超高層鋼結(jié)構(gòu)測量儀器綜合應用技術(shù)

莊會云 王沁怡 倪 超 楊玲玲 王長彬

北京市機械施工集團有限公司 北京 102628

隨著社會發(fā)展和科技進步，超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑層出不窮，外形設計越來越新穎復雜，施工難度越來越大，并且鋼結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境的影響較大，極易產(chǎn)生變形，因此其測量技術(shù)也面臨著很大挑戰(zhàn)。

目前在超高層鋼結(jié)構(gòu)施工領域使用的測量儀器主要有全站儀、鉛直儀、測量機器人、實時差分定位（RTK）、三維激光掃描儀等。這些儀器因功能、精度不同，分別適用于不同的測量環(huán)節(jié)[1-9]。本文將結(jié)合這些儀器的特點詳細闡述如何綜合利用才能更好地發(fā)揮它們的功能。

1 各施工階段應用儀器簡介

在構(gòu)件安裝階段普遍采用的測量方法是坐標控制法，即觀測構(gòu)件關鍵特征點的三維坐標來確保安裝精度，使用的儀器主要是全站儀。當進行變形觀測時，如需要連續(xù)觀測，還會采取測量機器人和RTK輔助觀測。施工現(xiàn)場環(huán)境一般比較復雜，通視條件較差，當向上進行導線測量時，有時會因觀測失誤等原因而出現(xiàn)較大的誤差，此時可以用RTK進行快速復核，及時發(fā)現(xiàn)并糾正這些誤差。當需要檢查構(gòu)件外形尺寸和結(jié)構(gòu)合攏精度時，可以使用三維激光掃描儀。測量機器人、RTK、三維激光掃描儀價格都比較昂貴，需要技術(shù)人員充分了解它們的性能，并據(jù)此制訂合理的測量方案，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，做到優(yōu)勢互補，提高施工效率，這樣才能真正達到物有所值。

2 儀器特點分析對比

全站儀、測量機器人、RTK、三維激光掃描儀的特點分述如下：

1）全站儀。優(yōu)點：價格便宜，能精確測量關鍵特征點三維坐標，準備工作時間短。缺點：需要通視和光照條件，容易出現(xiàn)累積誤差，測程較短。精度：有棱鏡測距精度±（2＋2×10－6D） mm（D為測量距離）；無棱鏡測距精度±（3＋2×10－6D） mm；有棱鏡測角精度2″。

2）測量機器人。優(yōu)點：能自動精確測量觀測點三維坐標，能自動尋找觀測點位置，測量效率高。缺點：價格較貴，需要通視條件，測程較短。精度：測距精度±（0.5＋1×10－6D） mm；自動找準精度為200 m處1 mm；測角精度0.5″。

3）RTK。優(yōu)點：能實時測量觀測點三維坐標，不需要光學通視，雨霧、暗夜均可進行測量，沒有累積誤差，測距長。缺點：價格較貴，易受四周建筑物、植被等因素影響產(chǎn)生多路徑效應、電磁波干擾等影響定位速度和精度，受儀器體積及精度的限制不能用于關鍵特征點的測量，高大建筑物對接收機視野的限制等。精度：靜態(tài)平面精度±（2.5＋0.5×10－6D） mm；靜態(tài)高程精度±（5＋0.5×10－6D） mm；RTK平面精度±（8＋1×10－6D） mm；RTK高程精度±（15＋1×10－6D） mm。

4）三維激光掃描儀。優(yōu)點：可以在任何通視的位置以點云的形式掃描出構(gòu)件外形，掃描結(jié)果可用于構(gòu)件預拼裝。缺點：價格較貴，需要通視條件，不能測量單個關鍵特征點，無法獲得構(gòu)件實際空間坐標，精度受構(gòu)件外觀和環(huán)境對比度的影響較大。精度：測距精度3.5 mm；測角精度6″。

3 主要測量內(nèi)容及對精度的要求

根據(jù)超高層鋼結(jié)構(gòu)施工的特點，主要測量內(nèi)容及對精度的要求如下：測量控制網(wǎng)的測設和復核，精度±1 mm；構(gòu)件地面小拼單元尺寸控制，精度±3 mm；對結(jié)構(gòu)變形進行持續(xù)的觀測，精度±2 mm；構(gòu)件外形尺寸檢測，精度±2 mm；構(gòu)件安裝精確定位，精度±1 mm；結(jié)構(gòu)合攏精度的控制，精度±3 mm。

4 測量儀器綜合應用技術(shù)

4.1 RTK和全站儀聯(lián)合作業(yè)

RTK技術(shù)是以載波相位動態(tài)實時差分原理為基礎的實時測量技術(shù)，相較于以往的GPS測量方法，具有實時性、高精度的特點，是GPS測量技術(shù)發(fā)展的重要突破。RTK測量一般包括一個基站和若干個流動站，當基站和流動站同時接收到4顆及以上衛(wèi)星的信號時，流動站即可得到厘米級的定位結(jié)果。

這樣的成果對于土建結(jié)構(gòu)施工來說可以滿足精度要求，但對于鋼結(jié)構(gòu)的定位精度而言偏差仍較大。在構(gòu)件拼裝、安裝過程中，流動站的外形尺寸相較于棱鏡、反射片而言顯得非常大，不能貼合到特征點的位置，因此RTK不適合用于鋼構(gòu)件安裝時的空間定位測量，但可以利用其便捷、實時、無累積誤差的定位功能用于測量控制網(wǎng)的測設和復核。

在用全站儀和激光鉛直儀向上部結(jié)構(gòu)投射軸線控制點和標高控制點時，有時會因為人員疏忽、儀器故障等原因產(chǎn)生錯誤，此時可以把RTK架設到已測設完成的控制點位置，測定該點的空間坐標，并和理論坐標進行對比，當偏差較大時應用全站儀重新進行測設。

在平面控制網(wǎng)測設中，可以先使用RTK定位出控制點的大致位置，之后用全站儀和棱鏡精確定位控制點，這樣可以提高測設的效率。

RTK測定的是WGS-84坐標系的坐標，需經(jīng)坐標系轉(zhuǎn)換換算到現(xiàn)場的施工坐標系中。而坐標系轉(zhuǎn)換精度受到現(xiàn)場校正點平面布置、數(shù)量、自身精度的影響，因此校正點的連線應盡可能把整個施工現(xiàn)場包含在內(nèi)，這樣在校正點連線的內(nèi)部進行測量，精度較高。高程坐標系轉(zhuǎn)換通過擬合的方式進行，但校正點數(shù)量要比平面坐標系多，可適當增加校正點提高擬合精度。校正點的精度要經(jīng)過平差后使用。

4.2 三維激光掃描儀和全站儀聯(lián)合作業(yè)

超高層鋼結(jié)構(gòu)施工對構(gòu)件外形尺寸特別是節(jié)點尺寸、構(gòu)件小拼單元尺寸、結(jié)構(gòu)安裝及合攏精度的要求非常高，需要有高效的技術(shù)措施來保障這些檢測工作。當需要檢測獨立的點坐標時，可以使用全站儀進行測量，當需要對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的面、體特征進行檢測時，可以使用三維激光掃描儀來完成。三維激光掃描儀測距原理有相位式和脈沖式2類，由于鋼結(jié)構(gòu)安裝對精度要求非常高，因此選擇相位式三維激光掃描儀。

由于掃描儀自身特性的影響，當掃描儀與構(gòu)件距離較遠、掃描角度較大時，構(gòu)件有較多的類似區(qū)域時，以及構(gòu)件表面顏色較淺、與環(huán)境對比度反差較小時，掃描過程中就會出現(xiàn)噪聲強度較高，掃描精度下降的現(xiàn)象，構(gòu)件表面特征點如螺栓孔、構(gòu)件外輪廓在后期模型處理中不能清晰地顯示出來，直接影響后期多站點點云數(shù)據(jù)的拼接。拼接時應具備從點云數(shù)據(jù)中精確提取單點坐標的能力，此時需要在關鍵特征點位置設置磁性標靶或球形標靶以提高掃描精度，并用全站儀復測標靶的坐標，標靶數(shù)不能少于3個，并且不能在同一條直線上。把點云數(shù)據(jù)導入軟件建立模型后，以全站儀復測的坐標為基準，通過坐標系轉(zhuǎn)換，把模型引入現(xiàn)場施工坐標系中，這樣可以和構(gòu)件自身設計模型、相鄰其他構(gòu)件模型進行擬合，完成尺寸檢測和合攏精度檢測。

4.3 測量機器人和RTK聯(lián)合作業(yè)

超高層鋼結(jié)構(gòu)施工中需要進行大量的變形觀測工作，主要包括壓縮變形、焊接收縮變形及累積變形，另外還有在溫度、日照、風力、塔吊作業(yè)等環(huán)境因素作用下的變形。這些工作需要長時間持續(xù)進行。

從配件成本大小、量程大小、累積誤差、測量精度角度考慮，在進行壓縮變形、焊接收縮變形及累積變形觀測時，適合使用測量機器人進行觀測。測量機器人相較于全站儀具有無與倫比的優(yōu)勢，它是一種集自動辨識目標、自動照準、自動測距測角、自動跟蹤目標、自動記錄于一體的測量平臺，非常適合用于需要進行頻繁重復觀測的施工部位。觀測時只需在滿足通視的條件下，在關鍵特征點放置棱鏡或反射片，以既有的測量控制點為后視即可隨時掌握變形值。

當觀測結(jié)構(gòu)整體外形在外界因素作用下的變形時，重要的是掌握變形隨時間推移的趨勢，對精度的要求不是特別高，只需要在現(xiàn)有儀器精度基礎上的概略值。因此非常適合用RTK進行觀測，RTK沒有累積誤差的產(chǎn)生，根據(jù)需要可以放置在樓層合適的位置，并且可以沿高度方向設置多層設備。

5 結(jié)語

在超高層鋼結(jié)構(gòu)施工過程中測量工作覆蓋面很廣，體量極大，任務非常繁重，前后道工序配合緊密，因此最大限度地提高測量效率將對縮短工期、節(jié)約成本起到至關重要的作用。

本文結(jié)合在超高層鋼結(jié)構(gòu)施工中實際應用經(jīng)驗和工作特點，在詳細闡述4種測量儀器的功能、測量精度以及適用場景的基礎上，提出了儀器之間如何相互配合進行綜合測量，以便充分發(fā)揮儀器的特長，最大限度地提高測量效率的方法。同時也為相關人員根據(jù)不同場合、不同任務、不同情況編制相應的測量方案提供了參考。