鋼結(jié)構(gòu)高層住宅鋼框架柱垂直度精度控制技術(shù)研究

張 濤

（中鐵十一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，湖北襄陽(yáng) 441003）

0. 引言

當(dāng)前國(guó)家主導(dǎo)推行裝配式建筑，因此，高層和超高層鋼結(jié)構(gòu)住宅工程在建筑行業(yè)中備受青睞。相關(guān)施工問(wèn)題隨之而起，因其施工作業(yè)環(huán)境屬于高架作業(yè)的特殊性，再加上施工界面作業(yè)繁雜，所以鋼結(jié)構(gòu)施工精度控制問(wèn)題值得受重視[1]。在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件工程安裝過(guò)程中，施工測(cè)量是一項(xiàng)非常重要、專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的工作，測(cè)量精度的高低直接影響到工程質(zhì)量，測(cè)量效率的高低又直接影響到工程進(jìn)度，因此，安裝測(cè)量技術(shù)的水平是評(píng)價(jià)鋼結(jié)構(gòu)工程施工水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而鋼柱垂直度的控制又是高層鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)施工測(cè)量的關(guān)鍵工序。

高層鋼結(jié)構(gòu)鋼柱垂直度控制實(shí)時(shí)測(cè)量是我們?cè)陂L(zhǎng)期高層和超高層鋼結(jié)構(gòu)施工測(cè)量放樣實(shí)踐中，利用免棱鏡全站儀、計(jì)算機(jī)的性能，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的施工測(cè)量方法進(jìn)行研究改造，形成的針對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)工程施工測(cè)量放樣的施工方法。該方法的關(guān)鍵技術(shù)是平面控制點(diǎn)豎向高精度向上傳遞技術(shù)、鋼柱中心實(shí)際位置的間接測(cè)量及理論位置數(shù)據(jù)庫(kù)建立技術(shù)、計(jì)算機(jī)、全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)鏈接技術(shù)。用這種測(cè)量方法對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)鋼柱安裝過(guò)程進(jìn)行控制，測(cè)量人員為鋼柱安裝人員提供的數(shù)據(jù)時(shí)間短、精度高。在此，我們編制此方法，希望它能夠?yàn)橐院蟾邔愉摻Y(jié)構(gòu)的施工測(cè)量提供指導(dǎo)作用。

1. 分析計(jì)算、通訊程序編寫(xiě)

1.1 收集資料

基本資料包括型鋼構(gòu)件編號(hào)、構(gòu)件中心坐標(biāo)、截面形狀、截面大小及定位角度等描述鋼柱外部形狀及空間位置的相關(guān)信息以及全站儀的指令碼資料，程序編寫(xiě)前應(yīng)與鋼柱安裝校正施工人員多次溝通，相互提供對(duì)方所需要的資料。鋼柱相關(guān)資料的過(guò)程還應(yīng)包括對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)正確性復(fù)核計(jì)算過(guò)程，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)編碼。

1.2 編寫(xiě)程序

按程序功能不同可把程序分成3 個(gè)主要模塊，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊；計(jì)算機(jī)與全站儀之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊模塊；鋼柱中心偏差及鋼柱的扭曲變形值分析計(jì)算模塊。

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊：由于數(shù)據(jù)關(guān)系比較簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理利用Microsoft Office Access 軟件建立Access數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及數(shù)據(jù)的整合、修改及刪除等管理工作可以通過(guò)Microsoft Office Access 軟件直接進(jìn)行。（2）計(jì)算機(jī)與全站儀之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊模塊:計(jì)算機(jī)與全站儀一般通過(guò)串行端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程前應(yīng)熟悉操作串行端口的編程語(yǔ)句。另外，需要準(zhǔn)確確定計(jì)算機(jī)發(fā)出測(cè)量指令后，儀器測(cè)量、到測(cè)量結(jié)果發(fā)送到儀器緩存區(qū)的時(shí)間間隔，并在程序中設(shè)置等待時(shí)間，確保接收指令發(fā)出后，所需的測(cè)量數(shù)據(jù)已發(fā)送到儀器緩存區(qū)，否則將會(huì)得不到結(jié)果。（3）鋼柱中心偏移量及鋼柱的扭轉(zhuǎn)偏差值分析計(jì)算模塊。

1.2.1 鋼柱中心坐標(biāo)的間接測(cè)量

依托工程項(xiàng)目鋼柱的截面為矩形鋼柱。鋼柱柱頂與柱底中心一般都無(wú)法直接觀測(cè)，所以，通過(guò)測(cè)量其他特征點(diǎn)的坐標(biāo)，從而來(lái)間接計(jì)算中心點(diǎn)的坐標(biāo)，下面對(duì)鋼柱中心坐標(biāo)間接測(cè)定和計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)述。

鋼柱中心坐標(biāo)測(cè)量如圖1 所示，b、c為觀測(cè)標(biāo)志，與鋼柱線(xiàn)相對(duì)稱(chēng)放置，其距離S可在貼片上測(cè)得，d點(diǎn)在與bc相垂直方向延伸鋼柱寬度的一半sdo即為鋼柱的中心位置，sdo可根據(jù)鋼柱的尺寸來(lái)定，是可以得到的已知數(shù)據(jù)。在測(cè)站上觀測(cè)觀測(cè)點(diǎn)b、c兩點(diǎn)的角度、兩點(diǎn)與測(cè)站的斜距及豎直角。

圖1 矩形鋼柱中心坐標(biāo)計(jì)算示意圖

由已知方位αkp及α1、α2可計(jì)算鋼柱中心坐標(biāo)，計(jì)算算法如下：

類(lèi)似地可以得到xc、yc、zc

則得到矩形鋼柱中心坐標(biāo)

1.2.2 鋼柱中心偏移量及鋼柱的扭轉(zhuǎn)偏差值計(jì)算

鋼柱中心偏移量是鋼柱中心理論值與鋼柱中心間接觀測(cè)值之差；鋼柱的扭轉(zhuǎn)偏差值是觀測(cè)標(biāo)志點(diǎn)的理論值與觀測(cè)標(biāo)志點(diǎn)的實(shí)測(cè)值之差。

按照上述步驟可得到了鋼柱在觀測(cè)點(diǎn)截面處的中心點(diǎn)坐標(biāo)和高程，柱底的高程在上述點(diǎn)Z坐標(biāo)上進(jìn)行先加減即可。

2. 施工測(cè)量平面及高程控制網(wǎng)的建立

首級(jí)平面與高程控制網(wǎng)的建立方法及精度等級(jí)與其他類(lèi)似工程一致，并按要求編制測(cè)量方案，為了方便全站儀測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)，要求平面控制點(diǎn)與高程控制點(diǎn)布置在同一位置上。

3. 平面控制點(diǎn)豎向傳遞

3.1 平面控制點(diǎn)豎向傳遞的流程

平面控制點(diǎn)豎向傳遞的流程如圖2 所示。

圖2 平面控制點(diǎn)豎向傳遞的工藝流程

3.2 用天頂儀豎向傳遞水平控制點(diǎn)

軸線(xiàn)是高層鋼結(jié)構(gòu)安裝的生命線(xiàn)，軸線(xiàn)放樣精度的高低將直接影響鋼柱安裝的整體垂直度及構(gòu)件安裝速度。高層施工測(cè)量依據(jù)，根據(jù)規(guī)范的要求，應(yīng)從地面控制網(wǎng)引投到施工層，不得使用下一節(jié)樓層的定位軸線(xiàn)。從工程測(cè)量的角度而言，建筑物的整體垂直度的控制主要通過(guò)內(nèi)控、外控或內(nèi)外控結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行的。高層結(jié)構(gòu)豎向傳遞一般都采用內(nèi)控法，投點(diǎn)儀器選用天頂準(zhǔn)直儀。在需要傳遞控制點(diǎn)的施工層預(yù)留孔處水平固定一塊有機(jī)玻璃板做成的光靶，在控制點(diǎn)上架設(shè)天頂準(zhǔn)直儀，慢慢旋轉(zhuǎn)天頂儀在（0°、90°、180°、270°、360°），便在接收光靶上得到一個(gè)激光圓，圓心即為該控制點(diǎn)的傳遞點(diǎn)。傳遞過(guò)程如圖3 所示。所有控制點(diǎn)傳遞完成后，則形成該樓層軸線(xiàn)控制網(wǎng)[2]。

圖3 平面控制點(diǎn)豎向傳遞示意圖

3.3 測(cè)量傳遞點(diǎn)之間的距離并與理論值比較

對(duì)傳遞到施工層的控制點(diǎn)組成的控制網(wǎng)進(jìn)行角度、距離測(cè)量。距離用全站儀或鋼尺精密丈量四測(cè)回，各測(cè)回之間較差≤±2mm，與理論值之差ΔS不宜超過(guò)6mm；角度觀測(cè)用J2 級(jí)儀器測(cè)量需六測(cè)回，必須滿(mǎn)足《工程測(cè)量規(guī)范》對(duì)四等網(wǎng)測(cè)角的規(guī)定：角度與理論值之差|Δβ|應(yīng)小于0.0025ρ×S3/S1·S2（式中：S3 為兩目標(biāo)點(diǎn)之間的距離，S1、S2 為測(cè)站點(diǎn)到兩目標(biāo)點(diǎn)之間的距離，以米為單位）。若角度偏差Δβ和距離偏差ΔS超出規(guī)范要求，則必須重新豎向投測(cè)平面控制點(diǎn)。只有當(dāng)Δβ、ΔS符合要求后，方可進(jìn)行平差[2]。

3.4 秩虧自由網(wǎng)平差

因?yàn)橥饵c(diǎn)存在誤差，因此，測(cè)量出來(lái)的角度和邊長(zhǎng)與已知值也同樣存在一定的誤差，故需要進(jìn)行平差處理，提高控制點(diǎn)的精度。由于每個(gè)點(diǎn)都有可能存在誤差，平差時(shí)無(wú)起始數(shù)據(jù)，所以通常采用秩虧自由網(wǎng)平差。測(cè)邊網(wǎng)的無(wú)起始數(shù)據(jù)的自由網(wǎng)平差的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算過(guò)程如下。

其中：

式中，n為觀測(cè)值個(gè)數(shù)，m為未知數(shù)個(gè)數(shù)。

坐標(biāo)近似值采取底層控制點(diǎn)的已知坐標(biāo)，在進(jìn)行自由網(wǎng)平差時(shí)，需要保持了這些點(diǎn)的重心坐標(biāo)不變。進(jìn)行實(shí)際平差時(shí)，測(cè)量得出的各點(diǎn)精度均較高，保障施工測(cè)量放樣的精度。

3.5 歸化改正后放樣出軸線(xiàn)網(wǎng)

利用全站儀進(jìn)行細(xì)部軸線(xiàn)的放樣，利用平差后的控制點(diǎn)坐標(biāo)，采用極坐標(biāo)法放樣，不需要對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行歸化改正；用經(jīng)緯儀和鋼卷尺放樣軸線(xiàn)，應(yīng)該對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行歸化改正，再以歸化后的控制點(diǎn)作為平面測(cè)量的依據(jù)；鋼卷尺測(cè)距時(shí)，應(yīng)該在鋼尺的自由端施加標(biāo)準(zhǔn)拉力，且需進(jìn)行溫度尺長(zhǎng)改正。

4. 標(biāo)高的向上傳遞及控制線(xiàn)放樣

標(biāo)高傳遞方式使用掛鋼尺法，在測(cè)量過(guò)程中必須施加標(biāo)準(zhǔn)拉力，應(yīng)該進(jìn)行溫度尺長(zhǎng)改正。標(biāo)高向上傳遞均應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行兩次，兩次測(cè)量較差ΔH不宜大于7mm,取平均值作為最后結(jié)果。標(biāo)高傳遞上來(lái)后設(shè)置臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)，作為該樓層上一節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)安裝標(biāo)高控制的依據(jù)。

標(biāo)高引測(cè)到施工層后，用水準(zhǔn)儀在鋼柱上放樣出統(tǒng)一的控制線(xiàn)，作為鋼柱安裝的標(biāo)高依據(jù)，水準(zhǔn)儀只能架設(shè)在固定鋼柱上的儀器托架上。標(biāo)高的傳遞同樣不得從下層樓層丈量上來(lái)，以防止積累誤差。

5. 鋼柱垂直度校正實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)程

5.1 鋼柱垂直度校正實(shí)時(shí)測(cè)量

在高層鋼框架結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中，鋼柱垂直度質(zhì)量控制十分關(guān)鍵，這包含單節(jié)鋼柱垂直度及建筑物整體垂直度控制兩個(gè)方面。單節(jié)柱垂直度精度控制是整體垂直度控制的前提，通過(guò)控制單節(jié)柱柱的垂直度精度，從而保證建筑物整體的垂直度。鋼柱安裝完成后，加強(qiáng)自檢、監(jiān)理驗(yàn)收檢查，每節(jié)柱安裝檢查、三節(jié)柱復(fù)核，最后整體復(fù)核，通過(guò)層層把關(guān)，確保整體垂直度在允許偏差范圍[3]。鋼柱垂直度校正實(shí)時(shí)測(cè)量流程如圖4 所示。

圖4 鋼柱垂直校正實(shí)時(shí)測(cè)量流程圖

5.2 安置全站儀、設(shè)置測(cè)站三維坐標(biāo)并定向

在操作層上進(jìn)行鋼柱垂直度校正實(shí)時(shí)測(cè)量時(shí)，測(cè)站點(diǎn)盡可能選用從下方傳遞上來(lái)的控制點(diǎn)，當(dāng)用這些控制點(diǎn)觀測(cè)不能滿(mǎn)足施工要求時(shí)，可以用這些控制點(diǎn)加密一次控制點(diǎn)，作為臨時(shí)觀測(cè)點(diǎn)，為保證測(cè)量精度，臨時(shí)觀測(cè)點(diǎn)不能作為再次加密控制點(diǎn)的依據(jù)。

臨時(shí)測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量可以有很多種，使用不同的設(shè)備方法也不同，當(dāng)使用全站儀時(shí)常用兩種方法。

（1）極坐標(biāo)法，需在已知點(diǎn)上設(shè)站測(cè)量邊長(zhǎng)和角度，該種方法測(cè)量結(jié)果的誤差一般不受控制點(diǎn)網(wǎng)形的影響，誤差主要來(lái)自角度和邊長(zhǎng)的測(cè)量誤差，一般其點(diǎn)位的誤差可達(dá)到2mm ～3mm，并且可以在一個(gè)測(cè)站上一次測(cè)量幾個(gè)臨時(shí)控制點(diǎn)坐標(biāo)，該方法的缺點(diǎn)是在獲取未知點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)需在已知點(diǎn)上設(shè)架設(shè)全站儀，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)。

極坐標(biāo)法測(cè)量過(guò)程如圖5 所示。

圖5 極坐標(biāo)法測(cè)量示意圖

（2）儀器直接放在待定點(diǎn)上進(jìn)行距離交會(huì)（自由測(cè)站的一種方法），其點(diǎn)位誤差同樣受網(wǎng)形的影響很大，如圖6 所示。

圖6 自由測(cè)站示意圖

A、B、C為已知點(diǎn)；P為待定點(diǎn)。

式中，mP：為待定點(diǎn)的誤差；m：為測(cè)距誤差；P：為兩測(cè)量邊的夾角。

當(dāng)待定點(diǎn)位于以?xún)蓚€(gè)已知控制點(diǎn)為直徑的圓周上時(shí)（即P=90°），其誤差最小，P角增大或變小都會(huì)使誤差增大，當(dāng)網(wǎng)形不好時(shí)其誤差值會(huì)迅速增大，一般要求P角在120°～60°，提高P點(diǎn)的位角精度可增測(cè)角度P，在通視條件好的情況下，也可增測(cè)P點(diǎn)與另一已知點(diǎn)的距離PC。一般全站儀都有自由測(cè)站的功能，有多余觀測(cè)時(shí)自動(dòng)進(jìn)行平差處理，應(yīng)熟悉儀器操作手冊(cè)，明白各種儀器測(cè)量的不同之處。雖然自由測(cè)量的精度受圖形影響，但自由測(cè)站減少一個(gè)測(cè)站的工作，可以加快測(cè)量速度，只是在測(cè)量時(shí)要注意點(diǎn)位的選擇即可大大提高精度，加快作業(yè)速度。

（3）儀器設(shè)置好后，就可以進(jìn)行鋼柱垂直度校正測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)是鋼柱校正方向、校正多少的依據(jù)。

對(duì)于每一根鋼柱，都是依據(jù)已經(jīng)制訂好的測(cè)量方案進(jìn)行測(cè)量，在鋼柱吊裝前先在確定好的位置測(cè)量標(biāo)志。鋼柱初步固定后，對(duì)測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。由于經(jīng)過(guò)初步固定后，鋼柱的垂直度偏差一般小于100mm，因此可以依據(jù)測(cè)量坐標(biāo)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找到該鋼柱的相關(guān)信息，再依據(jù)相關(guān)信息計(jì)算出該鋼柱中心坐標(biāo)的實(shí)測(cè)值，最后計(jì)算出中心偏移與扭轉(zhuǎn)偏差的大小及方向等信息。

測(cè)量前應(yīng)依據(jù)規(guī)范、柱長(zhǎng)、施工實(shí)際情況等確定各偏差量的允許偏差值，并把相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到程序，程序自行判斷鋼柱的各偏差值是否符合施工要求。

（4）信息及時(shí)傳遞給操作人員:把上述信息傳遞給操作人員，指導(dǎo)其施工，傳遞信息可借助對(duì)講機(jī)等工具。

（5）鋼柱垂直度的校正是一個(gè)逐步逼近過(guò)程，可能需多次測(cè)量、校正、測(cè)量、校正的重復(fù)過(guò)程，其垂直度才能合格。

6. 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合施工過(guò)程中采用的施工測(cè)量方法，即充分利用免棱鏡全站儀的免棱鏡測(cè)距性能，測(cè)量鋼柱立面某些特定點(diǎn)的坐標(biāo)，測(cè)量值傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，程序按照鋼構(gòu)件的幾何形狀計(jì)算出鋼柱的中心偏移量及鋼柱的扭轉(zhuǎn)偏差值，同時(shí)可以得出鋼柱的標(biāo)高偏差值。因此，利用此測(cè)量方法進(jìn)行鋼柱的垂直度控制測(cè)量，可以縮短施工前的軸線(xiàn)放樣的時(shí)間，減少測(cè)量工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少測(cè)量結(jié)果的反饋時(shí)間，提高鋼柱的安裝質(zhì)量。測(cè)量過(guò)程代替放樣過(guò)程，測(cè)量精度提高，減少了測(cè)量誤差，提高了鋼結(jié)構(gòu)以及建筑物的質(zhì)量等級(jí)。