36.97 mm，ΔY=22.42 mm，S= 43.23 mm。計算得第46層與第50層的層間偏差K=1/2 700。

三、GPS測量及垂直度計算

根據現場條件，將一臺GPS接收機作為基準站，另一臺接收機安裝在大樓樓頂的幾何中心進行24 h(因外界條件影響，沒有采集5月1日上午8—11時的數據，故GPS觀測為20 h的成果)載波相位相對定位測量，設定截止高度角為15°，采樣時間間隔為4 s。將全天數據分成24個測段，每測段時間長度為20 min(整點前后各取10 min)，解算每測段該大樓樓頂點相對于基準站的坐標(Xti、Yti)作為其整點坐標。

大樓樓頂的幾何中心取樓頂一鐵制圓盤的圓心，該鐵制圓盤可用來架設鋼架天線，其圓心基本在大樓中心縱橫兩道梁相交的位置。基準站的坐標采用高精度全站儀TCA2003測量、由大樓首層矩形控制網點推求，設定大樓西北角控制點A的坐標值為(1 000，1 000，5)，AB的方位角為90°，并由測量控制點聯測至1980西安坐標系坐標。大樓首層(X0、Y0)則由大樓首層矩形控制網點解析計算得到。

則樓頂點各整點X、Y方向及絕對偏差值為

樓頂點各整點絕對垂直度為

樓頂點全天平均的X、Y方向及絕對偏差值為

樓頂點全天平均絕對垂直度為

20 h GPS觀測成果及垂直度計算如表2所示。

表2 20 h GPS靜態觀測成果及垂直度計算

以上GPS觀測成果表明:①大樓樓頂鐵制圓盤的圓心與首層矩形控制網的幾何形心重合較好，未出現較大誤差;②表2中各整點縱橫坐標的偏移量互差不大，計算出的大樓垂直度最大偏差值Smax= 24.6 mm，垂直度K=1/7 700，說明大樓垂直度在4月30日19時至5月1日16時內受風、日照、溫度等外界條件的影響較小;③表2中的垂直度與由內部矩形控制網測得的垂直度的差異主要由測量方法的差異及大樓樓頂準確的幾何形心的取樣誤差產生;④ GPS測量計算得到的垂直度反映了4月30日19時至5月1日16時期間大樓20個整點時刻的垂直度觀測值，GPS測量主要反映該時間段內大樓垂直度的變化情況。

四、垂直度檢測的結論

綜合以上垂直度檢測結果，可以得出以下幾個結論:

1)使用內部矩形控制網測定大樓的垂直度，網形選擇合理，作業方法正確，所采用的DZJ2激光垂準儀性能穩定，用它進行投測工作快速簡便，精度能滿足高層建筑物垂直度的設計要求。

2)垂直度偏差值最大的在 50層，Smax= 40.04 mm，其垂直度K=1/4 500。各層垂直度均滿足K≤1/1 000，Smax≤50 mm的設計要求。

3)根據GPS測量獲取的大樓24 h內20個整點即4月30日19時至5月1日18時垂直度變化情況推測大樓垂直度受風、日照、溫度等外界條件的影響較小。

4)本次檢測的實測資料表明取大樓各層柱子中心的形心作為垂直度計算的參數能滿足設計要求，各層形心與首層形心偏差達到設計要求。

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A Discussion about Method for Detecting Vertical Degree of Tall Building

HUANG Jiawang，YUE Guosen，CAO Hongjie，DENG Cuimei

0494-0911(2011)07-0057-03

P258

B

2011-05-20

黃加旺(1977—)，男，湖南臨武人，工程師，研究方向為GIS及空間數據處理。