莊會(huì)云 王沁怡 倪 超 楊玲玲 王長彬

北京市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 北京 102628

隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑層出不窮，外形設(shè)計(jì)越來越新穎復(fù)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(lǐng)域使用的測量儀器主要有全站儀、鉛直儀、測量機(jī)器人、實(shí)時(shí)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(diǎn)詳細(xì)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(yīng)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(biāo)控制法，即觀測構(gòu)件關(guān)鍵特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)來確保安裝精度，使用的儀器主要是全站儀。當(dāng)進(jìn)行變形觀測時(shí)，如需要連續(xù)觀測，還會(huì)采取測量機(jī)器人和RTK輔助觀測。施工現(xiàn)場環(huán)境一般比較復(fù)雜，通視條件較差，當(dāng)向上進(jìn)行導(dǎo)線測量時(shí)，有時(shí)會(huì)因觀測失誤等原因而出現(xiàn)較大的誤差，此時(shí)可以用RTK進(jìn)行快速復(fù)核，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正這些誤差。當(dāng)需要檢查構(gòu)件外形尺寸和結(jié)構(gòu)合攏精度時(shí)，可以使用三維激光掃描儀。測量機(jī)器人、RTK、三維激光掃描儀價(jià)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(diǎn)，做到優(yōu)勢互補(bǔ)，提高施工效率，這樣才能真正達(dá)到物有所值。

2 儀器特點(diǎn)分析對比

全站儀、測量機(jī)器人、RTK、三維激光掃描儀的特點(diǎn)分述如下：

1）全站儀。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜，能精確測量關(guān)鍵特征點(diǎn)三維坐標(biāo)，準(zhǔn)備工作時(shí)間短。缺點(diǎn)：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(jī)器人。優(yōu)點(diǎn)：能自動(dòng)精確測量觀測點(diǎn)三維坐標(biāo)，能自動(dòng)尋找觀測點(diǎn)位置，測量效率高。缺點(diǎn)：價(jià)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(dòng)找準(zhǔn)精度為200 m處1 mm；測角精度0.5″。

3）RTK。優(yōu)點(diǎn)：能實(shí)時(shí)測量觀測點(diǎn)三維坐標(biāo)，不需要光學(xué)通視，雨霧、暗夜均可進(jìn)行測量，沒有累積誤差，測距長。缺點(diǎn)：價(jià)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(yīng)、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(guān)鍵特征點(diǎn)的測量，高大建筑物對接收機(jī)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(diǎn)：可以在任何通視的位置以點(diǎn)云的形式掃描出構(gòu)件外形，掃描結(jié)果可用于構(gòu)件預(yù)拼裝。缺點(diǎn)：價(jià)格較貴，需要通視條件，不能測量單個(gè)關(guān)鍵特征點(diǎn)，無法獲得構(gòu)件實(shí)際空間坐標(biāo)，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(diǎn)，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(shè)和復(fù)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(jìn)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(yīng)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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分原理為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)測量技術(shù)，相較于以往的GPS測量方法，具有實(shí)時(shí)性、高精度的特點(diǎn)，是GPS測量技術(shù)發(fā)展的重要突破。RTK測量一般包括一個(gè)基站和若干個(gè)流動(dòng)站，當(dāng)基站和流動(dòng)站同時(shí)接收到4顆及以上衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)，流動(dòng)站即可得到厘米級(jí)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(dòng)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(diǎn)的位置，因此RTK不適合用于鋼構(gòu)件安裝時(shí)的空間定位測量，但可以利用其便捷、實(shí)時(shí)、無累積誤差的定位功能用于測量控制網(wǎng)的測設(shè)和復(fù)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(diǎn)和標(biāo)高控制點(diǎn)時(shí)，有時(shí)會(huì)因?yàn)槿藛T疏忽、儀器故障等原因產(chǎn)生錯(cuò)誤，此時(shí)可以把RTK架設(shè)到已測設(shè)完成的控制點(diǎn)位置，測定該點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并和理論坐標(biāo)進(jìn)行對比，當(dāng)偏差較大時(shí)應(yīng)用全站儀重新進(jìn)行測設(shè)。

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

RTK測定的是WGS-84坐標(biāo)系的坐標(biāo)，需經(jīng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換換算到現(xiàn)場的施工坐標(biāo)系中。而坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換精度受到現(xiàn)場校正點(diǎn)平面布置、數(shù)量、自身精度的影響，因此校正點(diǎn)的連線應(yīng)盡可能把整個(gè)施工現(xiàn)場包含在內(nèi)，這樣在校正點(diǎn)連線的內(nèi)部進(jìn)行測量，精度較高。高程坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換通過擬合的方式進(jìn)行，但校正點(diǎn)數(shù)量要比平面坐標(biāo)系多，可適當(dāng)增加校正點(diǎn)提高擬合精度。校正點(diǎn)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(diǎn)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(dāng)需要檢測獨(dú)立的點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，可以使用全站儀進(jìn)行測量，當(dāng)需要對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的面、體特征進(jìn)行檢測時(shí)，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(dāng)掃描儀與構(gòu)件距離較遠(yuǎn)、掃描角度較大時(shí)，構(gòu)件有較多的類似區(qū)域時(shí)，以及構(gòu)件表面顏色較淺、與環(huán)境對比度反差較小時(shí)，掃描過程中就會(huì)出現(xiàn)噪聲強(qiáng)度較高，掃描精度下降的現(xiàn)象，構(gòu)件表面特征點(diǎn)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(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。拼接時(shí)應(yīng)具備從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中精確提取單點(diǎn)坐標(biāo)的能力，此時(shí)需要在關(guān)鍵特征點(diǎn)位置設(shè)置磁性標(biāo)靶或球形標(biāo)靶以提高掃描精度，并用全站儀復(fù)測標(biāo)靶的坐標(biāo)，標(biāo)靶數(shù)不能少于3個(gè)，并且不能在同一條直線上。把點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件建立模型后，以全站儀復(fù)測的坐標(biāo)為基準(zhǔn)，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，把模型引入現(xiàn)場施工坐標(biāo)系中，這樣可以和構(gòu)件自身設(shè)計(jì)模型、相鄰其他構(gòu)件模型進(jìn)行擬合，完成尺寸檢測和合攏精度檢測。

4.3 測量機(jī)器人和RTK聯(lián)合作業(yè)

超高層鋼結(jié)構(gòu)施工中需要進(jìn)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(fēng)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(shí)間持續(xù)進(jìn)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(jìn)行壓縮變形、焊接收縮變形及累積變形觀測時(shí)，適合使用測量機(jī)器人進(jìn)行觀測。測量機(jī)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(dòng)辨識(shí)目標(biāo)、自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)測距測角、自動(dòng)跟蹤目標(biāo)、自動(dòng)記錄于一體的測量平臺(tái)，非常適合用于需要進(jìn)行頻繁重復(fù)觀測的施工部位。觀測時(shí)只需在滿足通視的條件下，在關(guān)鍵特征點(diǎn)放置棱鏡或反射片，以既有的測量控制點(diǎn)為后視即可隨時(shí)掌握變形值。

當(dāng)觀測結(jié)構(gòu)整體外形在外界因素作用下的變形時(shí)，重要的是掌握變形隨時(shí)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(chǔ)上的概略值。因此非常適合用RTK進(jìn)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(shè)置多層設(shè)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(wù)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(guān)重要的作用。

本文結(jié)合在超高層鋼結(jié)構(gòu)施工中實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和工作特點(diǎn)，在詳細(xì)闡述4種測量儀器的功能、測量精度以及適用場景的基礎(chǔ)上，提出了儀器之間如何相互配合進(jìn)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(shí)也為相關(guān)人員根據(jù)不同場合、不同任務(wù)、不同情況編制相應(yīng)的測量方案提供了參考。