國(guó)家體育場(chǎng)主桁架施工測(cè)量

馬書英，張 凱，朱祥頂

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473009；2.中國(guó)機(jī)械工業(yè)第四安裝工程公司，河南 鄭州 450002）

國(guó)家體育場(chǎng)位于北京市城府路南側(cè)，奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi)，是北京2008年奧運(yùn)會(huì)的主體育場(chǎng)，由混凝土結(jié)構(gòu)（看臺(tái)、基座）和鋼結(jié)構(gòu)（外殼造型）兩大部分組成。建筑頂面呈馬鞍型，長(zhǎng)軸為332.3m，短軸為297.3m，最高點(diǎn)高度為68.5m，最低高度為40.1m。屋蓋中間開洞長(zhǎng)度為185.3m，寬度為127.5m。國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)主要由24榀門式桁架圍繞體育場(chǎng)內(nèi)部碗狀看臺(tái)區(qū)旋轉(zhuǎn)而成，包括主桁架、桁架柱、頂面次結(jié)構(gòu)、立面次結(jié)構(gòu)、樓梯、馬道等部分，主桁架圍繞屋蓋中間的開口放射型布置，與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成“鳥巢”的特殊建筑造型。

1 工程特點(diǎn)及測(cè)量難點(diǎn)

1.1 工程特點(diǎn)

作為北京2008年奧運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng)的國(guó)家體育場(chǎng)，其鋼結(jié)構(gòu)工程具有獨(dú)特的特點(diǎn)：體形、重量巨大；曲線、曲面造型多，定位精度要求高，難度大；空間節(jié)點(diǎn)多，三維測(cè)量定位部位多；鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在空間上完全分離，既有相對(duì)獨(dú)立性，又有一定的相對(duì)關(guān)系；施工時(shí)，分階段、分區(qū)域、多單位拼裝；體育場(chǎng)工程整體施工順序?yàn)椤翱磁_(tái)－鋼結(jié)構(gòu)－基座”，鋼結(jié)構(gòu)、混凝土工程具有3～4個(gè)月的交叉施工期；支撐塔架多，塔吊多，施工現(xiàn)場(chǎng)視線阻擋多。

1.2 測(cè)量難點(diǎn)

國(guó)家體育場(chǎng)的主體建筑平面布局呈橢圓形，鋼構(gòu)件的定位點(diǎn)均為三維坐標(biāo)，所有主結(jié)構(gòu)的構(gòu)件均為巨型構(gòu)件，測(cè)量精度要求較高。

1）柱腳的安裝定位：本工程的柱腳不同于常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)柱腳，體形巨大，單體重量重，柱腳的長(zhǎng)寬尺寸達(dá)4～5m，高度最高達(dá)10m以上。所有柱腳均位于深基坑內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)操作困難。柱腳標(biāo)高大部分在＋1.500以下，安裝定位測(cè)量難度大。

2）桁架柱、樓梯柱的安裝定位：每根桁架柱由兩根1 200mm×1 200mm的箱形外柱和一根菱形內(nèi)柱通過(guò)腹桿連接而成，兩根外柱為斜柱。樓梯柱的截面也為箱型并且都是傾斜的，這就使得桁架柱和樓梯柱的定位校正測(cè)量難度增大。

3）立面次結(jié)構(gòu)的安裝定位：本工程中，立面次結(jié)構(gòu)為彎扭構(gòu)件，形狀怪異，雜亂無(wú)章，節(jié)點(diǎn)密集，且向外傾斜，安裝難度大。同時(shí)，所有立面次結(jié)構(gòu)均暴露在外，安裝精度要求較高，測(cè)量點(diǎn)多面廣，難度大。

4）主桁架的空間定位：主桁架的截面尺寸有1 200mm×1 200mm、1 100mm×1 200mm、1 100mm×1 100mm、1 000mm×1 100mm、1 000mm×1 000mm等幾種，采用分段吊裝，桁架坐落在支撐塔架上，所有對(duì)接點(diǎn)均為高空對(duì)接，定位測(cè)量相當(dāng)困難。

5）支撐塔架體系和主桁架的監(jiān)測(cè)：支撐塔架共計(jì)80個(gè)，分段吊裝時(shí)，主桁架坐落在支撐塔架上，在主桁架沒(méi)有成為整體之前，支撐塔架的變形以及主桁架的撓度監(jiān)測(cè)工作量較大，并應(yīng)定期進(jìn)行。

2 控制網(wǎng)加密點(diǎn)的布設(shè)

2.1 平面控制網(wǎng)

原國(guó)家體育場(chǎng)GPS網(wǎng)為國(guó)家三等網(wǎng)，該網(wǎng)除滿足土建施工要求外，同時(shí)考慮了鋼結(jié)構(gòu)施工精度要求。鑒于國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)，在首級(jí)GPS網(wǎng)下，布設(shè)鋼結(jié)構(gòu)施工控制網(wǎng)，其設(shè)計(jì)精度為三等導(dǎo)線，其技術(shù)要求為：測(cè)角中誤差≤1.8″，最大邊長(zhǎng)相對(duì)誤差≤1/150 000，方位角閉合差≤±3.6″，導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差≤1/55 000。

鋼結(jié)構(gòu)施工平面控制網(wǎng)按三等導(dǎo)線設(shè)計(jì)，一是為了適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)具有大量異構(gòu)形、不規(guī)則曲線、曲面，定位難度大、精度要求高的特點(diǎn)；其次是為施工加密控制網(wǎng)的布設(shè)留有充裕的精度余量，滿足其精度需要；另外，還要盡可能滿足施工監(jiān)測(cè)所需控制點(diǎn)的要求。

2.2 高程控制網(wǎng)

本工程施工高程控制網(wǎng)按二等水準(zhǔn)網(wǎng)的精度進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要技術(shù)要求如表1所示。

表1 二等水準(zhǔn)網(wǎng)的主要技術(shù)要求

2.3 網(wǎng)形布設(shè)考慮因素

1）保持通視：在施工場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)布設(shè)，要避開建筑構(gòu)件堆放、拼裝場(chǎng)地，保證相鄰控制點(diǎn)之間的通視，難度非常大。必須針對(duì)場(chǎng)區(qū)布置圖和土建看臺(tái)通道位置布設(shè)施工控制網(wǎng)。

2）便于直接施工放樣。

3）便于直接進(jìn)行卸載變形監(jiān)測(cè)。

4）鋼結(jié)構(gòu)控制網(wǎng)與原土建控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)一致。

5）標(biāo)志采用強(qiáng)制對(duì)中裝置，減少對(duì)中誤差，提高測(cè)量精度和效率。

6）便于加密網(wǎng)布設(shè)。

7）兼顧混凝土二期基座施工，網(wǎng)點(diǎn)盡力布置在基座范圍之外。

2.4 儀器設(shè)備

1）Leica TCA2003激光全站儀1臺(tái)套。測(cè)角精度0.5″，測(cè)距精度1＋1ppm。

2）Leica NA2＋GPM3自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀1臺(tái)套。每千米高差中誤差0.7mm。

2.5 觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

1）平面控制網(wǎng)：采用全站儀測(cè)邊測(cè)角將控制點(diǎn)組成混合導(dǎo)線網(wǎng)。水平角觀測(cè)四測(cè)回。左右角之和與360°相差要求小于5s，測(cè)回間角度互差小于5s；平距往返觀測(cè)各兩測(cè)回。觀測(cè)數(shù)據(jù)處理合格后，采用間接平差法嚴(yán)密平差。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)施工規(guī)范對(duì)定位放樣的允許偏差，要求平差后相對(duì)點(diǎn)位中誤差不大于±3mm。

2）高程控制網(wǎng)：按二等水準(zhǔn)要求進(jìn)行高程控制網(wǎng)觀測(cè)。視線長(zhǎng)度及高度應(yīng)滿足表2的要求。

表2 二等水準(zhǔn)視線長(zhǎng)度及高度等要求

2.6 控制網(wǎng)的加密

鑒于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地面積較大，柱腳底標(biāo)高較深，同時(shí)考慮到鋼結(jié)構(gòu)柱腳施工時(shí)，柱腳承臺(tái)還未進(jìn)行回填，以及邊坡穩(wěn)定性較差等實(shí)際情況。錨梁、柱腳的測(cè)量定位利用鋼結(jié)構(gòu)專用控制網(wǎng)（外環(huán)），可以在邊坡上短時(shí)間布設(shè)外圍加密控制點(diǎn)，以滿足錨梁、柱腳定位的需要。支撐塔架、主桁架、次結(jié)構(gòu)的測(cè)量定位利用總包提供的鋼結(jié)構(gòu)專用控制網(wǎng)（內(nèi)環(huán)）設(shè)置一些內(nèi)部加密控制點(diǎn)。

外圍加密控制點(diǎn)采用現(xiàn)用現(xiàn)做的辦法，內(nèi)部加密控制點(diǎn)在土建單位對(duì)看臺(tái)樓板施工后統(tǒng)一進(jìn)行布設(shè)，但在正式使用之前，外圍、內(nèi)部加密控制點(diǎn)將按程序?qū)用芸刂泣c(diǎn)進(jìn)行報(bào)驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)8d的觀測(cè)，建立的加密網(wǎng)精度為導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差1/68 590，小于1/55 000，測(cè)角中誤差為＋1.1″，小于±1.8″，完全滿足精度要求，順利通過(guò)監(jiān)理的驗(yàn)收。

3 主桁架的安裝測(cè)量

主桁架的安裝測(cè)量以有兩個(gè)支撐塔架的為例進(jìn)行敘述，一個(gè)或三個(gè)支撐塔架的情況類似。安裝內(nèi)容主要包括桁架柱的安裝測(cè)量和主桁架的安裝測(cè)量?jī)刹糠帧?/p>

3.1 桁架柱定位軸線的設(shè)置

根據(jù)場(chǎng)內(nèi)已建立的控制網(wǎng)，利用經(jīng)緯儀或全站儀測(cè)設(shè)出管口的定位軸線，標(biāo)記鮮明。具體操作方法和步驟同“柱腳的定位測(cè)量”，以一根桁架柱為例，需放樣出6條定位線，如圖1所示。

圖1 桁架柱定位軸線示意圖

3.2 桁架柱垂直度測(cè)量

桁架柱的垂直度控制是在柱身底部定位完成之后進(jìn)行的一項(xiàng)工作。因桁架柱為組合柱，且內(nèi)柱垂直于地面，故桁架柱的垂直度控制以內(nèi)柱（菱形柱）控制為準(zhǔn)，輔助外柱進(jìn)行校核。實(shí)際測(cè)量時(shí)，采用T2經(jīng)緯儀進(jìn)行觀測(cè)。

桁架柱安裝垂直度測(cè)量控制經(jīng)緯儀布置如圖2所示。

圖2為桁架柱第一段安裝時(shí)的控制示意圖，第二段方法類似。

具體操作步驟如下：

1）將經(jīng)緯儀架設(shè)在菱形柱的控制線上（見圖2）。

圖2 桁架柱垂直度校正示意圖

2）將經(jīng)緯儀按要求安置好后，用經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)內(nèi)柱底部，調(diào)整焦距，固定望遠(yuǎn)鏡水平裝置，旋動(dòng)微動(dòng)螺旋，使目鏡十字絲與內(nèi)柱底邊中點(diǎn)標(biāo)志重合，然后將望遠(yuǎn)鏡揚(yáng)起，調(diào)整焦距。若內(nèi)柱頂邊中點(diǎn)與十字絲中點(diǎn)重合，則該方向內(nèi)柱垂直度已校正好；若不重合，則應(yīng)將其調(diào)整到十字絲中點(diǎn)位置。

3）另外一個(gè)方向方法同上。注意在找正時(shí)，兩臺(tái)經(jīng)緯儀必須同時(shí)進(jìn)行作業(yè)。

4）在內(nèi)柱垂直度調(diào)整到位以后，應(yīng)對(duì)其整體垂直度進(jìn)行復(fù)核。首先架設(shè)經(jīng)緯儀進(jìn)行內(nèi)柱垂直度的觀測(cè)，然后在內(nèi)業(yè)根據(jù)三維模型圖獲得外柱分段點(diǎn)處的三維坐標(biāo)，用全站儀校核點(diǎn)在三維空間的位置（操作方法與“柱腳的安裝定位”類似）。桁架柱的安裝質(zhì)量直接關(guān)系到其他構(gòu)件的安裝質(zhì)量，因此將對(duì)桁架柱現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)桁架柱的位置進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)，采用觀測(cè)內(nèi)柱側(cè)面中心線垂直度的辦法進(jìn)行控制，若前后兩次內(nèi)柱垂直度偏差大于2mm，將采用調(diào)整焊接順序等方法將桁架柱垂直度校正過(guò)來(lái)。

3.3 主桁架標(biāo)高控制

主桁架標(biāo)高的控制在塔架安裝到位，頂面標(biāo)高配置到位后進(jìn)行。標(biāo)高控制點(diǎn)的設(shè)置如圖3所示。

圖3 主桁架標(biāo)高測(cè)量控制點(diǎn)示意圖

A點(diǎn)，桁架與柱的連接處桁架的上弦中心線上；B點(diǎn)，塔架上部桁架上弦中心線上；C點(diǎn)，塔架上部桁架上弦中心線上。利用全站儀測(cè)量桁架的A、B、C3個(gè)標(biāo)高控制點(diǎn)，具體操作如下：首先在內(nèi)業(yè)利用三維模型獲得上述各點(diǎn)的標(biāo)高；在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置全站儀，并經(jīng)精確調(diào)平；Mini小棱鏡的司尺人員在一個(gè)已知高程的控制點(diǎn)上架設(shè)Mini小棱鏡；然后工作站（操作全站儀的地點(diǎn)）的人員將各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置到符合測(cè)量的狀態(tài)（如棱鏡的常數(shù)等等）；照準(zhǔn)Mini小棱鏡進(jìn)行測(cè)量，得到設(shè)站點(diǎn)的標(biāo)高；Mini小棱鏡的司尺人員在A點(diǎn)放置Mini小棱鏡；照準(zhǔn)Mini小棱鏡進(jìn)行測(cè)量，得到A點(diǎn)的標(biāo)高；按上述方法分別得B，C點(diǎn)的標(biāo)高。若B，C點(diǎn)的標(biāo)高與設(shè)計(jì)值存在差距，則應(yīng)調(diào)整塔架頂部支座，直至滿足要求，誤差范圍：－8～＋5mm。

3.4 主桁架平面位置的控制

主桁架的平面位置測(cè)量與標(biāo)高控制的方法類似，采用全站儀進(jìn)行。對(duì)主桁架的平面位置的控制分上下弦分別定位。首先是下弦的定位：用全站儀將下弦底面的主桁架控制點(diǎn)放樣到塔架支座上，采用放樣程序。然后是上弦的定位：在下弦底面的主桁架控制點(diǎn)與塔架上對(duì)應(yīng)點(diǎn)重合，以及主桁架標(biāo)高控制到位后方能進(jìn)行上弦的定位測(cè)量。上弦的定位測(cè)量采用全站儀的測(cè)量程序進(jìn)行，具體操作方法與前面有關(guān)內(nèi)容類似。為保證安裝質(zhì)量和主桁架的管口對(duì)口質(zhì)量，在進(jìn)行主桁架的安裝測(cè)量時(shí)，需對(duì)每個(gè)管口的4個(gè)角點(diǎn)或4條邊中點(diǎn)的位置進(jìn)行測(cè)量，確保管口位置符合設(shè)計(jì)要求和規(guī)范要求。同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行主桁架的垂直度測(cè)量。

3.5 主桁架偏差要求

安裝定位過(guò)程中主桁架的位置偏差不得大于2mm，標(biāo)高不得大于2mm，垂直度偏差H/1 000，否則主桁架應(yīng)重新定位。

在所有技術(shù)人員及員工的共同努力下，主桁架安裝準(zhǔn)確，標(biāo)高誤差1.5mm，位置偏差0.8mm，垂直偏差1/1 832，全部滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)家大型重點(diǎn)工程是國(guó)民建設(shè)的重中之重，工程的局部測(cè)量方法和精度要求也絕不容忽視。通過(guò)測(cè)量工作監(jiān)控桁架柱、主桁架安裝過(guò)程，使測(cè)量精度與安裝精度匹配，確保其安裝誤差控制在允許范圍內(nèi)，滿足精度要求，確保工程質(zhì)量。

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