王天應(yīng)，徐亞明，楊 崴

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060；2.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430079)

非規(guī)則性超高層建筑垂直度測量方法研究

王天應(yīng)1，徐亞明2，楊 崴1

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060；2.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430079)

超高層建筑垂直度測量成果是質(zhì)量驗(yàn)收及偏差處理的重要參考依據(jù),而超高層建筑的動態(tài)特性和非規(guī)則性在一定程度上增加了垂直度測量的難度。文中提出一種非規(guī)則性超高層建筑垂直度測量方法：采用智能全站儀監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行超高層建筑周日擺動監(jiān)測，利用GPS方法從宏觀上分析測量基準(zhǔn)的可靠性和準(zhǔn)確性，采用靜力矩方法計算垂直度偏差。應(yīng)用實(shí)踐表明，這種方法有效解決了施工控制網(wǎng)豎向傳遞傾斜偏差改正這一關(guān)鍵性技術(shù)難題，保障測量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和可靠性，垂直度偏差的計算與表達(dá)是科學(xué)合理的，具有借鑒意義。

非規(guī)則性；測量機(jī)器人法；GPS法；垂直度計算；靜力矩法

目前，超高層建筑越來越多地涌現(xiàn)在世界各地，且建筑物的高度不斷增高。各大城市為了打造各具特色的地標(biāo)性建筑，超高層建筑外觀設(shè)計呈現(xiàn)出多元化趨勢。在國內(nèi)涌現(xiàn)了以上海金茂大廈、廣州西塔、廣州東塔為代表的超高地標(biāo)性建筑；在國外，阿聯(lián)酋港口城市迪拜全力打造的摩天大樓“迪拜塔”，設(shè)計高度700 m，為目前世界第一高樓。

垂直度測量成果是施工質(zhì)量驗(yàn)收及偏差處理的重要參考依據(jù)，同時也是檢定施工測量放線精度及施工尺寸偏差的重要指標(biāo)。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，超高層建筑全高垂直度允許偏差不得超過H/1 000且≤30 mm[1]。目前，常規(guī)垂直度測量方法存在以下不足：①超高層建筑絕對高度高，受日照、地球自轉(zhuǎn)、風(fēng)力、溫差等多種動態(tài)因素的影響，主塔樓處于偏擺運(yùn)動狀態(tài)(如圖1所示)，直接影響施工控制網(wǎng)投點(diǎn)的準(zhǔn)確性。此外，超高層建筑平面控制網(wǎng)需分段多次向上傳遞(如圖1所示)，類似于布設(shè)“支導(dǎo)線”，缺少自身檢核條件。常規(guī)的垂直度測量方法未采取有效措施屏蔽或減弱上述因素的影響。 ②超高層建筑非規(guī)則性外觀使得建筑物幾何中心“縱向錯位”成為普遍現(xiàn)象，常規(guī)的垂直度測量方法很難找到一條自上而下的實(shí)物鉛垂線，造成常規(guī)垂直度測量方法缺乏可操作性。

圖1 塔體偏擺運(yùn)動狀態(tài)及投點(diǎn)示意圖

針對常規(guī)超高層建筑垂直測量方法的局限性，本文圍繞非規(guī)則性超高層建筑垂直度測量方法展開研究，提出一種嚴(yán)密可靠的垂直測量與計算方法。

1 非規(guī)則性超高層建筑垂直度測量方法

超高層建筑的動態(tài)特性和非規(guī)則性在一定程度上增加了垂直度測量的難度，如何采取有效措施解決動態(tài)特性難題是保障測量基準(zhǔn)準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵前提，如何獲取設(shè)計中心和實(shí)體建筑中心之間的偏差是非規(guī)則性建筑垂直度計算的核心問題。

1.1 測量基準(zhǔn)準(zhǔn)確性和可靠性監(jiān)測

針對超高層建筑動態(tài)特性頻率高的特點(diǎn)，可采用CCD法[2]、傾斜儀法、數(shù)字正垂方法[3]對正在施工中的超高層建筑進(jìn)行周日擺動監(jiān)測，了解其周日擺動規(guī)律，為投點(diǎn)糾偏和選擇合適投點(diǎn)時機(jī)提供數(shù)據(jù)支持。本文采用智能全站儀監(jiān)測系統(tǒng)獲取塔體周日變化規(guī)律，利用GPS方法從宏觀上分析測量基準(zhǔn)的可靠性和準(zhǔn)確性。

智能全站儀監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分由一臺或多臺測量機(jī)器人和PC機(jī)組成，主要功能是能夠滿足結(jié)構(gòu)監(jiān)測點(diǎn)多周期、多測回重復(fù)觀測的需求，并實(shí)時顯示各監(jiān)測點(diǎn)的運(yùn)動軌跡圖。針對距離遠(yuǎn)、傾角過大及儀器的垂直軸傾斜誤差對觀測精度影響顯著的問題，提出了一種全新的周日擺動監(jiān)測方案和數(shù)據(jù)處理方法，該方法利用兩臺測量機(jī)器人對塔體監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)自動跟蹤測量，并對其測距觀測值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而分析得出超高層建筑的周日擺動規(guī)律。

GPS方法是將轉(zhuǎn)換層控制點(diǎn)投遞至鋼平臺，在鋼平臺標(biāo)志處架設(shè)GPS接收機(jī)，與超高層建筑外圍基準(zhǔn)控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，平差計算轉(zhuǎn)換層控制點(diǎn)坐標(biāo)，將計算坐標(biāo)與設(shè)計坐標(biāo)進(jìn)行比較，檢核施工控制網(wǎng)的可靠性。

1.2 靜力矩垂直度計算方法

在保障測量基準(zhǔn)穩(wěn)定可靠的前提下，布設(shè)精密導(dǎo)線進(jìn)行核心筒剪力墻碎部測量?？紤]到施工現(xiàn)場的復(fù)雜因素，碎部測量所獲取的坐標(biāo)未必能真實(shí)反映建筑物的偏差情況，為了有效屏蔽測量噪聲及其它因素的影響，利用最小二乘方法獲取相應(yīng)特征點(diǎn)的坐標(biāo)。特征點(diǎn)坐標(biāo)獲取之后，將其與設(shè)計坐標(biāo)進(jìn)行比較，采用靜力矩法計算該層(如第j層)實(shí)測中心與設(shè)計中心的坐標(biāo)偏差Δxj,Δyj和偏心差Sj，算式為

(1)

式中：dxi，dyi為第j層第i個特征點(diǎn)的檢測坐標(biāo)與設(shè)計坐標(biāo)之差，進(jìn)一步可計算相對垂直度kj和第j層的總垂直度Kj為

(2)

式中：hj為j層樓高；Hj為j層相對于地面的總高度。

靜力矩垂直度計算方法可以獲取設(shè)計中心和實(shí)體建筑中心之間的偏差，并且可以獲取任意樓層的總垂直度，使得施工質(zhì)量驗(yàn)收評價及偏差處理更加準(zhǔn)確客觀。

2 實(shí)踐應(yīng)用

本文以廣州東塔垂直度測量為應(yīng)用實(shí)例。廣州東塔(見圖2)與廣州西塔、廣州電視塔形成“三塔鼎力”之勢，作為“三塔”中最高建筑，塔高為530 m，僅次于632 m的上海中心大廈，國內(nèi)排名第二，為華南地區(qū)第一高樓。

圖2 廣州東塔設(shè)計效果圖

2.1 智能全站儀監(jiān)測結(jié)果

為了有效解決廣州東塔的動態(tài)特性問題，采用智能全站儀監(jiān)測系統(tǒng)對主塔樓(45層以上的轉(zhuǎn)換層)進(jìn)行周日擺動監(jiān)測，如圖3所示。

圖3 周日擺動監(jiān)測平面圖

以轉(zhuǎn)換層(89層)監(jiān)測結(jié)果為例，在89層外圍鋼柱上固定觀測棱鏡作為監(jiān)測點(diǎn)(JC01、JC02)，分別在觀測點(diǎn)GC01、觀測點(diǎn)GC02架設(shè)測量機(jī)器人。其中，觀測點(diǎn)GC01至監(jiān)測點(diǎn)JC01距離約為293 m，觀測點(diǎn)GC02至監(jiān)測點(diǎn)JC02距離約為454 m，觀測點(diǎn)、后視點(diǎn)處均為強(qiáng)制歸心觀測墩，且已知平面坐標(biāo)。觀測過程中，先后視已知點(diǎn)定向，然后分別照準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)JC01、JC02，進(jìn)行連續(xù)自動跟蹤測量，采樣率為15 s，總時長為24 h。

通過測量機(jī)器人對監(jiān)測點(diǎn)固定連續(xù)自動跟蹤測量，得到觀測點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)之間的斜距觀測值，經(jīng)過儀器改正、氣象改正、球氣差改正等，得到連續(xù)的平距變化值，通過微分計算，求得X軸、Y軸方向的變化值，再進(jìn)行噪聲剔除、曲線擬合，分析得出周日變化曲線。具體方法如下：

已知監(jiān)測點(diǎn)JC01(x1,y1)、監(jiān)測點(diǎn)JC02(x2,y2)、觀測點(diǎn)GC01(x3,y3)、觀測點(diǎn)GC02(x4,y4)平面坐標(biāo)，s1為監(jiān)測點(diǎn)JC01與觀測點(diǎn)GC01的平距，s2為監(jiān)測點(diǎn)JC02與觀測點(diǎn)GC02的平距。

求得

(3)

(4)

分別對式(3)、式(4)進(jìn)行微分，求得

s1ds1=(x1-x3)dx1+(y1-y3)dy1，

(5)

s2ds2=(x2-x4)dx2+(y2-y4)dy2.

(6)

監(jiān)測點(diǎn)位于建筑物近似同一平面，根據(jù)初步觀測結(jié)果分析, 監(jiān)測點(diǎn)JC01、JC02位移變化基本一致，即dx1≈dx2，dy1≈dy2，令dx=dx1=dx2，dy=dy1=dy2。

求得

(7)

(8)

式(7)、式(8)中ds1為監(jiān)測點(diǎn)JC01與觀測點(diǎn)GC01的平距的變化值，ds2為監(jiān)測點(diǎn)JC02與觀測點(diǎn)GC02的平距變化值，(x1-x3)、(x2-x4)、(y1-y3)、(y2-y4)取固定值，dx,dy分別為東塔X軸、Y軸方向的變化值。

以連續(xù)20個觀測值為一組，取算術(shù)平均值為真值，采用二倍中誤差進(jìn)行噪聲剔除得到預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行曲線擬合。X方向位移變化如圖4所示，Y方向位移變化如圖5所示。

圖4 擬合后X方向位移變化

圖5 擬合后Y方向位移變化

由圖4、圖5分析，塔體(89層)在X方向相對中心位置最大偏移量約為4.47 mm，在Y方向相對中心位置最大偏移量約為3.38 mm，綜合考慮人眼識別能力、投點(diǎn)標(biāo)定誤差及測量系統(tǒng)誤差等因素，在轉(zhuǎn)換區(qū)間(68層～89層)控制網(wǎng)豎向傳遞時不需要對控制點(diǎn)進(jìn)行投點(diǎn)改正。

2.2 GPS方法監(jiān)測結(jié)果

將轉(zhuǎn)換層(89層)控制點(diǎn)(ZL1、ZL2、ZL3、ZL4)投遞至鋼平臺，在鋼平臺標(biāo)志處架設(shè)GPS接收機(jī)，與超高層建筑外圍基準(zhǔn)控制點(diǎn)(JC01、JC02、JC03)進(jìn)行聯(lián)測，見圖6，平差計算控制網(wǎng)點(diǎn)(ZL1、ZL2、ZL3、ZL4)的坐標(biāo)。

圖6 GPS方法聯(lián)測網(wǎng)圖

將計算值與施工坐標(biāo)進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示，點(diǎn)位較差均小于30 mm。

表1 點(diǎn)位較差結(jié)果 m

綜合考慮風(fēng)力、施工塔吊、測量誤差等因素，點(diǎn)位較差情況正常。

2.3 垂直度計算及表達(dá)

由智能全站儀監(jiān)測系統(tǒng)和GPS觀測結(jié)果分析，轉(zhuǎn)換層89層的控制基準(zhǔn)是準(zhǔn)確可靠的，可以作為下一轉(zhuǎn)換區(qū)間(89層—106層)垂直度測量的投測基準(zhǔn)使用。

利用垂準(zhǔn)儀方法引測測量基準(zhǔn)，布設(shè)精密導(dǎo)線進(jìn)行核心筒剪力墻碎部測量，利用最小二乘法針對碎部點(diǎn)進(jìn)行擬合(如圖7所示)，圖中藍(lán)色線是設(shè)計線，紅色線是擬合直線。核心筒4條邊分別擬合(紅色線)，延長相交可以求出4個角點(diǎn)(H001-01、H001-02、H001-03、H001-04)的坐標(biāo)。

圖7 垂直度求取示意圖

把4個角點(diǎn)坐標(biāo)與設(shè)計線(藍(lán)色線)延長線的4個角點(diǎn)坐標(biāo)相比較，獲取角點(diǎn)偏差。以98層為例，角點(diǎn)偏差如表2所示。

表2 98層角點(diǎn)偏差 m

根據(jù)靜力矩法計算，98層實(shí)測中心與設(shè)計中心的坐標(biāo)偏差Δxj,Δyj、偏心差Sj和總垂直度Kj分別為11 mm、-7 mm、13 mm、0.002 9%，按照類似方法可以獲取其它樓層垂直度。廣州東塔垂直度測量按照2層1次的間隔進(jìn)行，垂直度統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

由表3分析，垂直度結(jié)果滿足《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》超高層建筑全高垂直度允許偏差不得超過H/1 000且≤30 mm的要求。

3 結(jié)束語

超高層建筑的動態(tài)特性和非規(guī)則性在一定程度上增加了垂直度測量的難度，本文以廣州東塔垂直度測量為應(yīng)用實(shí)例，提出一種嚴(yán)密可靠的垂直測量與計算方法。實(shí)踐應(yīng)用表明：采用智能全站儀監(jiān)測法和GPS法相結(jié)合的方式解決施工控制網(wǎng)豎向傳遞傾斜偏差改正難題，利用靜力矩法計算超高層建筑垂直度是科學(xué)合理的，具有借鑒意義。

表3 垂直度統(tǒng)計表 mm

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Research of irregular super high-rise building verticality measurement method

WANG Tianying1,XU Yaming2,YANG Wei1

(1.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute, Guangzhou 510060,China; 2.Wuhan University, Wuhan 430079, China)

The result of super high-rise building verticality measurement is an important reference for the quality inspection and deviation processing.The dynamic characteristics and irregularity of super high-rise building increase the difficulty of verticality measurement to a certain extent. This paper proposes an irregular super high-rise building verticality measuring method: measuring robot method is used for daily deformation monitoring for super high-rise building. The GPS method is used for internal and external compliance check of control network. The static moment method is used for the calculation of verticality deviation. The practical application result shows that the method is effective for the critical technical problem of tilt deviation correction of vertical transmission of construction control network.The accuracy and reliability of the measurement datum are guaranteed.The calculation and expression of verticality deviation are scientific.

irregularity; measuring robot method; GPS method; verticality calculation; static moment method

2017-06-23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41474005)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015CFB501)；廣州市科技計劃項(xiàng)目(11G0041)

王天應(yīng)(1982-)，男，高級工程師.

著錄：王天應(yīng)，徐亞明，楊崴.非規(guī)則性超高層建筑垂直度測量方法研究[J].測繪工程，2018，27(2)：71-74.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.02.014

TU198

A

1006-7949(2018)02-0071-04

張德福]