超高層建筑核心筒及電梯井偏差監測方法

2016-05-06 05:27:39段鵬，彭浩

測繪通報 2016年3期

段　鵬，彭　浩

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060)

超高層建筑核心筒及電梯井偏差監測方法

段鵬，彭浩

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060)

A Deviation Monitoring Method for Core Tube and Elevator Shaft of Ultra High-rise Building

DUAN Peng，PENG Hao

摘要：超高層建筑物核心筒及電梯井偏差監測是建筑物整體施工監測的重要組成部分。本文以廣州周大福金融中心為例，從基準控制網、坐標基準傳遞、偏差測量和數據處理4個方面詳細闡述了監測方案的實施要點，并結合實測數據證實了方案的可行性，對同類的監測項目具有良好的參考價值。

關鍵詞：超高層建筑；基準控制網；坐標基準傳遞；偏差監測

超高層建筑是城市發展的必然產物，由于超高層建筑結構的特殊性，對建筑內部核心筒的設計及施工精度提出了更高的要求；電梯作為垂直交通的工具，電梯井的施工偏差將直接影響電梯的安裝和正常使用。為了確保超高層建筑物的施工精度，施工過程中的誤差和變形監測顯得尤為重要。

廣州周大福金融中心(廣州東塔)是集寫字樓、酒店、大型商業于一體的大型綜合性建筑，占地面積2.6萬m2，地下五層，主塔樓111層，主樓總高度約為530 m，建筑高度高于傳統意義上的超高層建筑，對整體工程的施工質量要求較高。傳統的監測方案在測量精度上不足以滿足工程需求，故需對廣州東塔核心筒和電梯井偏差測量制定嚴密可靠的監測方案，并配合高精度儀器，確保監測結果精準可靠。

一、施工監測方案

廣州東塔的核心筒和電梯井偏差監測方案主要由4個部分組成：基準控制網的建立、坐標基準的傳遞、核心筒和電梯井偏差測量及數據處理。基準控制網的布設分可為兩部分：基準平面控制網和首級施工控制網，兩者均采用GPS靜態觀測方式獲取基線并計算坐標。基準平面控制網點位距施工現場較遠，目的是為了保持點位的穩定性；首級施工控制網距施工現場較近，便于將坐標基準傳遞至東塔樓層首層。同時，也可利用基準平面控制網對首級施工控制網進行檢核，判斷施工基準是否發生變動。首級施工控制網引至首層的坐標基準，需利用激光投點的方式從下往上傳遞，并根據要求檢查投射點的內、外符合性。投射的基準點經檢測符合要求后，以投射點位起算基準，布設一級導線，并對核心筒及電梯井的剪力墻均勻采集碎步點。最后將外業采集數據匯總整理，得出監測成果。

1. 基準控制網

基準平面控制網是施工監測的根本基準，平面控制網的精度將直接影響首層施工控制網的精度和監測成果的可靠性。平面控制網點位的選擇，需要綜合考慮GPS觀測條件、圖形條件、通視條件及后續應用等因素，結合施工現場勘查，最終基準平面控制網由均勻分布在東塔附近的4個點組成，分別為廣州新圖書館樓頂東側、天鑾廣場A4-A5棟樓頂、朱美拉公寓C座樓頂、高德置地夏座樓頂，如圖1所示，JC01—JC04分別表示4個控制點。本次平面基準控制網采用天寶R8型接收機，在選取的控制點上按照GPS一級網的要求進行觀測，觀測要求見表1。

圖1　基準平面控制網示意圖

項目要求接收機類型TrimbleR8觀測量載波相位接收機標稱精度5mm+1×10-6D衛星高度角≥15°有效觀測衛星數≥4數據采樣間隔/s5點位幾何圖形強度因子(PDOP)≤6

在基準平面控制網的基礎上，需在靠近東塔所在地增設首級施工控制網，作為施工監測的基準。首級施工控制網點毗鄰施工區域，點位之間的兼容性及穩定性容易發生變化，需要利用穩定的外圍基準對其進行監測，保證施工測量基準的統一。根據實際地形綜合考慮后，在高德置地、廣州圖書館、利雅灣樓頂各設置一個基準點，如圖2所示，外業觀測要求與基準平面控制網相同。基準平面控制網和觀測首級施工網布設完成后，需定期進行維護，第一年每3個月維護1次，其后每6個月維護1次，根據各期坐標差異、邊長差異、角度差異分析控制網的穩定性及兼容性。

圖2　首級施工控制網示意圖

2. 坐標基準傳遞

核心筒及電梯井偏差監測需將測量基準引至建筑物具體樓層，便于下一步的導線及碎步測量。若采用GPS靜態聯測的方式，將坐標基準引至每一樓層上，對于超高層建筑來講過于耗時耗力。考慮到精度要求和可操作性，東塔施工監測要求每隔50 m左右，采用激光投點的方式獲取樓層平面起算點坐標，此樓層稱為轉換層。沒有直接起算點坐標的樓層，將采用最近轉換層的基準點位置，繼續用激光投點的方法將起算基準傳遞至相應樓層。具體操作方法為：采用標稱精度為1/200 000的激光垂準儀分4次投射，每次投射時將垂準儀旋轉90°，取4個激光點的幾何中心為最終投射的點位位置。

施工監測時，由于非轉換層的坐標基準需要使用轉換層基準進行激光投射獲取，故需對轉換層樓層起算點成果作內、外符合性檢測，確保成果的準確性。轉換層起算點位外符合性的檢測測方法為：將控制點投遞至樓層鋼平臺，在鋼平臺標識處架設GPS接收機，與塔體外圍基準控制點JC01、JC02、JC03、JC04進行聯測。由于鋼平臺施工環境復雜，為了提高觀測的精度，可選擇合適觀測時段和增加觀測時間，觀測要求見表1。其內符合性檢測方法為：在轉換層控制點之間，利用高精度全站儀測量各點之間的距離及角度，并與建筑物首層相應基準點間邊長和角度相比較。若檢測結果為內外符合性誤差在容許范圍內，則可使用轉換層起算點作激光投射，傳遞坐標基準，并進行下一步導線和碎步測量；若誤差超限，則需重新使用激光投點獲取起算點位置。

當塔體處于靜止狀態時，最終投射的點位誤差只與原始點位誤差和激光投射引起的誤差相關。實際情況下，當塔體受到風力、地球自轉、日照等外界因素影響時，將會產生一定的動態偏擺，此時激光投射的點位誤差還與塔體的振幅相關，當振幅超過一定程度時，需要對投射點位進行修正。塔體動態特性監測采用數字CCD和傾斜傳感器24 h動態監測方法，兩種方法相互論證，相互檢核，并利用檢核后的成果對塔體的動態特性進行改正，降低外界因素對投點精度的影響。

3. 偏差測量

廣州東塔采用的是多電梯系統，即由地面始發站至局部區域中轉站，乘客到達中轉站后再換乘區間電梯到達不同的樓層。因此，不同樓層需進行監測的電梯井位置并不一致。施工監測中，要根據不同樓層電梯井的具體情況，對相應的剪力墻進行監測。

選擇最近的轉換層控制點，將點位投射至所測樓層后，將投射點作為起算點，使用徠卡TCA2003全站儀(標稱精度為0.5″，1 mm+1×10-6D)，按照一級導線的觀測要求布設導線網。另外，在布設干線的基礎上，為測量部分電梯井，可以適當增設支導線，如圖3所示。

根據所測樓層電梯井位置，在相應剪力墻上均勻布設碎步點，圖4中所示部分核心筒內符號代表電梯，圓圈部分表示碎步點。由于監測過程中部分電梯井已關閉，無法實測相應核心筒內剪力墻，在檢測報告中應予以說明。

圖3　導線網示意圖

圖4　電梯井內碎步點示意圖

由于風力等外界因素和施工誤差的影響，塔體核心筒豎直軸線會在某種程度上偏差垂直方向。樓層高度不同，中心點偏離豎直軸線的距離也并不一致，如圖5所示，H表示樓層標高，Sj表示樓層豎直軸線與設計軸線間的偏差，垂直度則為后者與前者的比值，即角度a的正切值。為了確保施工過程的準確性和建筑物的安全使用，需對塔體豎直軸線偏差大小及偏差角度進行監測。具體做法為：在布設一級導線的基礎上，在核心筒四周的剪力墻上均勻采集碎步點，通過采集的碎部點坐標擬合出實際剪力墻邊線，求出4個角點，并與設計值進行比較。

4. 數據處理

(1) 導線網平差及電梯井偏差計算

以轉換層已知點或非轉換層的投射點作為所測樓層的起算點，按照城市一級導線的要求進行導線網平差計算。控制網平差采用南方平差易軟件，若角度閉合差、全長相對閉合差等符合表2規定則保存結果；若某項指標未達到，則需仔細檢查原始數據，必要時外業返工，直至平差結果通過。控制測量數據處理結束之后，采用筆者所開發軟件計算碎步點坐標，軟件界面如圖6所示。

圖5　垂直度示意圖

分類上限值測距中誤差/mm15測角中誤差/(″)5導線全長相對閉合差1/15000方位角閉合差10n

圖6　碎步計算軟件界面

將碎步點成果展至CAD設計圖上，如圖4所示，通過碎步點和相應剪力墻的垂線距離反映墻體的偏移程度，以此判斷電梯井的施工偏差，并為電梯的安裝提供參考依據。

(2) 核心筒垂直度偏差計算

核心筒偏差大小是通過剪力墻4個角點的設計坐標和實測坐標之差予以反映的。在核心筒4個方向的剪力墻上均勻布設碎步點。根據采集的碎步點坐標，對核心筒4條邊分別擬合，如圖4所示延長擬合直線相交可以求出4個頂點的坐標(如圖7所示)，把4個頂點坐標與設計線延長線的4個頂點坐標相比較，按靜力矩法計算該層(如第j層)實測中心與設計中心的坐標偏差Δxj、Δyj和偏心差Sj，計算公式如下

式中，dxi、dyi為第j層第i點的檢測坐標與設計坐標之差。進一步可計算第j層的總垂直度Kj

式中，Hj為j層相對于地面的總高度。

圖7　垂直度偏差求取示意圖

5. 結果分析

采用如上所述的監測方案，廣州東塔各層核心筒垂直度偏差成果如圖8所示，圖中縱軸表示東塔各樓層標高，橫軸表示各樓層垂直偏差，即各樓層實測中心與設計中心的偏差絕對值。參照《高層建筑混泥土結構技術規程》《建筑變形測量規范》和《工程測量規范》的設計要求，工程主體軸線總體偏差不得超過H/1000且應小于30 mm。由圖8可以看出，各樓層核心筒垂直度符合規范要求，從數據上證實了方案的可行性。

三、結束語

超高層建筑的施工監測，對成果的精度指標及可靠性提出了很高的要求。本文基于廣州東塔監測項目特點，從基準控制網和首級施工控制網的建立、坐標基準的傳遞、偏差測量和數據處理4個方面，制定了一套嚴密的監測方案，并結實測數據證實了方案的可行性，為超高層建筑電梯安裝、裝修施工提供了參考依據，對類似工程具有良好的借鑒作用。