趙 毅 張紅永 閆 冬 齊鵬輝 王 雨

中建三局集團(tuán)有限公司 湖北 武漢 430064

鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、整體剛度好、抗震性能好、工業(yè)化生產(chǎn)程度高、施工速度快、建筑造型美觀、施工環(huán)保、空間使用大、可滿足各種功能需求等特點，近幾年來發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于高層、超高層、大跨度空間結(jié)構(gòu)等各種造型復(fù)雜的建筑中。這些建筑通常具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型獨特、施工測量復(fù)雜、測量工作難度較高的特點[1]。

鋼結(jié)構(gòu)安裝測量是鋼結(jié)構(gòu)工作質(zhì)量控制的重要工作，測量成果的精度將直接影響鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量和施工的進(jìn)度。鋼結(jié)構(gòu)測量工作精度要求較高，允許誤差以毫米計，測量工作包括構(gòu)件加工尺寸測量、現(xiàn)場施工安裝測量。構(gòu)件在加工廠采用數(shù)控加工，測量精度較高。受現(xiàn)場環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式影響，很多超高層鋼結(jié)構(gòu)鋼柱在安裝測量時沒有儀器操作平臺，需要借助臨時搭設(shè)平臺或者借助全站儀專業(yè)的卡具和夾具來架設(shè)儀器?，F(xiàn)場施工安裝測量工作量較大，除了對鋼柱進(jìn)行定位測量外，還要對鋼柱全程開展跟蹤監(jiān)測工作。

1 項目工程概況

河南省科技館新館圭表塔為異形扭轉(zhuǎn)鋼框架結(jié)構(gòu)體系（圖1、圖2），共21層，建筑高度為100 m，建筑面積為900 m2，使用功能為觀光。鋼結(jié)構(gòu)包括圓鋼柱（10根直鋼柱，14根為斜鋼柱）、H型樓層鋼梁、箱型斜撐及框架外弧形鋼管梁，4～12層（標(biāo)高10.5～67.5 m）設(shè)計為無樓板結(jié)構(gòu)。

圖1 圭表塔鋼結(jié)構(gòu)模型

圖2 圭表塔效果圖

2 施工測量內(nèi)容及重、難點分析

1）本工程為純鋼結(jié)構(gòu)，建筑層數(shù)多、高度高，異形扭轉(zhuǎn)，造型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)豎向偏差直接影響工程受力情況，在施工測量中要確保豎向投點精度，減小偏差。

2）本工程造型比較獨特，核心筒有10根直柱，外圍有14根斜度不同的斜柱。斜鋼柱每節(jié)柱的柱頂坐標(biāo)不同，傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)施工測量方法在本工程中已不適用。核心筒采用外控法進(jìn)行控制，外圈斜柱采用內(nèi)控法，鋼柱安裝過程中內(nèi)控、外控相互校核。

3）本工程為鋼框架結(jié)構(gòu)體系，單層面積較小，再加上中間無樓板結(jié)構(gòu)，內(nèi)控點不易布設(shè)且無儀器架設(shè)平臺，需要借助臨時搭設(shè)平臺或者借助全站儀專業(yè)的卡具和夾具來架設(shè)儀器。

4）平面控制網(wǎng)向上引測時受鋼構(gòu)件吊裝環(huán)境和結(jié)構(gòu)特性影響較大，再加上斜柱重心不穩(wěn)，需要對斜柱進(jìn)行連續(xù)跟蹤測量。

5）隨著樓層的增高，誤差累積會加大，如何在復(fù)雜的外部環(huán)境因素影響下，迅速、準(zhǔn)確地完成平面軸線控制、高程傳遞，是本工程的重點工作。

6）鋼結(jié)構(gòu)安裝精度高，位置、標(biāo)高及軸線定位難度大。安裝時，構(gòu)件受力情況較復(fù)雜，極易發(fā)生變形、位移等現(xiàn)象，易造成偏差，需進(jìn)行跟蹤觀測，隨時糾偏并調(diào)整施工。

7）隨著樓層的增高，外圍斜鋼柱向核心筒收斂，樓層截面變小，鋼柱定位安裝難度大。

3 施工測量準(zhǔn)備

1）熟悉設(shè)計圖紙，對圖紙中的有關(guān)數(shù)據(jù)和幾何尺寸，進(jìn)行認(rèn)真復(fù)核。

2）熟悉業(yè)主單位提供的基準(zhǔn)點，并復(fù)核其準(zhǔn)確性。

3）斜柱定位是本工程測量控制的重點，采用施工坐標(biāo)系較為方便。以建筑物西南角軸線交點為坐標(biāo)系原點，建立施工坐標(biāo)系，將控制點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)系。

4）根據(jù)每層的結(jié)構(gòu)平面布置圖，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)深化模型、每節(jié)柱的加工長度，依據(jù)斜柱長度、斜度計算每節(jié)柱的柱頂坐標(biāo)。

5）根據(jù)圖紙條件及工程結(jié)構(gòu)特征確定軸線基準(zhǔn)點布置和控制形式。

4 施工控制網(wǎng)布設(shè)

4.1 外控網(wǎng)建立

根據(jù)建筑物特點和施工要求，首先復(fù)測基準(zhǔn)點的正確性，再進(jìn)行導(dǎo)線控制網(wǎng)聯(lián)測。內(nèi)業(yè)資料整理、計算完后，進(jìn)行閉合導(dǎo)線誤差分析和平差，對坐標(biāo)數(shù)據(jù)加以修正，得出各導(dǎo)線點平差后的坐標(biāo)，確認(rèn)誤差滿足規(guī)范要求后，建立施工導(dǎo)線控制網(wǎng)。

4.1.1 核心筒直柱定位

核心筒直柱安裝時無任何平面結(jié)構(gòu)，無法采用內(nèi)控法進(jìn)行軸線投測，只能采用外控法進(jìn)行軸線投測。

外控法就是在高層建筑物外部，根據(jù)建筑物的軸線控制樁，使用經(jīng)緯儀將軸線向上投測，又稱為經(jīng)緯儀豎向投測法。類似于多層建筑軸線投測，但由于高層建筑施工特點和場地情況不同，故安置經(jīng)緯儀的位置也有不同。常用的3種軸線投測方法為：延長軸線法、側(cè)向借線法和正倒鏡逐漸趨近法。

1）延長軸線法。此法適用于建筑物場地四周寬闊，能將建筑物輪廓軸線延長到遠(yuǎn)離建筑物的總高度以外，或附近多層建筑物的樓頂上，并可在軸線的延長線上安置經(jīng)緯儀的情況，再以首層軸線為準(zhǔn)，向上逐層投測。

2）側(cè)向借線法。此法適用于場地四周范圍較小，高層建筑物四周輪廓軸線無法延長，但可以將軸線向建筑物外側(cè)平行移出（俗稱借線）的情況。移出的尺寸應(yīng)視建筑物外側(cè)腳手架的情況而定，盡可能不超過2 m。

3）正倒鏡逐漸趨近法。此法適用于建筑物四周輪廓線雖然可以延長，但不能在延長線上安置經(jīng)緯儀的情況。

4.1.2 外控網(wǎng)布設(shè)、投測

本工程周圍場地比較寬闊，所以核心筒直柱軸線投測采用延長軸線法。當(dāng)首節(jié)柱安裝完成后，使用全站儀將3、C軸線精確地投測在塔樓底部并標(biāo)定，如圖3所示。隨著塔樓不斷升高，要逐層向上投測其柱軸線。具體做法如下：先將經(jīng)緯儀安置在C、C＇、3、3＇的軸線控制樁上，嚴(yán)格對中與整平，分別以正倒鏡2個盤位照準(zhǔn)塔樓首層3、C軸線標(biāo)志a、a＇、b、b＇，向上投測施工層直鋼柱，取正倒鏡投測點位的中點作為軸線投測的投影點，然后進(jìn)行直鋼柱校正。隨著樓層的增高，儀器與建筑物的仰角越來越大，因此可將軸線控制樁延長到施工部位100 m外，或者使用經(jīng)緯儀＋彎管目鏡的方法進(jìn)行軸線的投測。

圖3 延長軸線法的軸線豎向投測示意

軸線投測時應(yīng)注意：

1）軸線投測前應(yīng)嚴(yán)格檢核儀器，宜選擇陰天及無風(fēng)天氣進(jìn)行投測。

2）操作時儀器應(yīng)仔細(xì)對中整平，以減少儀器豎軸誤差的影響。

3）應(yīng)用正倒鏡投點法向上投測或延長軸線，以消除儀器視準(zhǔn)軸誤差和橫軸不水平誤差的影響。

4）軸線控制樁或延長軸線的樁位要穩(wěn)固，標(biāo)志要明顯，并能長期保存。投測時應(yīng)盡可能以首層軸線為準(zhǔn)直接向施工層投測，以減少逐層向上投測造成的誤差積累。

5）每隔5層或者10層，用正倒鏡逐漸趨近法校核一次，以提高投測精度，減少豎向偏差的積累。

4.2 內(nèi)控網(wǎng)

4.2.1 內(nèi)控網(wǎng)布設(shè)

由于本工程先進(jìn)行鋼柱安裝，電梯井橫梁上焊接的臨時工字鋼井字梁平臺是唯一能架設(shè)全站儀的地方，故內(nèi)控點布置在首層電梯井內(nèi)，在電梯井北側(cè)、西側(cè)分別布置后視點、檢查點（圖4）。

圖4 內(nèi)控點平面布置

在首層電梯井橫梁上焊接工字鋼井字梁作為架設(shè)激光垂直儀的平臺，電梯井內(nèi)控點布置如圖5所示。在樓板上預(yù)埋鋼板，等樓板結(jié)構(gòu)混凝土強度達(dá)到設(shè)計要求后，進(jìn)行內(nèi)控點引測并復(fù)核角度、邊長，經(jīng)復(fù)核無誤后做好標(biāo)識。

圖5 電梯井內(nèi)控點布置

4.2.2 內(nèi)控網(wǎng)投測

分別在首層3個內(nèi)控點處安置激光鉛直儀，仔細(xì)對中，嚴(yán)格整平，在內(nèi)控點豎直方向的各施工樓層板上均預(yù)留垂準(zhǔn)孔，在垂準(zhǔn)孔上方放置有不同直徑圓圈的激光接收靶。

為消除儀器的軸系誤差，投測時采用0°、90°、180°、270°四個位置分別向上投測，將4個投測點連線相交，即可得到投測點位，一般投測2次，如果2次相關(guān)結(jié)果在限差內(nèi)，則取其中點作為最終投測點。

4.2.3 斜鋼柱及弧心梁定位

核心筒直鋼柱、H型鋼梁安裝完成并連接成整體后，在電梯井梁上使用工字鋼焊接的井字梁作為測量平臺，將內(nèi)控點引測到測量平臺上。由于斜鋼柱在水平2個方向都有變化，無法采用外控法投測軸線進(jìn)行定位，故只能使用全站儀極坐標(biāo)法放樣來控制斜鋼柱定位。

內(nèi)控點投測完成后，在電梯井內(nèi)借助工字鋼井字梁架設(shè)全站儀，后視點及檢查點借助懸挑鋼平臺進(jìn)行后視、測站檢核。建站完成并待角度、距離檢核無誤后，采用全站儀極坐標(biāo)法進(jìn)行斜鋼柱及弧心梁的安裝定位測量。

斜鋼柱由于重心不在底部，故定位測量需要連續(xù)進(jìn)行，直至斜鋼柱間弧心梁、斜鋼柱與核心筒柱間的H型鋼梁焊接完成并形成一個整體后，方可停止。

4.3 高程控制網(wǎng)

4.3.1 高程控制點

高程控制點直接設(shè)置在平面控制點位上，高程控制點不少于2個，待首節(jié)鋼柱安裝完成后，將控制點高程引測至首節(jié)柱上，做好標(biāo)識，引測精度不應(yīng)低于四等水位，并定期進(jìn)行復(fù)核。

4.3.2 高程傳遞

本工程的高程采用水準(zhǔn)儀懸掛鋼尺法和全站儀天頂測距法2種不同的方法進(jìn)行傳遞，相互校核。

5 鋼結(jié)構(gòu)安裝、測量校正施工流程

按照核心筒直鋼柱、核心筒H型鋼梁、外圍斜柱、弧心梁的順序進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)安裝校正工作。核心筒直鋼柱的安裝校正按照先標(biāo)高、后位移、最后垂直度的順序進(jìn)行。在構(gòu)件安裝校正過程中，加強對相鄰鋼柱的監(jiān)測工作，提高整體安裝精度。

1）構(gòu)件進(jìn)場復(fù)測。在安裝測量前，對柱、梁、牛腿等主要構(gòu)件尺寸與中線位置進(jìn)行復(fù)核，并標(biāo)出構(gòu)件軸線或中心線，以作安裝校正用。

2）基地埋件復(fù)核。在首節(jié)柱安裝前，首先確保基礎(chǔ)混凝土達(dá)到設(shè)計強度，然后復(fù)核鋼柱地腳螺栓的平面位置、高程，復(fù)核無誤后在埋件上用墨線彈出軸線。

3）鋼柱標(biāo)高控制。鋼柱的標(biāo)高控制應(yīng)在鋼柱安裝就位前完成。鋼柱吊裝前，根據(jù)下一節(jié)柱頂偏差值、本節(jié)柱的柱長偏差值、下節(jié)柱柱底焊縫收縮值來確定本節(jié)柱安裝標(biāo)高。如本節(jié)鋼柱需調(diào)高，則在本節(jié)柱與下節(jié)柱的對接口間隙處墊上相應(yīng)高度的墊片。應(yīng)注意一次調(diào)整標(biāo)高不宜過大，否則會給其他構(gòu)件的安裝定位帶來難度。

4）位移調(diào)整。鋼柱吊裝前復(fù)核下節(jié)柱頂中心三維坐標(biāo)，為上節(jié)柱的標(biāo)高、位移預(yù)調(diào)整提供依據(jù)。鋼柱對接時鋼柱的中心線應(yīng)盡量對齊，錯邊量應(yīng)符合規(guī)范要求，盡量做到上下柱十字軸線重合。

5）垂直度校正。在柱、梁安裝過程中，2臺經(jīng)緯儀＋彎管目鏡分別置于相互垂直的軸線控制網(wǎng)上，從2個垂直方向同時測量、校正鋼柱的垂直度。在焊接時隨時跟蹤、校正鋼柱的垂直度，防止由于焊接收縮而造成柱子的偏移。

6 測量精度保證措施

1）施工控制網(wǎng)等級與鋼結(jié)構(gòu)施工要求相適應(yīng)。根據(jù)誤差理論分析和類似工程的施工經(jīng)驗，本工程平面控制網(wǎng)按照一級導(dǎo)線精度要求布設(shè)，高程控制網(wǎng)按照三等水準(zhǔn)精度要求布設(shè)，確?？刂凭W(wǎng)點位的精度符合要求。

2）使用相應(yīng)精度等級的施工測量儀器，提高測量放線精度。

3）測量過程中嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行測量，并實行復(fù)核制度，做到步步有復(fù)核，前一工序未檢核合格，不進(jìn)行后一步的測量。

4）須在測量前對涉及的儀器、鋼卷尺等測量工具進(jìn)行必要的檢驗，合格后方可投入到測量施工中。

5）控制點測量作業(yè)要做好書面記錄，對施工過程中用的全部測設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算并復(fù)核。

6）定期復(fù)核測量控制網(wǎng)。

7）定期對外控用的軸線控制樁進(jìn)行復(fù)核，防止因人為原因變動導(dǎo)致樁位位移或受破壞，影響測量的精度。

7 結(jié)語

在超高層建筑施工中，大多數(shù)采用內(nèi)控法進(jìn)行軸線豎向投測。軸線投測至施工樓層后，雖然對每一層邊角和自身尺寸進(jìn)行檢測，但無法檢查內(nèi)控點在施工層上的位移與轉(zhuǎn)動。因此，近些年來，在一些超高、造型獨特的鋼結(jié)構(gòu)建筑軸線投測中，經(jīng)常采用內(nèi)、外控相結(jié)合的方法進(jìn)行軸線投測。本工程即采用內(nèi)、外控相結(jié)合的方法進(jìn)行豎向軸線投測，并最終順利地完成了異形扭轉(zhuǎn)鋼結(jié)構(gòu)的測量控制任務(wù)。