武漢綠地中心超高層建筑平面控制網(wǎng)的建立

黃程成，趙胤植，劉 曙，戴 維，郭際明，梁明雨

（1.中建鋼構(gòu)武漢有限公司，湖北 武漢 430100；2. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

目前，超高層建筑已越來越多地出現(xiàn)在世界各地［1-5］。超高層建筑施工測(cè)量精度要求高，平面控制點(diǎn)向各樓層的精確傳遞是保障其垂直度的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，故采用高精度的儀器和合理的控制網(wǎng)測(cè)設(shè)方法，通過嚴(yán)密計(jì)算，建立高精度測(cè)量控制網(wǎng)，為施工測(cè)量和變形監(jiān)測(cè)提供精確的參考基準(zhǔn)是超高層建筑施工測(cè)量的重點(diǎn)［6,7］。國(guó)內(nèi)外超高層建筑平面基準(zhǔn)網(wǎng)的建立一般采用GPS靜態(tài)觀測(cè)技術(shù)，對(duì)于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)以及測(cè)量機(jī)器人在建立超高層建筑平面控制網(wǎng)方面的可行性分析相對(duì)較少。

結(jié)合武漢綠地中心的實(shí)際工程案例，重點(diǎn)分析超高層建筑中平面控制網(wǎng)的建立過程，共涉及8個(gè)控制點(diǎn)（見圖1），其中TP03與TP02高程較高，位于樓頂?？刂泣c(diǎn)之間由于實(shí)際環(huán)境的限制而不能全部通視，采用GNSS技術(shù)能有效克服傳統(tǒng)方法的不足［8］。故而基準(zhǔn)網(wǎng)的建立主要采用了徠卡GM10接收機(jī)以及徠卡AR10天線進(jìn)行GNSS靜態(tài)觀測(cè)獲取控制點(diǎn)坐標(biāo)及基線信息，基線解算采用中海達(dá)公司的HGO軟件，平差采用武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院研制的CosaGPS6.0軟件。為探究北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（BDS）用于該工程的可行性，對(duì)BDS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析誤差來源，比較處理結(jié)果從而得到具有針對(duì)性的BDS數(shù)據(jù)處理策略。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用徠卡TM50測(cè)量機(jī)器人（Georobot）對(duì)于通視良好的邊進(jìn)行測(cè)量，用武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院研制的CODAPS進(jìn)行斜距化平等相關(guān)改正并將平距與坐標(biāo)和GNSS觀測(cè)結(jié)果對(duì)比分析。

1 施測(cè)方案及數(shù)據(jù)處理策略

超高層建筑因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工期長(zhǎng)、建筑層數(shù)多、測(cè)量通視困難等特點(diǎn)，平面基準(zhǔn)網(wǎng)的建立具有特殊性。為了建立高精度基準(zhǔn)網(wǎng)，本文設(shè)計(jì)了GNSS與Georobot兩大測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的施測(cè)方案，具體觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理策略如下：

1）用GNSS接收機(jī)對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)同步觀測(cè)，用HGO軟件對(duì)GNSS數(shù)據(jù)(GPS和BDS載波相位觀測(cè)值)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)基線向量，結(jié)合前期資料中部分已知點(diǎn)位坐標(biāo)，用CosaGPS軟件進(jìn)行平差計(jì)算，得到其余控制點(diǎn)坐標(biāo)。

2）將BDS單系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)用HGO軟件進(jìn)行基線解算，對(duì)于共視衛(wèi)星較少、數(shù)據(jù)噪聲大的基線重點(diǎn)編輯，禁用因遮擋嚴(yán)重而產(chǎn)生較多間斷的觀測(cè)值，將平差結(jié)果與GPS結(jié)果對(duì)比，分析探究BDS單系統(tǒng)用于該工程平面控制測(cè)量的可行性。

3）對(duì)于通視的控制點(diǎn)之間的邊用Georobot進(jìn)行測(cè)量，得到對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)及方向觀測(cè)值，將經(jīng)過CODAPS改正后的平距結(jié)果與GNSS基線平距對(duì)比，分析GNSS和Georobot的一致性，確?？刂凭W(wǎng)成果正確無誤。

2 平面控制網(wǎng)的觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

2.1 GNSS靜態(tài)觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理

2.1.1 GNSS靜態(tài)觀測(cè)

由于武漢綠地中心位于城市內(nèi)，周邊建筑物密集，導(dǎo)致部分控制點(diǎn)間不通視，且超高層建筑施工環(huán)境復(fù)雜、衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重［9］，采用能夠接收BDS和GPS信號(hào)的GNSS接收機(jī)能夠獲得較多的衛(wèi)星觀測(cè)值，有利于進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析及基線解算。故平面控制網(wǎng)主要通過GNSS靜態(tài)同步觀測(cè)方法來建立。基于前期測(cè)量工作的相關(guān)資料，部分點(diǎn)位有已知信息，而位于樓頂?shù)腡P02以及TP03是新增的未知點(diǎn)。

靜態(tài)觀測(cè)參考工程測(cè)量規(guī)范［10］的一級(jí)網(wǎng)的精度要求，每次對(duì)3～4個(gè)測(cè)站同步觀測(cè)，共5個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段約4 h，保證每個(gè)測(cè)站至少有兩個(gè)完整時(shí)段數(shù)據(jù)。觀測(cè)時(shí)段如表1所示，構(gòu)成的網(wǎng)形如圖1所示。

表1 靜態(tài)觀測(cè)時(shí)段情況

圖1 GNSS控制網(wǎng)網(wǎng)形

2.1.2 數(shù)據(jù)處理及精度統(tǒng)計(jì)

基線解算后將重復(fù)基線長(zhǎng)度差、同步環(huán)、異步環(huán)閉合差統(tǒng)計(jì)如表2～4。

表2 GNSS解算重復(fù)基線長(zhǎng)度差/mm

表3 GNSS 解算同步環(huán)閉合差/mm

表4 GNSS 解算異步環(huán)閉合差/mm

所有基線經(jīng)過處理后滿足各項(xiàng)限差要求，將結(jié)果導(dǎo)入CosaGPS6.0進(jìn)行平差?；谇捌诓糠忠阎畔ⅲ捎脙煞N方式平差：一種是固定點(diǎn)D001，固定D001-TP01方向；一種是固定6個(gè)GNSS控制點(diǎn)（即D001-D004、BD06和TP01）進(jìn)行二維約束網(wǎng)平差，最弱點(diǎn)為TP03，點(diǎn)位中誤差為3.3 mm；最弱邊為D003-TP03，其相對(duì)中誤差為1/72 000，滿足規(guī)范中1/20 000的要求［10］。

用兩種方式平差，可以分析控制點(diǎn)的穩(wěn)定性。固定前期的6個(gè)控制點(diǎn)，將解算得到的點(diǎn)位坐標(biāo)與固定一個(gè)點(diǎn)及一個(gè)方向的結(jié)果對(duì)比，若差值較小則可以認(rèn)為施工過程中6個(gè)已知控制點(diǎn)較為穩(wěn)定，控制網(wǎng)的可靠性較強(qiáng)。

表5統(tǒng)計(jì)了兩種方式得到的各個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)分量的差值，X方向最大偏差的點(diǎn)為D004，差值為2.7 mm；Y方向上最大偏差的點(diǎn)為BD06，差值為4.5 mm。該次觀測(cè)之后得到的坐標(biāo)與已有坐標(biāo)差值較小，主要是觀測(cè)誤差所引起，說明施工過程中6個(gè)已知控制點(diǎn)未發(fā)生變化，可繼續(xù)使用之前相關(guān)資料的坐標(biāo)信息。

2.2 BDS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

對(duì)BDS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算及平差，部分基線殘差較大，特別是與TP03相關(guān)的基線，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)主要原因是共視衛(wèi)星較少或者部分衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)間斷較多且噪聲較大。在禁用不連續(xù)的時(shí)段后，數(shù)據(jù)有所改善但質(zhì)量仍不佳。對(duì)于這幾條基線加入GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)再進(jìn)行解算，有效地改善了處理結(jié)果，可滿足規(guī)范的要求。將BDS單系統(tǒng)與GPS解算得到的基線與二維坐標(biāo)互差如表6、7所示。

表5 控制點(diǎn)坐標(biāo)與已知坐標(biāo)比較

表6 基線互差/mm

表7 二維坐標(biāo)互差

分析表6、7可知，BDS單系統(tǒng)與GPS得到的基線及坐標(biāo)結(jié)果整體差距不大，對(duì)于基線情況，兩者在N和E方向差值在8 mm以內(nèi)，U方向上有少數(shù)幾條基線差值大于10 mm，最大值為20.9 mm。對(duì)于平面坐標(biāo)，兩者的二維坐標(biāo)分量差值均在4 mm以內(nèi)，可以認(rèn)為兩者得到的坐標(biāo)信息較為一致。結(jié)合以上分析，可認(rèn)為BDS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)于少部分殘差較大的基線需要進(jìn)行特殊處理，比如加入GPS數(shù)據(jù)、禁用觀測(cè)數(shù)據(jù)間斷較多的時(shí)段、在觀測(cè)衛(wèi)星足夠的情況下提高高度角，對(duì)于觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲較大的衛(wèi)星也可將其禁用［11］，最終得到滿足精度要求的成果。

2.3 Georobot測(cè)量數(shù)據(jù)及計(jì)算

控制網(wǎng)中有部分控制點(diǎn)之間可相互通視，對(duì)于這部分控制點(diǎn)采用Georobot進(jìn)行觀測(cè)并將處理的結(jié)果與GNSS觀測(cè)結(jié)果對(duì)比，圖2反映了所有可以相互通視的控制點(diǎn)。

圖2 Georobot工作基點(diǎn)及后視點(diǎn)

Georobot觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)有各邊的斜距、垂直角以及水平方向觀測(cè)值［12］，通過CODAPS軟件對(duì)觀測(cè)邊進(jìn)行了斜距化平的改正。往返測(cè)所測(cè)得的邊長(zhǎng)及垂直角統(tǒng)計(jì)如表8。

表8 Georobot觀測(cè)邊往返測(cè)比較

表8的數(shù)據(jù)由于對(duì)向觀測(cè)時(shí)間不同步，受大氣垂直折光及其他客觀因素影響，垂直角觀測(cè)在往返測(cè)時(shí)有一定差值。對(duì)于平距，經(jīng)過CODAPS斜距化平改正后得到的平距在往返測(cè)時(shí)差值的大小表現(xiàn)出與高差和邊長(zhǎng)一定程度的相關(guān)性，位于地面上的控制點(diǎn)在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)平距差值較小，差值較大之處表現(xiàn)在與控制點(diǎn)TP02、TP03相關(guān)的邊上。

保持與GNSS控制網(wǎng)建立時(shí)的固定點(diǎn)一致，即選用D001作為起始已知點(diǎn)，已知方向選為D001-D002，已知方位角由前期資料中D001與D002的坐標(biāo)解算出來，利用Georobot的邊長(zhǎng)和方向觀測(cè)值計(jì)算出控制網(wǎng)中各點(diǎn)位坐標(biāo)如表9所示。

表9 Georobot推算得到的控制點(diǎn)坐標(biāo)/m

2.4 GNSS與Georobot測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析

當(dāng)采用Georobot對(duì)GNSS邊長(zhǎng)對(duì)比時(shí)，需將Georobot所測(cè)得的斜距進(jìn)行投影，讓其投影到與GNSS統(tǒng)一的高程面上進(jìn)行比較［13,14］，同時(shí)對(duì)兩種技術(shù)得到的點(diǎn)位坐標(biāo)也進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表10及圖3所示。

表10 GNSS基線平距與Georobot平距比較

TP03、TP02相關(guān)邊由于往返測(cè)時(shí)間不同步，大氣條件變化、垂直折光對(duì)往返測(cè)垂直角影響值不同，同時(shí)高差較大，使得對(duì)應(yīng)的平距在往返測(cè)有cm級(jí)的差別。在往返測(cè)取平均后，仍有TP03-BD06這條觀測(cè)邊與GNSS平距差值為1.89 cm，原因可能是在高程較高的點(diǎn)向地面點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，大氣折光對(duì)垂直角影響較大，導(dǎo)致觀測(cè)誤差較大，應(yīng)采用同時(shí)對(duì)向觀測(cè)消除大氣折光影響。

圖3 Georobot與GNSS坐標(biāo)差值

從圖3可發(fā)現(xiàn)，位于較高樓頂?shù)腡P03，GNSS與Georobot得到的點(diǎn)位坐標(biāo)差值較大，達(dá)到了1～2 cm，其他點(diǎn)坐標(biāo)分量差值小于7 mm，原因與前文所述類似，可能是由于Georobot在觀測(cè)高差較大或邊長(zhǎng)較長(zhǎng)的站點(diǎn)時(shí)由于未采用同步對(duì)向觀測(cè)導(dǎo)致垂直角測(cè)量誤差大，直接影響了平距結(jié)果，造成解算的坐標(biāo)差值與GNSS較大。

3 結(jié) 語

GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)的建立過程可靠，與前期資料符合度高，施工過程中點(diǎn)位未發(fā)生變化，精度滿足要求。BDS單系統(tǒng)用于此類工程基準(zhǔn)網(wǎng)的建立，在數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)注意共視衛(wèi)星是否足夠、高軌衛(wèi)星的選用、間斷數(shù)據(jù)的選擇和殘差較大基線的特殊處理方式。

在使用Georobot進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)的建立時(shí)，為保證測(cè)量精度，應(yīng)盡量同步對(duì)向觀測(cè)以消除大氣折光的影響，避免垂直角測(cè)量的不準(zhǔn)確性。另外，往返測(cè)之間的差值與兩點(diǎn)間高差和距離也有一定的相關(guān)性。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，GNSS與Georobot兩種技術(shù)的平距測(cè)量結(jié)果以及得到的坐標(biāo)整體而言差值較小，特別是在高差不大距離不長(zhǎng)的情況下，平距測(cè)量差值能保持在5 mm以內(nèi)，坐標(biāo)差值在X、Y兩個(gè)方向上均能控制在7 mm以內(nèi)，證明兩者測(cè)量結(jié)果無誤、精度較高且相符程度較好，但在高差較大、觀測(cè)邊過長(zhǎng)和點(diǎn)間通視困難時(shí)，GNSS技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。將GNSS與Georobot相結(jié)合，可為超高層建筑施工建立滿足要求的高精度平面控制網(wǎng)。

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