工程全壽命三維測量技術(shù)體系建立與應用研究

高集朝

（北京市測繪設計研究院，北京100038）

1 引言

工程測量學是基礎(chǔ)測繪的一個分支，是空間測量在工程中的應用，經(jīng)歷了點線面體漸進測量方法的演變過程。涵蓋城市規(guī)劃、土木工程、交通工程、建筑工程、水利水電工程、環(huán)境工程、礦業(yè)工程、能源工程、海洋工程、石油工程和核工程等領(lǐng)域，并貫穿于工程建設的始終（規(guī)劃、建設、運營和拆除四個階段）。目前，工程測量主要局限在工程規(guī)劃和建設階段，或者說這兩個階段的測量更受到重視。然而，就面臨的城市長遠規(guī)劃問題、工程運營期安全問題和工程安全拆除問題等，工程測量技術(shù)迎來了很大的機遇和挑戰(zhàn)。另外，隨著工程測量技術(shù)和儀器的不斷改進創(chuàng)新，工程測量已不僅局限于點線測量，同時也兼?zhèn)涿骟w測量，實屬三維空間測量。但目前往往是把平面測量和高程測量進行多次測量，最后組合成空間，不僅工作量大、效率低、且往往和實際工程產(chǎn)生誤差。因此，伴隨著三維空間集成化測量技術(shù)的出現(xiàn)，很有必要根據(jù)全壽命的概念，建立“工程全壽命三維測量技術(shù)體系”，并利用先進的一體化三維測量技術(shù)進行工程應用，對完善工程測量理論和技術(shù)、提高機械化和計算機化程度、減少誤差等具有重要意義。

目前，工程全壽命三維測量技術(shù)研究較少，主要原因是［1－4］：（1）工程前期規(guī)劃注重平面規(guī)劃，而對高程規(guī)劃重視不夠；（2）工程運營期的測量工作多數(shù)被忽略，只在受地質(zhì)作用影響較大的地下工程中應用較多；（3）工程拆除階段過多的是瞄準工程的應力狀態(tài)，而對其當前的結(jié)構(gòu)特性和幾何狀態(tài)關(guān)注較少；（4）傳統(tǒng)的點線式廣義三維測量技術(shù)應用簡單且便于掌握，對于狹義的先進三維測量技術(shù)則比較陌生，且機械化計算機化程度高，不便于掌握等。但以上問題恰恰是有著現(xiàn)實需要的亟待解決的難題。因此，本文的研究具有現(xiàn)實意義。

2 工程全壽命

從系統(tǒng)工程和生命的角度講，工程也是一個系統(tǒng)的有機的生命。它同樣包含規(guī)劃（孕育）、建設（生長）、運營（成長）和拆除（衰老）等四個階段，并且在每個階段，工程自身均呈現(xiàn)出不同的特征和狀態(tài)，對周圍環(huán)境的影響是不同的。因此，有必要從全壽命周期的角度，將工程測量貫穿于工程的全過程進行研究。因此，工程全壽命是指研究工程在規(guī)劃、建設、運營和拆除等不同階段的結(jié)構(gòu)特性和狀態(tài)，以及和周圍環(huán)境的相互關(guān)系［5，6］。

3 測量技術(shù)

3.1 基礎(chǔ)測繪

基礎(chǔ)測繪是指在國家或區(qū)域按統(tǒng)一規(guī)劃和技術(shù)規(guī)范標準，進行的基礎(chǔ)地理信息的收集、整理、集成、存儲、檢索和虛擬現(xiàn)實，形成國家或區(qū)域基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)，以方便國家各個部門的需要，為經(jīng)濟社會的發(fā)展提供第一手基礎(chǔ)資料。其中，測繪基準主要包括重力基準、高程基準、大地基準和深度基準。

3.2 測繪網(wǎng)絡

測繪網(wǎng)絡是指為滿足不同需要而形成的國家或區(qū)域基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡，主要由國家平面控制網(wǎng)、國家高程控制網(wǎng)、國家重力基本網(wǎng)和國家GPS控制網(wǎng)組成，如表1所示。

表1 測繪網(wǎng)絡說明

3.3 工程測量學

工程測量學是研究工程從規(guī)劃、建設、運營到最終拆除過程中的測量理論、方法和技術(shù)，它是基礎(chǔ)測繪的分支，是測繪工程下的二級學科，是指運用不同的測量技術(shù)和儀器對新建、改建和擴建工程等進行準確測量，保障工程選址合理、保證工程的準確安全有序建設和運營。主要應用于土木工程、交通工程、建筑工程、水利水電工程、環(huán)境工程、礦業(yè)工程、能源工程、海洋工程、石油工程和核工程等領(lǐng)域。

上述工程測量學的定義是狹義的、相對靜態(tài)的，沒有包含工程全壽命周期的所有測量，而過多的強調(diào)工程規(guī)劃和建設期的測量。因此，有必要對其定義進行修改完善［7－9］。

3.4 三維測量技術(shù)

傳統(tǒng)的三維測量技術(shù)屬于疊加式三維測量技術(shù)，即通過點線和高程遞進式測量實現(xiàn)三維空間的測量，工作量大且和實物有偏差，這和當前工程建設是由平面的施工圖紙向空間的工程實物轉(zhuǎn)變有關(guān)。運用到的儀器主要由鋼尺、水準儀、經(jīng)緯儀和全站儀等。

先進的三維測量技術(shù)是一體化集成化的點線面體空間速成精確定位系統(tǒng)，可用于指導施工，并對已竣工的工程能精確掃描成虛擬實物實景。主要包括：GPS技術(shù)、攝影技術(shù)、量測技術(shù)、投影技術(shù)、航空攝影技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)等，運用到的儀器主要由水準儀、經(jīng)緯儀、全站儀、GPS、超站儀、陀螺儀、求積儀、平板儀、速測儀、激光測量攝影儀、量測儀、測圖儀、投影儀、手持測距儀、三維激光掃描儀、羅盤、鋼尺和秒表等。如圖1所示為某地形地貌三維激光掃描結(jié)果［10－12］。

綜上可知，工程全壽命三維測量技術(shù)是以工程需要為導向，以測量技術(shù)為前提，以工程實際為依據(jù)，以工程應用為目的，具有很重要的理論價值和應用價值。

4 工程全壽命三維測量技術(shù)體系

工程全壽命三維測量技術(shù)勢在必行，很有必要從系統(tǒng)工程角度建立一個相對應的技術(shù)體系，用以指導實際工程測量，以保證工程測量的完善與精準?，F(xiàn)以建筑工程為例，依托工程全壽命周期的四個階段、每個階段測量的內(nèi)容和所運用到的儀器特別是先進儀器，建立工程全壽命三維測量技術(shù)體系框架。如圖2所示。

5 “四位一體”工程全壽命三維測量

工程全壽命三維測量包括工程規(guī)劃階段、工程建設階段、工程運營階段和工程拆除階段等四個階段，上文建立了工程全壽命三維測量技術(shù)體系，為工程測量指明了方向。下面以實際建筑工程為例，就每個階段的測量內(nèi)容、測量意義和測量儀器進行一一說明，特別是充分利用現(xiàn)有的先進三維測量技術(shù)。

5.1 工程規(guī)劃階段

工程規(guī)劃是依據(jù)城市的未來發(fā)展和地理環(huán)境條件，對城市的布局和各項工程建設進行綜合部署。工程規(guī)劃包括控制性規(guī)劃和詳細性規(guī)劃，控制性規(guī)劃主要在于平面控制，即確定某種使用功能的場地的外紅線。而詳細性規(guī)劃主要在于控制紅線內(nèi)平面和高程，即建筑小區(qū)的建筑密度、容積率、綠化率以及建筑高度等，如圖3所示為某住宅小區(qū)的總體布置圖。工程規(guī)劃階段的測量內(nèi)容、測量意義和測量儀器如表2所示。

表2 工程規(guī)劃階段測量

5.2 工程建設階段

工程建設階段測量是較為重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到工程質(zhì)量、安全和耐久性，主要包括施工階段和竣工階段測量。因此，該階段的測量起承上啟下的關(guān)鍵作用。一個完整的工程項目主要由建設項目、單位工程、分項工程和分部工程等部分組成，逐步細化，不僅涉及到整個建設項目的整體規(guī)劃，更涉及到單位工程的平面和立體精確測量。工程建設階段的測量內(nèi)容、測量意義和測量儀器如表3所示，圖4所示為工程現(xiàn)場放線測量。

除表3中測量內(nèi)容外，必要時，施工階段也需要進行工程沉降的動態(tài)測量。

5.3 工程運營階段

工程運營階段測量主要是為了保證工程在運營期內(nèi)的安全和使用功能，同時通過測量結(jié)果對工程的設計施工進行信息反饋，為工程的后期維修加固和新建工程提供依據(jù)。就建筑工程而言，測量的內(nèi)容主要包括建筑沉降、局部沉降、地面沉降、傾斜、建筑裂縫、地裂縫、變形等，圖5為某建筑工程沉降觀測點。工程運營階段的測量內(nèi)容、測量意義和測量儀器如表4所示。

表4 工程運營階段測量

5.4 工程拆除階段

工程拆除階段測量主要是針對達到使用年限而不能繼續(xù)使用或經(jīng)過簡單加固后仍不能繼續(xù)使用的建筑工程而言。目前常用的拆除方法是由高到低逐步挖除法，對于高層建筑、煙囪或冷卻塔等則采用定向爆破法。但當前的挖除法或爆破法并沒有考慮建筑的現(xiàn)有狀態(tài)，往往按設計時的指標進行保守計算，不僅造成成本增加，還引起對周圍環(huán)境的影響（如噪聲、飛石和粉塵等）。

達到使用年限的建筑和新建時的狀況是不一樣的，這種變化不僅在于材料自身的變化，更重要的是建筑結(jié)構(gòu)的變化。因此，應在拆除前和拆除中進行精細的動態(tài)檢驗檢測和變形測量，才能保證既經(jīng)濟又安全的拆除方法。另外，拆除過程中的測量可為爆破動力學研究提供有價值的現(xiàn)場資料［13］。工程拆除階段的測量內(nèi)容、測量意義和測量儀器同工程運營階段，主要是為工程拆除提供可靠依據(jù)。

6 結(jié)論

通過實際工程實踐的總結(jié)歸納，對工程全壽命三維測量技術(shù)進行解釋，并建立工程全壽命三維測量技術(shù)體系。最后針對四個階段的工程量測內(nèi)容、測量意義和測量儀器進行說明，可得出以下結(jié)論：

（1）工程測量不僅僅局限于規(guī)劃階段和建設階段，運營階段和拆除階段的測量工作同樣重要，應形成“四位一體”的工程全壽命三維測量技術(shù)體系，用以指導工程測量。

（2）傳統(tǒng)的三維測量技術(shù)是由點線測量逐步形成面體空間，工作量大且和工程實際有偏差，先進的GPS定位測量和三維激光測量是三維空間準確測量的好方法。

（3）工程測量的每個階段，都應該明確測量的內(nèi)容、意義和需要的儀器。