大跨度空间钢结构精密工程测量技术方案探讨-倪尧.doc

大跨度空间钢结构精密工程测量技术方案研究黄向阳1，马建明2，倪 尧1，褚国栋2，刘占林1（1.南通市测绘院有限公司，江苏 南通226006；2.南通市体育会展中心有限公司，江苏 南通 226006）Reserch on Precision Engineering Surveying Technical Plan of Large-span Space Steel StructureHuang Xiang-yang，Ma Jian-ming，Ni Yao，Chu Guo-dong,Liu Zhan-lin摘 要：本文主要以南通市体育会展中心和园博园的钢结构工程精密测量项目为例，较全面地对大跨度钢结构安装测量、坐标检测及变形监测的多种精密测量技术方案进行了研究，着重对具有独创性的切线投影法等非接触式检测方案做了详细阐述，对我国正在兴起的大跨度空间钢结构精密测量具有一定的指导意义和参考价值。关键词：大跨度空间；钢结构 ；非接触；精密测量一、 引 言近几年来，随着我国建筑市场的发展以及建筑水平的提高，大跨度空间钢结构建筑逐步增多，钢结构测量方法与精度至关重要，直接影响到钢结构施工质量和结构安全。随着具有“南鸟巢”美誉的南通市体育会展中心和具有“南水立方”之称的南通园博园温室等大跨度空间钢结构工程在南通市区相继开工建设，我们有幸承担了拥有国内首家最大开闭顶体育场的大型钢结构建筑群的施工阶段的安装测量、安装后的三维坐标检测及运营阶段的变形监测等系列精密工程测量工作。以上述工程为契机，我们开展了一系列大跨度空间钢结构精密工程测量技术方案研究（该研究课题被列为2006年度江苏省建设系统科研计划项目，项目编号21），通过对大跨度空间钢结构工程各阶段的精密测量技术方案进行的系统性研究，提出了具有独创性的切线投影法等非接触式检测方案，并进行了大量的科研试验和应用实践，取得了满意的观测成果。二、 大跨度钢结构测量的一般技术特征（1） 内容复杂多样：如南通市体育会展中心包括主拱钢结构三维坐标检测、主拱钢结构变形监测、轨道梁三维坐标检测；园博园温室涉及了钢构件的地面拼装测量、吊装监控测量和安装后的坐标监测，各项任务均需要因地制宜采取合适的测量技术方案。（2） 测量精度要求高、技术难度大：地面控制测量、钢结构测量的点位中误差等精度指标一般为毫米级；钢结构测量目标多为钢结构中心，无法直接测量，需采用“过渡”方式测量。（3） 测量工期紧：施工项目多为政府标志性工程，其工期往往紧迫。而钢结构施工单位为了减少施工人员窝工现象，常要求测绘人员在短期内超常规完成测量任务。测量方案设计、方案试验、测量和施工几乎同步“套作”进行。（4） 测量环境恶劣：由于钢结构形式复杂，高空作业危险，施工期间脚手架林立，尘土飞扬，通视条件不好，且易造成控制点破坏，以上诸因素造成现场观测条件很差。三、 精密三维控制网测量为满足高精度的钢结构测量必须首先建立精密三维控制网，三维控制网的预设精度根据钢结构测量精度要求进行估算，一般为0.4M左右（M为控制网误差和钢结构测量引起的点位总误差）。平面控制网布设主要原则：（1） 平面控制网根据需要一般分两级布网，首级网以三角形和大地四边形为主建立边角网，次级网在首级网基础上插点或插网加密；（2） 平面控制网多以土建控制点为起算点，因其精度难以满足毫米级的钢结构测量需要，必须根据检测边长对起算点坐标进行必要的修正而布设独立控制网；（3） 在尽量保证网形结构强度的前提下，控制点因地制宜地选择在地面稳定、便于保存和易于观测的地方；（4） 控制网的点位初步确定后，应进行控制网精度的模拟估算，通过对边角数、测回数增删等手段，使控制网各点满足预设点位精度。图1 南通市体育会展中心体育场首级控制网平面控制测量必须有效减弱对中误差的影响，采用强制归心装置为最佳选择。场地限制或时间不允许时，选用对中性能良好的全站仪和觇标牌观测，或采取在控制点上直接设置标志（如棱镜片）等措施。为有效减小大气折光，通常选择不同时段取平均值或阴天气候减弱折光差对测角影响，测距应进行棱镜常数、温度和气压的改正。高程控制网一般与平面网点重合（或部分点重合）布设，以土建高程点为起算点，构成结点水准网或附合水准路线，按二等或一等水准观测要求测量。当两高程控制点间落差过大时，以及在对高空钢结构进行高程测量过程中，我们广泛采用 “全站仪水准”方式进行钢结构高程测量，能有效消除仪器高、棱镜高量取带来的厘米级误差，作业方法简介如下：（1） 在需传递高程的两点（A、B）中间位置架设全站仪，后视点A设置观测标志（为短棱镜杆或棱镜片，高度为I）；（2） 全站仪后视A测量斜距S1和垂直角A1，则全站仪中心（O）高程为HoHaIS1SinA1；（3） 将观测标志从A点移到B点安置，全站仪前视测量斜距S2和垂直角A2，则B点高程为：HbH0S2SinA2I；（4） 综合（2）、（3）后，B点高程简化为：HbHaS1SinA1S2SinA2；（5） 为提高精度和检核需要，我们采用后视观测两个高程点，获取两组高程后取中数的方法。经大量数据比较验证，高程测量中误差2mm（视距在200m以内）。四、 钢结构坐标检测技术方案钢结构测量一般要求观测圆柱中心、圆球中心或节点（即多个钢构件交点）的三维坐标，必须根据钢结构的几何、重力等特性将测量点“引出”到钢结构表面等可测区域形成若干过渡点，观测过渡点坐标后，再参照钢构件的几何尺寸（如半径、截面中心距等）推算出测量点的三维坐标。由于钢结构观测多为高空目标，为避免高空设置观测标志带来人身安全隐患，因此采用免棱镜全站仪、不设观测标志的“非接触式”测量技术方案成为首选。结合南通市体育会展中心钢结构测量项目，介绍两种非接触式测量方案如下。1.“切线投影法”坐标检测以南通市体育会展中心的体育场主拱三维坐标检测项目为例，如图2所示：体育场东西向共6根主拱，每根分为3条弦，其中2条上弦与活动屋盖系统连接，最高处达50m。根据要求对12根上弦中心（约100个焊接节点附近）进行坐标检测，其中：平面观测精度要求5mm，高程观测精度要求3mm。 图2 南通市体育会展中心体育场主拱照片为完成该任务，我们先后研究并讨论分析了悬挂垂球法、法截面设标观测法、加工套管法 、铅垂截面观测法、细部点拟合法、激光扫描仪法、视准轴法截面运动观测法等多种方案，均因有操作不便、危险性大、成本高、精度不够、计算复杂等原因放弃，最后选用独创的“切线投影法”，其测量原理如下：（1） 采用精密全站仪和弯管目镜在地面上垂直投影弦管任意处南北两侧切点（经试验其投影精度为12mm），两切点地面投影点连线中点即为弦管中心地面投影点；（2） 直接在地面上两台仪器“按双极坐标方式”观测弦管中心投影点平面坐标（即两台全站仪架设在两个控制点上，按极坐标方法同步观测，获取观测目标的两组坐标，检核后取坐标中数）；图3 切线投影法测量原理图（3） 在弦管中心投影点上安置免棱镜精密全站仪垂直向上直接测量弦管下方端点高程h1，在主拱设计电子图上直接量取该点截面上（截面为近似椭圆形）至弦管中心的距离h2，则h1+h2即为弦管中心高程。我们对体育场主拱所有切线投影点的两组坐标成果较差（共计396组）进行了精度统计分析：平面观测中误差和高程观测中误差分别为2.51mm和1.15mm。即便考虑全站仪的对中误差、切线投影差及仪器竖向测高差等影响，亦能完全满足主拱三维坐标检测的精度要求。切线投影法由于其作业方法简单、设站灵活，采用“非接触”的测量方式避免了高空作业危险，可以广泛应用于各类高空钢结构坐标检测和变形监测。2.“切线平分法”坐标检测南通市体育会展中心的体育会展馆钢结构桁架中心轴线间距为9米的网架，如图4所示：网架结构分上下两层，上下弦钢结构节点安装位置的准确性对飘逸顶蓬的美观和安全有很大的影响。图4 南通体育会展中心体育会展馆钢结构施工场景照片及桁架结构图 在体育会展馆节点坐标检测过程中，主要采取了另一种“非接触式”测量三维坐标的方法“切线平分法”，共计测量1164点，达到所测节点三维坐标点位精度 1.5cm的要求。其测量方法如下：（1） 在体育会展馆网状桁架钢结构施工前，施工方在屋顶面采用墨线设置了网格状轴线，经检测轴线交点坐标满足作为钢结构检测控制点的精度要求；（2） 在偏离地面轴线交点一侧（约50厘米处），内分出临时控制点，设置免棱镜全站仪，后视某高程控制点，在需观测的桁架垂直方向照准另一地面临时控制点；（3） 将全站仪在垂直面上分别观测该桁架的上（下）弦管上、下切线位置的垂直角；（4） 最后将仪器垂直角精确调整为某弦管上、下两切线平分线位置，直接测量至该弦管外径的距离，将该距离添加弦管半径后，计算一处出上（下）弦管中心三维坐标；（5） 仪器倒镜后再重复（3）、（4）两步骤观测一次，获取弦管中心两组三维坐标取中数；（6） 同样方法测出节点周边4个点，在CAD展点连线即可求出节点中心坐标。由于体育会展馆钢结构的空间姿态为平缓的曲面网架结构，采用切线平分法检测其节点坐标是一种近似观测方案：即切线平分视线并不严格通过近似椭圆形的弦管截面中心，在AutoCAD中采用坡度最大的桁架模拟该观测方案，发现最坏情况是平分线偏离弦管中心约4mm。因此该项目采用的切线平分法虽然作为一种近似的观测方案，已经完全能够满足观测精度要求。切线平分法对于竖向的钢结构测量同样适用（如我们在园博园钢结构基座定位测量就采用该方案标定其球面中心），由于其免去了人员攀爬危险、且无法精确设置标志到结构中心等问题，配套自动采集计算软件，可以在钢结构测量中得到广泛应用。五、 钢结构安装测量技术方案大型钢结构安装测量一般分为：地面拼装测量、空中吊装测量和安装后检测等测量工作。如南通市园博园温室钢结构测量的主要内容有：精密地面三维控制网测设；支座测量定位；钢结构网格地面拼装测量；下弦第一排焊接球测量定位；下弦部分节点球标高检测；上弦节点球吊装定位、坐标检测及支撑架拆除后上弦节点球坐标检测。其中365个上弦网壳节点球（如图5所示）要求其定位误差5mm，否则造成价格昂贵的网格状太阳膜拉裂或起皱，是该测量项目的重点和难点所在。图5 南通园博园钢结构施工场景照片及“鸭蛋形”钢结构网壳示意图1.地面拼装测量为确保大部分节点球内精度可靠，施工方决定在地面预先拼装部分网格（五边形1个，六边形36个，共计37个网格）。需预拼的钢结构网格分处于“鸭蛋形”上弦网壳的各个位置，在空中形态各不相同，需要将其空间设计坐标精确投影转换到便于观测和拼装的地面坐标系统，公司专门研制了“空间坐标转换系统”软件，逐网格将各球心空间三维设计坐标平移、旋转为地面三维拼装坐标。投影后确保同一网格中三个球心位于同一水平面，其余球心基本水平，便于地面拼装，转换后的网格内部几何形态结构保持不变。 图6 南通园博园钢结构拼装场景及特制的球心观测标志照片钢结构网格地面拼装测量方法如下：（1） 地面间距数米安置两台1秒级全站仪，采用平行光管技术相互观测十字丝，建立一条控制基准线；（2） 根据转换后的球心地面坐标成果，采用全站仪按极坐标法放样各支撑点平面位置；（3） 在支撑上安置钢球，并在球顶面安放特制的球心观测标志（如图6所示），精确观测球心平面坐标，指挥施工方调整钢球平面位置；（4） 采用S05级精密水准仪器测量各球顶面高程，指挥施工人员调整支撑高度；（5） 最后采用两台全站仪按双极坐标法测量球心坐标后，焊接连接杆件固定各钢球。由于全站仪距离观测目标仅数米，采用“双极坐标法”测量两组坐标结果表明：点位中误差2mm。采用检定钢尺丈量检测部分球心距离，与设计距离的较差均在3mm以内。2.空中吊装测量上弦钢结构网格安装（即上弦节点球精确定位）是本工程的技术难点和重点。我们进行了深入细致研究，最终决定主要采用两种方案：地面预先设置观测标志法和空中直接安置专用标志观测法。地面预设标志法即在拼装过程中，直接在部分钢球表面粘贴棱镜片（网格内6个钢球仅需粘贴4个），并采用“双极坐标法”测量其地面拼装坐标，并采用“空间坐标转换系统”软件将各棱镜片地面拼装坐标反算至空间设计坐标，这样在网格吊装过程中仅需监测棱镜片三维坐标即可完成定位。由于施工现场视线障碍较多，吊装时部分棱镜片从地面控制点无法观测。采用观测球心标志方法完成棱镜片无法观测及部分独立吊装钢球的空间定位。吊装测量采用数台0.5秒、1秒级全站仪安置在地面控制点上，按“双极坐标法”同步观测棱镜片或球心观测标志的三维坐标。由于全站仪内预存各点三维坐标，利用全站仪提供的放样功能实现实时指挥施工人员调整钢结构空间姿态，较好地完成了各上弦球的安装定位工作。六、 结束语由于大跨度空间钢结构建筑施工技术在国内兴起时间不长，施工单位测量人员普