國家體育場主桁架施工測量

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 473009；2.中國機械工業(yè)第四安裝工程公司，河南 鄭州 450002）

國家體育場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年奧運會的主體育場，由混凝土結(jié)構(gòu)（看臺、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，長軸為332.3m，短軸為297.3m，最高點高度為68.5m，最低高度為40.1m。屋蓋中間開洞長度為185.3m，寬度為127.5m。國家體育場鋼結(jié)構(gòu)主要由24榀門式桁架圍繞體育場內(nèi)部碗狀看臺區(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 工程特點及測量難點

1.1 工程特點

作為北京2008年奧運會主會場的國家體育場，其鋼結(jié)構(gòu)工程具有獨特的特點：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)點多，三維測量定位部位多；鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在空間上完全分離，既有相對獨立性，又有一定的相對關(guān)系；施工時，分階段、分區(qū)域、多單位拼裝；體育場工程整體施工順序為“看臺－鋼結(jié)構(gòu)－基座”，鋼結(jié)構(gòu)、混凝土工程具有3～4個月的交叉施工期；支撐塔架多，塔吊多，施工現(xiàn)場視線阻擋多。

1.2 測量難點

國家體育場的主體建筑平面布局呈橢圓形，鋼構(gòu)件的定位點均為三維坐標(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，柱腳的長寬尺寸達4～5m，高度最高達10m以上。所有柱腳均位于深基坑內(nèi)，現(xiàn)場操作困難。柱腳標(biāo)高大部分在＋1.500以下，安裝定位測量難度大。

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，雜亂無章，節(jié)點密集，且向外傾斜，安裝難度大。同時，所有立面次結(jié)構(gòu)均暴露在外，安裝精度要求較高，測量點多面廣，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，所有對接點均為高空對接，定位測量相當(dāng)困難。

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

2 控制網(wǎng)加密點的布設(shè)

2.1 平面控制網(wǎng)

原國家體育場GPS網(wǎng)為國家三等網(wǎng)，該網(wǎng)除滿足土建施工要求外，同時考慮了鋼結(jié)構(gòu)施工精度要求。鑒于國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工特點，在首級GPS網(wǎng)下，布設(shè)鋼結(jié)構(gòu)施工控制網(wǎng)，其設(shè)計精度為三等導(dǎo)線，其技術(shù)要求為：測角中誤差≤1.8″，最大邊長相對誤差≤1/150 000，方位角閉合差≤±3.6″，導(dǎo)線全長相對閉合差≤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，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；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)測所需控制點的要求。

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)的精度進行設(shè)計。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：在施工場地內(nèi)進行控制點布設(shè)，要避開建筑構(gòu)件堆放、拼裝場地，保證相鄰控制點之間的通視，難度非常大。必須針對場區(qū)布置圖和土建看臺通道位置布設(shè)施工控制網(wǎng)。

2）便于直接施工放樣。

3）便于直接進行卸載變形監(jiān)測。

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)志采用強制對中裝置，減少對中誤差，提高測量精度和效率。

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臺套。測角精度0.5″，測距精度1＋1ppm。

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

2.5 觀測與數(shù)據(jù)處理

1）平面控制網(wǎng)：采用全站儀測邊測角將控制點組成混合導(dǎo)線網(wǎng)。水平角觀測四測回。左右角之和與360°相差要求小于5s，測回間角度互差小于5s；平距往返觀測各兩測回。觀測數(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)范對定位放樣的允許偏差，要求平差后相對點位中誤差不大于±3mm。

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

表2 二等水準(zhǔn)視線長度及高度等要求

2.6 控制網(wǎng)的加密

鑒于現(xiàn)場場地面積較大，柱腳底標(biāo)高較深，同時考慮到鋼結(jié)構(gòu)柱腳施工時，柱腳承臺還未進行回填，以及邊坡穩(wěn)定性較差等實際情況。錨梁、柱腳的測量定位利用鋼結(jié)構(gòu)專用控制網(wǎng)（外環(huán)），可以在邊坡上短時間布設(shè)外圍加密控制點，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。

外圍加密控制點采用現(xiàn)用現(xiàn)做的辦法，內(nèi)部加密控制點在土建單位對看臺樓板施工后統(tǒng)一進行布設(shè)，但在正式使用之前，外圍、內(nèi)部加密控制點將按程序?qū)用芸刂泣c進行報驗。

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

3 主桁架的安裝測量

主桁架的安裝測量以有兩個支撐塔架的為例進行敘述，一個或三個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量和主桁架的安裝測量兩部分。

3.1 桁架柱定位軸線的設(shè)置

根據(jù)場內(nèi)已建立的控制網(wǎng)，利用經(jīng)緯儀或全站儀測設(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 桁架柱垂直度測量

桁架柱的垂直度控制是在柱身底部定位完成之后進行的一項工作。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)，輔助外柱進行校核。實際測量時，采用T2經(jīng)緯儀進行觀測。

桁架柱安裝垂直度測量控制經(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，旋動微動螺旋，使目鏡十字絲與內(nèi)柱底邊中點標(biāo)志重合，然后將望遠(yuǎn)鏡揚起，調(diào)整焦距。若內(nèi)柱頂邊中點與十字絲中點重合，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)整到十字絲中點位置。

3）另外一個方向方法同上。注意在找正時，兩臺經(jīng)緯儀必須同時進行作業(yè)。

4）在內(nèi)柱垂直度調(diào)整到位以后，應(yīng)對其整體垂直度進行復(fù)核。首先架設(shè)經(jīng)緯儀進行內(nèi)柱垂直度的觀測，然后在內(nèi)業(yè)根據(jù)三維模型圖獲得外柱分段點處的三維坐標(biāo)，用全站儀校核點在三維空間的位置（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，因此將對桁架柱現(xiàn)場焊接時桁架柱的位置進行定時監(jiān)測，采用觀測內(nèi)柱側(cè)面中心線垂直度的辦法進行控制，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來。

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)高配置到位后進行。標(biāo)高控制點的設(shè)置如圖3所示。

圖3 主桁架標(biāo)高測量控制點示意圖

A點，桁架與柱的連接處桁架的上弦中心線上；B點，塔架上部桁架上弦中心線上；C點，塔架上部桁架上弦中心線上。利用全站儀測量桁架的A、B、C3個標(biāo)高控制點，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已知高程的控制點上架設(shè)Mini小棱鏡；然后工作站（操作全站儀的地點）的人員將各項相關(guān)參數(shù)設(shè)置到符合測量的狀態(tài)（如棱鏡的常數(shù)等等）；照準(zhǔn)Mini小棱鏡進行測量，得到設(shè)站點的標(biāo)高；Mini小棱鏡的司尺人員在A點放置Mini小棱鏡；照準(zhǔn)Mini小棱鏡進行測量，得到A點的標(biāo)高；按上述方法分別得B，C點的標(biāo)高。若B，C點的標(biāo)高與設(shè)計值存在差距，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量與標(biāo)高控制的方法類似，采用全站儀進行。對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與塔架上對應(yīng)點重合，以及主桁架標(biāo)高控制到位后方能進行上弦的定位測量。上弦的定位測量采用全站儀的測量程序進行，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口質(zhì)量，在進行主桁架的安裝測量時，需對每個管口的4個角點或4條邊中點的位置進行測量，確保管口位置符合設(shè)計要求和規(guī)范要求。同時，還應(yīng)進行主桁架的垂直度測量。

3.5 主桁架偏差要求

安裝定位過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

國家大型重點工程是國民建設(shè)的重中之重，工程的局部測量方法和精度要求也絕不容忽視。通過測量工作監(jiān)控桁架柱、主桁架安裝過程，使測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。

［1］李永井.建筑工程測量［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［2］武漢測繪科技大學(xué)《測量學(xué)》編寫組.測量學(xué)［M］.北京：測繪出版社，1991.

［3］李聚方，趙杰.地形測量［M］.鄭 州：黃河 水利出版社，2004.

［4］吳來瑞，鄧學(xué)才.建筑施工測量手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［5］鮑廣盛.鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)及實例［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［6］中華人民共和國建設(shè)部.GB50205－2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2001.

［7］中國有色金屬工業(yè)協(xié)會.GB50026－2007工程測量規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［8］中華人民共和國建設(shè)部.GB50300－2001建筑工程施工質(zhì)量驗收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國計劃出版社，2001.

［9］北京城建集團有限責(zé)任公司.QB/GJJT－GTCG－2005國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：北京城建集團有限責(zé)任公司，2005.

［10］梁希福.精密工程放樣中測量新技術(shù)的應(yīng)用及質(zhì)量控制［J］.測繪工程，2009，18（4）：74－77.