超大面積異形曲面結(jié)構(gòu)測(cè)量控制方法

張志強(qiáng)（上海建科工程項(xiàng)目管理有限公司，上海 200032）

0 引言

2021 年第十屆中國(guó)花卉博覽會(huì)主場(chǎng)館之一的世紀(jì)館主體結(jié)構(gòu)，采用復(fù)雜雙曲面混凝土預(yù)應(yīng)力薄殼結(jié)構(gòu)形式。其外形為蝴蝶狀結(jié)構(gòu)，兩翼、核心筒豎向設(shè)置的框架剪力墻及展陳墻體均為不規(guī)則的異形墻體。這種獨(dú)特的造型使得測(cè)量放線復(fù)核難度較大。本文主要介紹了結(jié)合異形空間測(cè)量技術(shù)的大型復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)工程測(cè)量方法的技術(shù)特點(diǎn)、適用范圍、測(cè)量過(guò)程及操作要點(diǎn)。通過(guò)采用更加科學(xué)的測(cè)量方法，使用精度合格的測(cè)量?jī)x器，結(jié)合軟件 AutoCAD 的制圖優(yōu)勢(shì)，虛擬建筑實(shí)體，測(cè)量放樣數(shù)據(jù)從虛擬實(shí)體而出，可以免去復(fù)雜眾多的數(shù)據(jù)計(jì)算，避免大量數(shù)據(jù)輸入和記錄失誤而導(dǎo)致錯(cuò)誤。經(jīng)大量實(shí)踐證實(shí)，本文所介紹的測(cè)量方法適用于目前行業(yè)中大部分的建設(shè)工程，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的工程項(xiàng)目，可以節(jié)省大量人力物力，以取得更為良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 工程概況

花博會(huì)世紀(jì)館總占地面積約為 20 000 m2，其中建筑面積達(dá)到 12 000 m2。其基礎(chǔ)形式為承臺(tái)+鉆孔灌注樁，主體結(jié)構(gòu) 1 層，層高 2 m～15 m，北高、南低，狀似一只剛剛飛起的蝴蝶，結(jié)構(gòu)形式采用搖擺柱+剪力墻+預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土屋面薄殼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜，也是該工程項(xiàng)目的建設(shè)重點(diǎn)。設(shè)計(jì)世紀(jì)館的目的在于建造一個(gè)“展現(xiàn)大國(guó)風(fēng)范的珍惜木本花卉展館”，世紀(jì)館是本屆花博會(huì)的“鎮(zhèn)園之寶”，在花博會(huì)中具有重要地位。在世紀(jì)館中，植物實(shí)體展示與專(zhuān)業(yè)人員的講解通過(guò)多媒體展示的形式呈現(xiàn)在人們面前?；ú?huì)世紀(jì)館工程總平面圖，如圖 1 所示。該館可以將教育、展示等功能融為一體，通過(guò)工作人員的互動(dòng)使觀眾參與其中，最終給觀眾帶來(lái)沉浸式的觀感體驗(yàn)，彰顯人與自然和諧共生的永恒主題。

圖1 花博會(huì)世紀(jì)館工程總平面圖

2 測(cè)量控制方法

2.1 首級(jí)平面控制網(wǎng)測(cè)量

在構(gòu)建首級(jí)平面控制網(wǎng)時(shí)采用業(yè)主單位交樁的 HB1、HB2、HB3、HB4、HB5 等控制點(diǎn)，作為二級(jí)平面控制網(wǎng)建立和復(fù)核的基礎(chǔ)。業(yè)主單位交樁的平面控制點(diǎn)必須在進(jìn)場(chǎng)后進(jìn)行復(fù)核計(jì)算誤差，并將成果呈報(bào)給監(jiān)理審查。若復(fù)核結(jié)果超過(guò)限值，應(yīng)立即以書(shū)面形式呈報(bào)監(jiān)理，由監(jiān)理及時(shí)匯同業(yè)主和控制網(wǎng)測(cè)繪單位協(xié)商確定解決方案。在復(fù)核達(dá)到規(guī)范技術(shù)要求之后，可定期進(jìn)行復(fù)測(cè)。

2.1.1 二級(jí)平面控制網(wǎng)測(cè)量

為了達(dá)到精度更高的目的，在進(jìn)行二級(jí)平面控制網(wǎng)的布網(wǎng)時(shí)必須以首級(jí)控制網(wǎng)的各個(gè)控制點(diǎn)為依據(jù)，并以此為基準(zhǔn)建立下一級(jí)的平面控制網(wǎng)。二級(jí)平面控制網(wǎng)各個(gè)控制點(diǎn)的布設(shè)位置經(jīng)測(cè)量人員現(xiàn)場(chǎng)踏勘后確定設(shè)置，與業(yè)主提供的控制點(diǎn)形成閉合網(wǎng)。外業(yè)測(cè)量結(jié)束后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行閉合和平差，滿(mǎn)足規(guī)范要求后報(bào)監(jiān)理進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)收。

2.1.2 控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)要求

二級(jí)和三級(jí)平面控制網(wǎng)按照四等導(dǎo)線精度進(jìn)行布網(wǎng)觀測(cè)。水平角觀測(cè)采用方向觀測(cè)法，按照規(guī)范技術(shù)要求進(jìn)行儀器操作并做好記錄，方向觀測(cè)法的技術(shù)要求應(yīng)滿(mǎn)足表 1的數(shù)據(jù)要求。

表1 水平角方向觀測(cè)法的技術(shù)要求表

采用全站儀進(jìn)行測(cè)距時(shí)，必須對(duì)儀器進(jìn)行校正。記錄儀器的各項(xiàng)指標(biāo)、采用的全站儀等級(jí)以及總測(cè)回?cái)?shù)，應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定（見(jiàn)表 2）。

表2 儀器等級(jí)及測(cè)回?cái)?shù)精度表

2.1.3 平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

由于首級(jí)加密網(wǎng)(邊角網(wǎng))中共觀測(cè)了 18 個(gè)觀測(cè)值(其中方向數(shù) 12 個(gè)，測(cè)邊數(shù) 6 個(gè))，首級(jí)加密網(wǎng)總點(diǎn)數(shù)為 5 個(gè)，已知控制點(diǎn)數(shù) 2 個(gè)，故有 7 個(gè)多余觀測(cè)數(shù)，因此在數(shù)據(jù)處理中采用邊角網(wǎng)嚴(yán)密平差，獲取各控制網(wǎng)點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)最或然值及點(diǎn)位精度，誤差橢圓等精度指標(biāo)。

2.2 首級(jí)高程控制網(wǎng)測(cè)量

同樣的，在構(gòu)建首級(jí)高程控制網(wǎng)時(shí)采用業(yè)主單位交樁的 HB1、HB2、HB3、HB4、HB5 等高程控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，對(duì)業(yè)主交樁高程控制點(diǎn)以二等水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求進(jìn)行復(fù)核計(jì)算誤差，并將成果呈報(bào)給監(jiān)理審查。若復(fù)核結(jié)果超過(guò)限值時(shí)，應(yīng)立即以書(shū)面形式呈報(bào)監(jiān)理，由監(jiān)理及時(shí)匯同業(yè)主和控制網(wǎng)測(cè)繪單位協(xié)商確定解決方案。在復(fù)核達(dá)到規(guī)范技術(shù)要求之后，可定期進(jìn)行復(fù)測(cè)。

2.2.1 二等高程控制網(wǎng)測(cè)量

二等高程控制網(wǎng)設(shè)置在施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)，作為施工測(cè)量所需的高程控制點(diǎn)。在對(duì)二等高程控制網(wǎng)進(jìn)行施測(cè)時(shí)，應(yīng)基于首級(jí)高程控制網(wǎng)，采用二等水準(zhǔn)觀測(cè)精度。隨著時(shí)間的推移與建筑物的不斷升高，總荷載的不斷增加，建筑物會(huì)產(chǎn)生沉降。因此，要定期進(jìn)行復(fù)測(cè)，及時(shí)進(jìn)行高程修正，并報(bào)監(jiān)理進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)收。

2.2.2 二等高程控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)要求

二等高程控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)要求，如表 3 所示。

表3 水準(zhǔn)觀測(cè)的主要技術(shù)要求

2.3 施工測(cè)量放樣

2.3.1 平面測(cè)量放樣方法

平面測(cè)量放樣以業(yè)主單位提供的工程施工設(shè)計(jì)圖紙和電子版圖紙為依據(jù)，采用 AutoCAD 將電子版平面圖利用命令等方式歸化到設(shè)計(jì)坐標(biāo)位置，點(diǎn)擊菜單欄“查詢(xún)”→“定位點(diǎn)”，在 AutoCAD 界面中使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊標(biāo)記出需要放樣的碎部點(diǎn)，在命令窗口會(huì)顯示指定點(diǎn)的坐標(biāo)值。按此方法得出所需超大面積不規(guī)則平面曲線、異形曲線等細(xì)部放樣碎部測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)值，用 Excel 表格匯總整理打印出來(lái)，在施工現(xiàn)場(chǎng)采用全站儀極坐標(biāo)等方法把測(cè)設(shè)（放樣）點(diǎn)的平面位置放出來(lái)。對(duì)于放樣點(diǎn)坐標(biāo)結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜可以比較直觀地掌握施工圖紙。除此之外，利用 AutoCAD可以構(gòu)建三維立體圖形的特點(diǎn)，還可以解決在外業(yè)測(cè)量中遇到的諸多問(wèn)題，來(lái)減少工作量。

2.3.2 標(biāo)高測(cè)量控制方法

由于屋面為超大面積雙曲面造型，標(biāo)高控制難度大，為保證標(biāo)高的控制，在塔吊塔身、結(jié)構(gòu)筒體和鋼柱上每隔一米做上標(biāo)記，便于鋼管標(biāo)高的初步調(diào)整，最后用卷尺、激光測(cè)距儀等對(duì)主要的控制立桿進(jìn)行精確調(diào)整。

（1）標(biāo)高選取。利用施工設(shè)計(jì)圖紙結(jié)合電子版圖紙為依據(jù)，根據(jù) Rhino 模型通過(guò)軟件，按照排架最大間距800 mm× 800 m 來(lái)設(shè)置，輸出排架立桿坐標(biāo)及標(biāo)高數(shù)據(jù)，在通過(guò) Rhino 軟件在模型上繪制出等高線，根據(jù)等高線的密度將標(biāo)高劃分為 A、B、C 三個(gè)區(qū)域（如圖 2 所示）。

圖2 Rhino (等高線)標(biāo)高分區(qū)圖

（2）標(biāo)高分析。A 區(qū) 20 m 范圍內(nèi)高差約 2 m；B 區(qū)20 m 范圍內(nèi)高差約 1 m；C 區(qū) 20 m 范圍內(nèi)高差約 0.5 m，針對(duì) A、B、C 三區(qū)，分別制定不同間距的控制立桿，控制軸線為 20 m × 20 m，排架施工時(shí)嚴(yán)格按輸出排架立桿坐標(biāo)及標(biāo)高數(shù)據(jù)施工，確?，F(xiàn)場(chǎng)立桿數(shù)據(jù)與模型一致。A 區(qū)20 m范圍內(nèi)設(shè)置 5 根控制立桿；B 區(qū) 20 m 范圍內(nèi)設(shè)置 4根控制立桿；C 區(qū) 20 m 范圍內(nèi)設(shè)置 3 根控制立桿；三個(gè)區(qū)域控制立桿及兩區(qū)交接處立桿涂上紅漆與其他立桿區(qū)分，施工時(shí)兩根控制立桿之間綁上控制線，根據(jù)各區(qū)塊的曲率調(diào)節(jié)其余立桿的標(biāo)高，保證立桿標(biāo)高的順滑連接。

（3）在清水混凝土殼體結(jié)構(gòu)施工前，根據(jù)建立的精確的平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，從地基向上逐層檢查調(diào)整。在保證軸線垂直、尺寸準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，布設(shè)清水殼體邊線、模板邊線、孔位線進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量抄平，以保證殼體模板標(biāo)高和立桿標(biāo)高的準(zhǔn)確性。

2.4 施工測(cè)量放樣點(diǎn)理論值計(jì)算

通過(guò)一般的測(cè)量計(jì)算方法就可以滿(mǎn)足樁基和承臺(tái)等規(guī)則整齊的放樣任務(wù)。重點(diǎn)問(wèn)題在于墩柱、底梁、橫梁等復(fù)雜構(gòu)件。對(duì)于復(fù)雜一些的放樣任務(wù)來(lái)說(shuō)，要找出其變化規(guī)律，并根據(jù)變化規(guī)律來(lái)計(jì)算。假設(shè)X樁號(hào)已經(jīng)被確定并且根據(jù)測(cè)量的Y樁號(hào)來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的標(biāo)高H，可以使用 AutoCAD 軟件中構(gòu)造的 3D 圖形輔助計(jì)算更為簡(jiǎn)捷。在經(jīng)過(guò)Z軸的平面上，對(duì)不在同一直線的點(diǎn)進(jìn)行剪切，在命令窗口中輸入查詢(xún)高程的命令，以此解決施工放樣中計(jì)算復(fù)雜構(gòu)件的坐標(biāo)和高程，極大地提升了作業(yè)效率。

2.5 輔助工程量計(jì)算

在施工管理中涉及工程量的計(jì)算，不規(guī)則形體要精確計(jì)算工程量相當(dāng)煩瑣，且不易做到；我們可以通過(guò)建立AutoCAD 三維立體圖，在命令窗口輸入相應(yīng)的命令，來(lái)計(jì)算出我們所需要的值，如角度、面積、體積等。不規(guī)則的土石方工程量是較難計(jì)算的，我們可以通過(guò)外業(yè)實(shí)地測(cè)量獲取數(shù)據(jù)，將坐標(biāo)值輸入 AutoCAD 中，最終計(jì)算出工程量。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)建筑物的要求越來(lái)越嚴(yán)格，規(guī)劃設(shè)計(jì)的建筑物不僅要滿(mǎn)足日常生產(chǎn)生活的需要，還要更加的美觀、新穎。相應(yīng)的，為了滿(mǎn)足客戶(hù)的需要，工程測(cè)量技術(shù)也應(yīng)該做出革新來(lái)適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，可以利用 AutoCAD 構(gòu)造三維立體圖形、結(jié)合 Rhino 等軟件使大面積異形曲面復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工測(cè)量更加便捷高效。