施工坐標(biāo)系統(tǒng)在水利水電工程中的建立與應(yīng)用

（中國水利水電第六工程局有限公司，沈陽市，110000）

1 概述

水利工程形式多種多樣，有大壩、廠房、壓力管道、調(diào)壓井、引水隧洞等，由于工程的設(shè)計是在總體規(guī)劃下進行的，因此建筑物的軸線往往不能與大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸平行或垂直，依據(jù)測量控制點進行測量工作時如果只進行簡單的軸線放樣是比較簡單，但是當(dāng)遇到比較復(fù)雜的建筑物（比如：水電站發(fā)電廠房）時就比較費時費力，而且難度比較大。為此，針對建筑物的細(xì)部結(jié)構(gòu)與軸線垂直或平行的特點，我們在具體的工作中可以建立施工坐標(biāo)系統(tǒng)，這樣一來很多問題都能夠迎刃而解，而且比較直觀，大大的提高工作效率。

2 施工坐標(biāo)系統(tǒng)的適用范圍

施工坐標(biāo)系統(tǒng)適用于一些大型綜合性的建筑物，結(jié)構(gòu)形狀都比較復(fù)雜，建筑面積相對較大，分部工程較多，又需要一體澆注完成，對于測量的精度要求較高，普通的軸線控制方法不能達到具體的施工測量要求時我們采用施工坐標(biāo)系統(tǒng)。對于直線型的道路同樣適用，使用坐標(biāo)控制軸線的方式能夠更加方便、快捷、準(zhǔn)確的完成施工測量任務(wù)，使用全站儀放軸線控制點，經(jīng)緯儀放控制線，也充分利用了儀器的最優(yōu)功能。需要注意的是當(dāng)?shù)缆窞榍€時盡量不要采用施工坐標(biāo)系，如果采用的話一定要注意施工坐標(biāo)系所控制的范圍。

3 建立施工坐標(biāo)系的基本原理

供工程建設(shè)施工放樣使用的平面直角坐標(biāo)系，稱為施工坐標(biāo)系，也稱為建筑坐標(biāo)系。

圖1 施工坐標(biāo)系統(tǒng)與大地坐標(biāo)系統(tǒng)之間的位置關(guān)系

由圖1可知，XOY為大地坐標(biāo)系統(tǒng)，X’O’Y’為施工坐標(biāo)系統(tǒng)，點A在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)為（X,Y），在施工坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)為(X’,Y’)，施工坐標(biāo)系原點O’在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)為(XO,YO)，角α為大地坐標(biāo)系統(tǒng)的縱軸X與施工坐標(biāo)系統(tǒng)的縱軸X’的夾角即施工坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角，那么根據(jù)圖形間的幾何關(guān)系可以推算出它們之間的換算關(guān)系即：

點A由大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)公式為

點A由施工坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)公式為

其中夾角α可以通過設(shè)計圖紙推算出來。

通過上述公式1可以計算出各個控制點所對應(yīng)的施工坐標(biāo)，然后根據(jù)控制點的施工坐標(biāo)對全站儀進行架設(shè)，設(shè)置后的全站儀所置的坐標(biāo)系統(tǒng)就是施工坐標(biāo)系統(tǒng)，與設(shè)計圖紙一致而且比較直觀。

4 CASIO-5800P計算器在轉(zhuǎn)換過程中的運用

上面我們詳細(xì)闡述了大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)的基本原理，通過公式我們可以計算出一個大地坐標(biāo)相對應(yīng)的施工坐標(biāo)，但是公式比較麻煩而且手算時容易出錯，這時我們就可以借助工程編程計算器來解決這個問題，計算器編寫代碼輸入后，運算時只需要輸入數(shù)字，得到結(jié)果。

下面我們只以大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)公式為例編寫代碼。

說明：XO/YO為施工坐標(biāo)系原點O’在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)即擬建立施工坐標(biāo)系的原點。

X/Y為點A在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)。

SGX/SGY為點A經(jīng)過轉(zhuǎn)換后所對應(yīng)的施工坐標(biāo)。

XZJ為大地坐標(biāo)系統(tǒng)的縱軸X與施工坐標(biāo)系統(tǒng)的縱軸X’的夾角。

以上為大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)在CASIO-5800P計算器中的代碼公式，代碼輸入計算器后，按提示進行操作即可得到結(jié)果。

5 施工坐標(biāo)系統(tǒng)在黃河劉家峽洮河口排沙洞及擴機工程中的建立及運用

5.1 工程概況

劉家峽洮河口排沙洞擴機工程位于劉家峽水電站左岸，主要建筑物由排沙洞、發(fā)電支洞、調(diào)壓井、壓力管道及岸邊電站廠房等組成。擴機電站裝機2臺，總裝機容量300MW，工程屬二等大（2）型工程。排沙洞、發(fā)電洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、廠房系統(tǒng)等主要建筑物為2級，次要建筑物為3級。擴機工程為排沙洞分岔段下游引水發(fā)電系統(tǒng)（包括發(fā)電洞、調(diào)壓井、壓力鋼管和電站廠房等）。

5.2 建立施工坐標(biāo)系統(tǒng)的目的

由于該工程的廠房開挖及混凝土襯砌工作結(jié)構(gòu)復(fù)雜，普通的測量手段難以滿足現(xiàn)場施工需要，為加快測量速度、提高點位精度，所以需要建立施工坐標(biāo)系統(tǒng)。擬建立的施工坐標(biāo)系統(tǒng)主要控制發(fā)電廠房施工區(qū)域，兼顧廠房邊坡、進場交通洞等。

5.3 廠房布置與大地坐標(biāo)系統(tǒng)之間的位置關(guān)系

圖2 廠房布置形式與大地坐標(biāo)系統(tǒng)之間的位置關(guān)系

圖2中綠色的軸線表示大地坐標(biāo)系統(tǒng)的軸線，紅色的軸線代表施工坐標(biāo)系統(tǒng)的軸線，紅色軸線與綠色軸線的交點為施工坐標(biāo)系統(tǒng)的原點。

根據(jù)設(shè)計文件可知廠房施工坐標(biāo)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角為16°0′43.23″，施工坐標(biāo)系統(tǒng)的原點坐標(biāo)為X=3978961.6499、Y=119976.9322，得到以上數(shù)據(jù)即可對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換

5.4 廠房內(nèi)控制點數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

得到發(fā)電廠房與大地坐標(biāo)系統(tǒng)之間的關(guān)系后即可對廠區(qū)內(nèi)的控制點坐標(biāo)進行轉(zhuǎn)換，這里我們選取比較典型的兩個控制點S1、S2為例進行轉(zhuǎn)換計算。

表1 兩控制點S1、S2的大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)

打開CASIO-5800P計算器把程序1輸入進去，按照步驟提示進行數(shù)據(jù)錄入，以S1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為例：

步驟1：X0=? 輸入施工坐標(biāo)系統(tǒng)原點坐標(biāo)X0的數(shù)值3978961.6499

步驟2:Y0=? 輸入施工坐標(biāo)系統(tǒng)原點坐標(biāo)Y0的數(shù)值119976.9322

步驟3:XZJ=? 輸入施工坐標(biāo)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角的數(shù)值16°0′43.23″

步驟4:X=? 輸入待轉(zhuǎn)換的S1數(shù)據(jù)X值3979021.8570

步驟5:Y=? 輸入待轉(zhuǎn)換的S1數(shù)據(jù)Y值119 974.5 372

步驟6:SGX=57.2 107 得到S1施工坐標(biāo)X值

步驟7:SGY=-18.9 095 得到S1施工坐標(biāo)Y值

S2數(shù)據(jù)重復(fù)以上步驟，得到表2數(shù)據(jù)。

這時我們可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)負(fù)數(shù)，那么我們就要根據(jù)設(shè)計圖紙定義一下正負(fù)數(shù)的實際含義，這里我們規(guī)定SGX為正時表示廠下、SGX為負(fù)時表示廠上、SGY為正時表示廠右、SGY為負(fù)時表示廠左，為更加形象的表示各個象限詳見圖3。

圖3 廠區(qū)施工坐標(biāo)系統(tǒng)象限示意圖

那么轉(zhuǎn)換后S1數(shù)據(jù)的可以稱為：廠下57.2107、廠左18.9095、高程1 628.8 927

為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，我們可以根據(jù)圖紙推算數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)相比對，校核其正確性。然后對兩種方式數(shù)據(jù)進行比對就可以發(fā)現(xiàn)其正確與否。

表2 兩種計算方式結(jié)果比較

通過對比分析我們可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)程序1轉(zhuǎn)換的施工坐標(biāo)數(shù)據(jù)與由圖紙推算出的施工坐標(biāo)數(shù)據(jù)是吻合的，誤差最大的為1.1mm，那么我們就可以判斷表2中轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)是正確的，程序1可以使用。

5.5 全站儀對施工坐標(biāo)系統(tǒng)的運用

我們通過上述步驟已經(jīng)得到控制點轉(zhuǎn)換后的施工坐標(biāo)，結(jié)合全站儀，那么以后的測量工作就變得相當(dāng)容易，全站儀可以直接測量出一個點的坐標(biāo)，這是其最大的優(yōu)點。

利用以上兩控制點的施工坐標(biāo)，設(shè)置全站儀，目前通用快捷的架站方式有后方交會、坐標(biāo)定向兩種（架站原理這里不做詳細(xì)論述），儀器架設(shè)完成，滿足一定的精度就可以進行測量工作。由于我們是利用施工坐標(biāo)進行測量，那么全站儀目前所置的就是施工坐標(biāo)系統(tǒng)，與設(shè)計圖紙上的廠房布置形式吻合，那么我們進行測量時就比較直觀，全站儀測出來的數(shù)字就是圖紙上的數(shù)字。

比如我們現(xiàn)在要測量出7#發(fā)電機組的中心（廠上0.000，廠左19.700），那么我們只需要讓全站儀屏幕上的測量數(shù)據(jù)顯示（X:0.000，Y:-19.700）就可以，測量步驟簡單，不需要拿著計算器計算，可以節(jié)約大量的時間。需要注意的是這里我們定義的上下左右與廠方布置圖的關(guān)系，這是問題的關(guān)鍵，稍有不慎就會釀成大錯，切記。

6 結(jié)語

將施工坐標(biāo)系統(tǒng)與大地坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)進行換算，使其坐標(biāo)統(tǒng)一，便于施工中的軸線控制、計算及復(fù)核，對施工整個過程具有測設(shè)方便、準(zhǔn)確，減少施工測量放線的工作量，提高經(jīng)濟效益和施工質(zhì)量，特別對復(fù)雜外形，多點建筑物的施工測量放線工作具有很好的應(yīng)用前景，不單單適用于水利工程，市政、房建、道路等工程領(lǐng)域。

在實際的測量工作中我們追求就是把復(fù)雜的工作簡單化，節(jié)約時間，提高精度，那么施工坐標(biāo)系統(tǒng)就滿足這一需要，它具有普遍意義，值得推廣，并在今后的實踐中總結(jié)和提高。