鋼結構高層住宅鋼框架柱垂直度精度控制技術研究

張 濤

（中鐵十一局集團建筑安裝工程有限公司，湖北襄陽 441003）

0. 引言

當前國家主導推行裝配式建筑，因此，高層和超高層鋼結構住宅工程在建筑行業中備受青睞。相關施工問題隨之而起，因其施工作業環境屬于高架作業的特殊性，再加上施工界面作業繁雜，所以鋼結構施工精度控制問題值得受重視[1]。在鋼結構構件工程安裝過程中，施工測量是一項非常重要、專業性較強的工作，測量精度的高低直接影響到工程質量，測量效率的高低又直接影響到工程進度，因此，安裝測量技術的水平是評價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關鍵工序。

高層鋼結構鋼柱垂直度控制實時測量是我們在長期高層和超高層鋼結構施工測量放樣實踐中，利用免棱鏡全站儀、計算機的性能，通過對傳統的施工測量方法進行研究改造，形成的針對高層鋼結構工程施工測量放樣的施工方法。該方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、全站儀進行數據實時鏈接技術。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。在此，我們編制此方法，希望它能夠為以后高層鋼結構的施工測量提供指導作用。

1. 分析計算、通訊程序編寫

1.1 收集資料

基本資料包括型鋼構件編號、構件中心坐標、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以及全站儀的指令碼資料，程序編寫前應與鋼柱安裝校正施工人員多次溝通，相互提供對方所需要的資料。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。

1.2 編寫程序

按程序功能不同可把程序分成3 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；鋼柱中心偏差及鋼柱的扭曲變形值分析計算模塊。

（1）基礎數據管理模塊：由于數據關系比較簡單，基礎數據的管理利用Microsoft Office Access 軟件建立Access數據庫，數據庫的建立及數據的整合、修改及刪除等管理工作可以通過Microsoft Office Access 軟件直接進行。（2）計算機與全站儀之間進行實時數據通訊模塊:計算機與全站儀一般通過串行端口進行數據交換，編程前應熟悉操作串行端口的編程語句。另外，需要準確確定計算機發出測量指令后，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。

1.2.1 鋼柱中心坐標的間接測量

依托工程項目鋼柱的截面為矩形鋼柱。鋼柱柱頂與柱底中心一般都無法直接觀測，所以，通過測量其他特征點的坐標，從而來間接計算中心點的坐標，下面對鋼柱中心坐標間接測定和計算方法進行簡述。

鋼柱中心坐標測量如圖1 所示，b、c為觀測標志，與鋼柱線相對稱放置，其距離S可在貼片上測得，d點在與bc相垂直方向延伸鋼柱寬度的一半sdo即為鋼柱的中心位置，sdo可根據鋼柱的尺寸來定，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1 矩形鋼柱中心坐標計算示意圖

由已知方位αkp及α1、α2可計算鋼柱中心坐標，計算算法如下：

類似地可以得到xc、yc、zc

則得到矩形鋼柱中心坐標

1.2.2 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。

按照上述步驟可得到了鋼柱在觀測點截面處的中心點坐標和高程，柱底的高程在上述點Z坐標上進行先加減即可。

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坐標，要求平面控制點與高程控制點布置在同一位置上。

3. 平面控制點豎向傳遞

3.1 平面控制點豎向傳遞的流程

平面控制點豎向傳遞的流程如圖2 所示。

圖2 平面控制點豎向傳遞的工藝流程

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3 所示。所有控制點傳遞完成后，則形成該樓層軸線控制網[2]。

圖3 平面控制點豎向傳遞示意圖

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≤±2mm，與理論值之差ΔS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|Δβ|應小于0.0025ρ×S3/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Δβ和距離偏差ΔS超出規范要求，則必須重新豎向投測平面控制點。只有當Δβ、ΔS符合要求后，方可進行平差[2]。

3.4 秩虧自由網平差

因為投點存在誤差，因此，測量出來的角度和邊長與已知值也同樣存在一定的誤差，故需要進行平差處理，提高控制點的精度。由于每個點都有可能存在誤差，平差時無起始數據，所以通常采用秩虧自由網平差。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。

其中：

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，在進行自由網平差時，需要保持了這些點的重心坐標不變。進行實際平差時，測量得出的各點精度均較高，保障施工測量放樣的精度。

3.5 歸化改正后放樣出軸線網

利用全站儀進行細部軸線的放樣，利用平差后的控制點坐標，采用極坐標法放樣，不需要對控制點進行歸化改正；用經緯儀和鋼卷尺放樣軸線，應該對控制點進行歸化改正，再以歸化后的控制點作為平面測量的依據；鋼卷尺測距時，應該在鋼尺的自由端施加標準拉力，且需進行溫度尺長改正。

4. 標高的向上傳遞及控制線放樣

標高傳遞方式使用掛鋼尺法，在測量過程中必須施加標準拉力，應該進行溫度尺長改正。標高向上傳遞均應單獨進行兩次，兩次測量較差ΔH不宜大于7mm,取平均值作為最后結果。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。

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。

5. 鋼柱垂直度校正實時測量過程

5.1 鋼柱垂直度校正實時測量

在高層鋼框架結構安裝過程中，鋼柱垂直度質量控制十分關鍵，這包含單節鋼柱垂直度及建筑物整體垂直度控制兩個方面。單節柱垂直度精度控制是整體垂直度控制的前提，通過控制單節柱柱的垂直度精度，從而保證建筑物整體的垂直度。鋼柱安裝完成后，加強自檢、監理驗收檢查，每節柱安裝檢查、三節柱復核，最后整體復核，通過層層把關，確保整體垂直度在允許偏差范圍[3]。鋼柱垂直度校正實時測量流程如圖4 所示。

圖4 鋼柱垂直校正實時測量流程圖

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2mm ～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5 所示。

圖5 極坐標法測量示意圖

（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6 所示。

圖6 自由測站示意圖

A、B、C為已知點；P為待定點。

式中，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°～60°，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。

（3）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）信息及時傳遞給操作人員:把上述信息傳遞給操作人員，指導其施工，傳遞信息可借助對講機等工具。

（5）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。

6. 結語

結合施工過程中采用的施工測量方法，即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坐標，測量值傳輸到計算機，程序按照鋼構件的幾何形狀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，利用此測量方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，減少測量結果的反饋時間，提高鋼柱的安裝質量。測量過程代替放樣過程，測量精度提高，減少了測量誤差，提高了鋼結構以及建筑物的質量等級。