BDS/GPS組合定位在高層建筑施工基準(zhǔn)傳遞復(fù)核中的應(yīng)用

王新鵬, 黃聲享, 張 文, 李辰風(fēng)

(1.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,湖北 武漢 430079； 2.礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003)

超高層建筑施工測量的重要內(nèi)容是豎向軸線投測，將平面測量基準(zhǔn)由低層向高層傳遞，為施工樓層的放樣提供依據(jù)[1-5]?；鶞?zhǔn)傳遞的常用方法有激光準(zhǔn)直內(nèi)控法、全站儀投測外控法、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System， GPS)觀測外控法[3-5]。其中，全站儀乃至測量機(jī)器人投測外控法，需要在施工場地周圍(一定距離，擬建建筑高度H的2倍左右為宜)布置2～3個平面控制點(diǎn)，以保證從基準(zhǔn)控制點(diǎn)到樓層施工控制點(diǎn)的豎直角小于30°[5]。然后在基準(zhǔn)控制點(diǎn)上用全站儀仔細(xì)測設(shè)出首層及以后每層的軸線投測點(diǎn),并對各投測點(diǎn)進(jìn)行邊長及角度檢測，進(jìn)而提供基準(zhǔn)控制[5]。但因超高層建筑物一般位于城市繁華區(qū)，建筑物密集，地面通視條件較差，滿足距離條件的基準(zhǔn)控制點(diǎn)難于布設(shè)，或根本不具備穩(wěn)定選點(diǎn)的條件[5]。

而激光準(zhǔn)直內(nèi)控法是在建筑物內(nèi)建立控制網(wǎng)并留有如圖1所示的傳遞孔，利用垂準(zhǔn)儀或用彎管目鏡加高精度全站儀向上傳遞施工測量基準(zhǔn)，而隨著建筑物的升高，日照、溫差、風(fēng)力等多種因素的影響，以及激光中心光斑的發(fā)散因素等，使得該方法在進(jìn)行較大高差的基準(zhǔn)傳遞時，會產(chǎn)生很大的投向誤差[3，5-6]。

圖1 外控法、內(nèi)控法點(diǎn)位及投測方法

隨著建筑總高度的不斷增高，前述方法會帶來誤差累積，從而導(dǎo)致基準(zhǔn)傳遞總誤差難以滿足施工要求。而全球定位系統(tǒng)測量的高精度、快速度、工作方式靈活等特性優(yōu)勢明顯，是一種值得推廣應(yīng)用的新方法并有應(yīng)用于高層建筑施工基準(zhǔn)傳遞的先例[1，7]。然而在實(shí)際工程測量中往往會遇到有工程機(jī)械施工等因素遮擋GPS信號、多路徑效應(yīng)影響嚴(yán)重等較差的測量環(huán)境，由此導(dǎo)致定位精度低、可靠性差甚至無法進(jìn)行觀測等情況時有發(fā)生，這在一定程度上限制了GPS在超高層建筑施工測量中的應(yīng)用前景[8]。作為我國正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)，目前已具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時以及短報文通信服務(wù)能力[8]。在中國及周邊范圍內(nèi)，BDS/GPS組合定位是否能增加可用衛(wèi)星數(shù)，改善衛(wèi)星幾何構(gòu)型，提高定位精度，并能將其應(yīng)用于高層建筑的垂直度監(jiān)測[9-10]，成為相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者研究的重點(diǎn)。

1 BDS/GPS組合定位外控法觀測實(shí)施

中國建筑第三工程局有限公司所承建的某高層建筑項目位于廣州市琶洲區(qū)琶洲新村附近，鄰近珠江，總建筑面積20萬m2，其建筑高度311 m。其對施工質(zhì)量要求很高，尤其是工程豎向垂直度相對偏差不得大于H/1 000且絕對偏差不得大于±30 mm。在這樣的超高層建筑施工中，施工測量基準(zhǔn)傳遞和垂直度控制是建筑施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)之一，建筑結(jié)構(gòu)的豎向偏差將直接影響工程的受力情況。豎向偏差若超過規(guī)定的限度，會影響到建筑物各層軸線位置的正確性以及諸如電梯、玻璃幕墻等設(shè)備安裝，嚴(yán)重時會影響建筑物的安全性及耐久性。為此，在建筑施工至195.05 m、270.16 m、280.05 m時，基于BDS/GPS組合定位外控法分別對該建筑進(jìn)行一次施工基準(zhǔn)傳遞復(fù)測，基準(zhǔn)傳遞復(fù)測的示意圖如圖2所示。

針對建筑施工場地較小，超高建筑物的軸線定位精度要求較高等特點(diǎn)，在本工程施工范圍外設(shè)置兩個相對穩(wěn)定的臨時基準(zhǔn)點(diǎn)J02、J03，如圖3所示，采用4套天寶R9型號的GNSS接收機(jī)，以J02、J03這2個基準(zhǔn)點(diǎn)作為各次進(jìn)行GNSS施工基準(zhǔn)傳遞、垂直度監(jiān)測的基準(zhǔn)。這兩個基點(diǎn)的作用在于：

1)每次測量時，固定其中的一點(diǎn)(如J02)作為起算點(diǎn)，固定該兩點(diǎn)(J02，J03)的方位作為起算方位，以確保每次GNSS測量的基線解算和起算方位由首次GNSS測量確定。

2)每次GNSS定位成果的轉(zhuǎn)換，采用統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，以確保坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果的基準(zhǔn)一致性，該轉(zhuǎn)換參數(shù)由首次GNSS測量確定。

J02點(diǎn)設(shè)置于琶洲區(qū)沿江路上項目部大門口處，J03點(diǎn)設(shè)置于沿江路上，均位于混凝土路面上，點(diǎn)位基礎(chǔ)牢固，受車輛干擾不大，便于設(shè)點(diǎn)，點(diǎn)位距離待監(jiān)測大樓分別有約100 m和140 m。J03朝向天空，通視狀況良好，J02點(diǎn)旁邊有廣告宣傳板，部分遮擋了朝向天空的通視方向。C1、C3點(diǎn)為建筑物的軸線點(diǎn)(見圖3)，首次測量采用GNSS精密定位，后續(xù)樓層進(jìn)行基準(zhǔn)傳遞復(fù)測時用內(nèi)控法傳遞標(biāo)記于頂樓，如圖1(a)所示，便于進(jìn)行GNSS觀測。

圖2 BDS/GPS組合定位用于基準(zhǔn)傳遞復(fù)測示意圖(m)

圖3 基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)示意圖

2 基于BDS/GPS組合定位在GNSS外控法中的應(yīng)用分析

觀測按靜態(tài)定位模式，各觀測時段的時間長度均超過45 min。數(shù)據(jù)采樣間隔為0.1～1 s，衛(wèi)星高度角限值為15°?；€處理采用CGO軟件解算，解算策略為：分別采用GPS、BDS以及BDS/GPS組合的觀測數(shù)據(jù)，分別對不同時段的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算。

2.1 BDS/GPS組合定位用于基準(zhǔn)傳遞的結(jié)果

用固定J03點(diǎn)的方法進(jìn)行約束平差，得到結(jié)果如表1所示。

從表1可知，BDS/GPS組合定位用于超高層建筑物的基準(zhǔn)傳遞成果的復(fù)測，水平精度在5 mm以內(nèi)，達(dá)到規(guī)范要求；高程精度在厘米級，精度有一定提升空間，但可以作為高層施工基準(zhǔn)的參考。

2.2 BDS對GPS觀測的改善

雖然GPS的使用越來越廣泛，但由于超高層建筑的復(fù)雜性，導(dǎo)致在使用GPS進(jìn)行測量時經(jīng)常會遇到各種問題，比如，衛(wèi)星信號可能會被施工機(jī)械(如塔吊等)遮擋加上多路徑效應(yīng)的影響，導(dǎo)致可見衛(wèi)星數(shù)目過少、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量差等狀況，進(jìn)而導(dǎo)致定位精度低、可靠性差，甚至無法進(jìn)行觀測等情況的發(fā)生[10]。在這種情況下，采用BDS/GPS組合定位技術(shù)，不但可以充分利用衛(wèi)星資源，還能夠大幅度地改善幾何精度因子，從而滿足高精度定位的需要。

表1 BDS/GPS組合定位方法的3次復(fù)測解算結(jié)果

為檢驗(yàn)上述觀點(diǎn)的正確性，對不同施工進(jìn)度下3次觀測情況進(jìn)行分析，設(shè)置采樣間隔1 s，高度角15°，采用單系統(tǒng)和BDS/GPS組合定位兩種方式進(jìn)行解算，然后對比不同定位方式的精度，并以施工方給出的設(shè)計平面點(diǎn)位坐標(biāo)為依據(jù)，計算幾種定位方式解算的平面點(diǎn)位坐標(biāo)與其差值，列于表2—表4中。

表2 標(biāo)高195 m觀測時不同定位方式定位解算結(jié)果 mm

表3 標(biāo)高270 m觀測時不同定位方式定位解算結(jié)果 mm

表4 標(biāo)高280 m觀測時不同定位方式定位解算結(jié)果 mm

表2—表4顯示，BDS/GPS組合定位解算的精度明顯高于GPS單系統(tǒng)的定位精度。特別是表3中，由于受施工器械(如塔吊)的影響帶來的信號遮擋等，GPS單系統(tǒng)僅能得到一定程度的定位精度，而加入BDS觀測值使得定位精度大大提高，滿足工程定位的需求。這說明GPS系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性和精度等方面還是明顯高于北斗系統(tǒng)，雖然觀測當(dāng)時北斗系統(tǒng)無法單獨(dú)進(jìn)行解算，但將BDS和GPS進(jìn)行組合定位解算的結(jié)果均優(yōu)于單GPS系統(tǒng)解算的結(jié)果，因此將BDS同GPS組合進(jìn)行定位，可以增加衛(wèi)星數(shù)目，降低幾何精度因子，在惡劣環(huán)境下提高解算結(jié)果的精度。需要特別說明的是，表中根據(jù)測量坐標(biāo)同設(shè)計坐標(biāo)的差值大小不能完全說明組合定位的精度高低，但可以作為一個檢核點(diǎn)位正確性的重要指標(biāo)。

2.3 BDS/GPS組合定位測量外控法與內(nèi)控投點(diǎn)法監(jiān)測垂直度的對比

本建筑的豎向軸線控制多采用(垂準(zhǔn)儀)內(nèi)控投點(diǎn)法，即把高層建筑物按高度分為若干段，段長一般為10～100 m，在建筑物內(nèi)部間隔一定高度搭建測量平臺，將埋設(shè)于±0.000面的控制點(diǎn)采用垂準(zhǔn)儀逐層向上投遞，以提高豎向軸線精度。由于垂準(zhǔn)儀相對精度、設(shè)點(diǎn)精度ms的影響，單次投點(diǎn)的豎向距離d越大，其精度m也越差。

(1)

設(shè)點(diǎn)精度為ms=±1.5 mm，垂準(zhǔn)儀相對精度my=1/40 000，暫不考慮日照、刮風(fēng)和施工偏載等因素引起的高大建筑物擺動引起的誤差，分別取投點(diǎn)最不利點(diǎn)距離±0.000面的豎直距離為190.04 m、270.16 m和280.05 m，得逐層投點(diǎn)法因投點(diǎn)所引起的誤差分別為4.98 mm、6.92 mm和7.16 mm。

根據(jù)表2—表4中不同高度層的3次BDS/GPS組合定位的復(fù)核結(jié)果，將每個點(diǎn)的N，E方向誤差先求點(diǎn)位誤差，再將C1、C3的點(diǎn)位誤差求平均，得到外控法觀測投點(diǎn)在標(biāo)高為190.04 m、270.16 m和280.05 m引起的平面點(diǎn)位誤差降低到2.87 mm、6.42 mm和6.72 mm。這一誤差影響，不僅低于表2—表4中對應(yīng)的GPS單系統(tǒng)定位的平面點(diǎn)位誤差，更是顯著低于內(nèi)控法逐層投點(diǎn)法因投點(diǎn)所引起的誤差。而且內(nèi)控法傳遞基準(zhǔn)隨著建筑高度的不斷增高，誤差影響越來越明顯；而GNSS外控法在不同高度層時的點(diǎn)位誤差相對穩(wěn)定，且精度較高。因此，采用BDS/GPS組合定位應(yīng)用于超高層建筑物的施工測量基準(zhǔn)傳遞，具有很好的前景。

2.4 垂直度偏差分析

垂直度監(jiān)測是對高層建筑結(jié)構(gòu)施工的豎向軸線投測控制點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，確保建筑豎向垂直度控制在允許誤差范圍之內(nèi)[1]。

為計算層高h(yuǎn)處的樓層垂直度k，應(yīng)選n個位于縱、橫向軸線上的特征點(diǎn)、測量點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，計算其與設(shè)計坐標(biāo)之差(Δxi,Δyi)，則樓層垂直度算式為[1]：

(2)

其中

計算樓頂垂直度k，應(yīng)在樓頂建筑外墻選取特征點(diǎn)，利用建筑物外面控制網(wǎng)，測量并計算特征點(diǎn)

的坐標(biāo)差，用式(2)計算，層高h(yuǎn)用特征點(diǎn)相對于±0.000面的全高H來代替[11-12]。樓層垂直度和全高垂直度是評價高層建筑工程質(zhì)量的重要指標(biāo)。根據(jù)上述方法，計算得到各點(diǎn)位不同衛(wèi)星系統(tǒng)解算結(jié)果的垂直度如表5所示。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50204-2015)的要求，表中的垂直度監(jiān)測均符合要求。施工期間各次測量的建筑物垂直度偏差在設(shè)計規(guī)范允許的范圍內(nèi)，表明施工對建筑物的垂直度控制的較好。

表5 解算結(jié)果計算的相對和絕對垂直度比較

3 結(jié) 論

1)實(shí)驗(yàn)分析說明采用BDS/GPS組合定位外控法，垂直度偏差控制更好，偏差值滿足規(guī)范要求。GNSS測量外控法進(jìn)行高層建筑物的施工基準(zhǔn)傳遞，較(激光垂準(zhǔn)儀)內(nèi)控投點(diǎn)法的精度有一定提高，可以作為內(nèi)控法的補(bǔ)充和校核手段。

2)BDS對GPS測量的質(zhì)量改善明顯，在惡劣條件下，可將單系統(tǒng)的精度由dm級提高到BDS/GPS組合定位的mm級。特別是在高層建筑施工環(huán)境干擾因素影響嚴(yán)重的條件下，BDS/GPS有助于改善GPS單系統(tǒng)測量的精度和可靠性。