超高層建筑施工監(jiān)測內(nèi)容及技術體系研究

蘭澤英,劉　洋

(1.廣東工業(yè)大學 管理學院，廣東 廣州 510060；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

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超高層建筑施工監(jiān)測內(nèi)容及技術體系研究

蘭澤英1,劉洋2

(1.廣東工業(yè)大學 管理學院，廣東 廣州 510060；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

摘要：超高層建筑施工監(jiān)測(即第三方監(jiān)測)對于檢核施工質量，保障施工安全具有重要意義。目前，超高層建筑施工監(jiān)測存在缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的內(nèi)容及技術體系，激光投點時對塔體擺動影響關注不夠等不足。為此，在采用多種先進儀器設備，構建超高層建筑施工監(jiān)測較完備科學的內(nèi)容體系和技術體系，并解決以上缺點。文中對基準平面控制網(wǎng)的建立與維護，施工控制網(wǎng)豎向傳遞復測，軸線檢測，電梯井、核心筒垂直度測量，施工控制網(wǎng)高程基準豎向傳遞檢測，建筑物沉降觀測等6方面內(nèi)容做系統(tǒng)闡述，研究成果已成功應用于廣州市多棟超高層建筑施工監(jiān)測中，具有重要示范意義。

關鍵詞：超高層建筑；施工監(jiān)測；塔體周日擺動監(jiān)測；施工控制網(wǎng)豎向傳遞；軸線檢測；垂直度測量

隨著土地日益稀缺和建筑科技的發(fā)展，超高層建筑越來越多地出現(xiàn)在各大城市。由于高度很高(一般超高300 m)，超高層建筑的施工測量方法有其特殊性，首先傳統(tǒng)的基于全站儀的施工測量方法因仰角太大無法滿足其施工精度要求。其次，其施工控制網(wǎng)需要從首層分段向上傳遞，具體做法：首先設置轉換層，且每樓層預留孔形成通道，借助激光垂準儀向上投點，將首層的施工控制網(wǎng)(包括內(nèi)控網(wǎng)和外控網(wǎng))在轉換層之間分段進行傳遞引測，從而進行分段控制，如圖1所示。此外，超高層建筑施工測量難度較大，主要表現(xiàn)兩點：一是依據(jù)相關規(guī)程其全高垂直度允許偏差不得超過H/1 000且≤30 mm[1]；二是塔體受日照、風、施工震動等多因素影響，處于運動狀態(tài)，直接影響到激光投點的準確性。因此，為了檢核施工質量、達到提前預警的目的，業(yè)主一般會委托獨立第三方進行施工監(jiān)測。

圖1　超高層建筑施工控制網(wǎng)豎向傳遞示意

目前，超高層建筑施工監(jiān)測主要存在三方面的問題：一是缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的內(nèi)容及技術體系；二是激光投點時對塔體擺動影響關注不夠；三是缺乏大規(guī)模工程化應用的檢驗。為此，本文旨在構建超高層建筑施工監(jiān)測較完備、科學的內(nèi)容體系及科學、先進的技術體系，主要包括基準平面控制網(wǎng)的建立與維護，施工控制網(wǎng)豎向傳遞復測，軸線檢測，電梯井、核心筒垂直度測量，施工控制網(wǎng)高程基準豎向傳遞檢測，建筑物沉降觀測等6個方面。本文的研究成果已成功應用廣州市多棟超高層建筑施工監(jiān)測中。

1超高層建筑施工監(jiān)測內(nèi)容及技術體系構建

1.1基準平面控制網(wǎng)的建立與維護

基準平面控制網(wǎng)作為整個施工監(jiān)測工作的基準，可在施工平面控制網(wǎng)受到破壞的情況下，迅速恢復，保證基準統(tǒng)一，一般每2個月監(jiān)測1次。基準平面控制網(wǎng)點的選址應在實地踏勘的基礎上，綜合考慮GPS觀測條件、圖形條件、通視條件、及后續(xù)應用等因素進行布設。常布置在周邊建筑物的樓頂，點位埋石采用強制觀測墩。

基準平面控制網(wǎng)建立時利用附近的城市連續(xù)運行基準站網(wǎng)點或者地面城市等級控制點為起算，按照GPS一級網(wǎng)要求進行同步靜態(tài)觀測，控制點點位中誤差按10 mm精度控制。

1.2施工控制網(wǎng)豎向傳遞復測

首先進行首級施工控制網(wǎng)的聯(lián)測與監(jiān)測。首級施工控制網(wǎng)處于施工區(qū)域附近，控制點之間的兼容性及穩(wěn)定性易發(fā)生變化，需要利用穩(wěn)定的外圍基準(基準平面控制網(wǎng))對其進行定期聯(lián)測與監(jiān)測，保證施工測量基準的統(tǒng)一。

超高層建筑施工測量的關鍵是施工平面控制網(wǎng)準確向上傳遞。它包括兩個重要環(huán)節(jié)，首先獲取塔體的周日擺動規(guī)律，為激光投點偏差改正提供數(shù)學模型；投點及偏差改正后，再采用全站儀法和GPS法對傳遞后的施工控制網(wǎng)進行內(nèi)外符合性檢核。

1.2.1超高層建筑塔體周日擺動監(jiān)測

塔體周日擺動監(jiān)測是超高層建筑施工監(jiān)測中所要解決的核心技術問題，本文主要介紹數(shù)字正垂法和CCD法，它們均可準確獲取塔體的周日擺動規(guī)律，并可實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體、全自動觀測、數(shù)據(jù)的實時處理和表達，且具有高精度、高采樣率等顯著優(yōu)勢。

1)數(shù)字正垂法。數(shù)字正垂儀通常用于大壩安全監(jiān)測，首次在廣州市西塔施工監(jiān)測項目中得到應用，取得很好效果。正垂線儀由重錘、鋼絲、傳感器的線圈和柵格板組成，線圈安裝在重錘的下方，柵格板安置在觀測點上。其精度指標：測量范圍Y方向80 mm，X方向120 mm；測量精度±0.1 mm；分辨率0.025 mm；采集速率100次/s。

數(shù)字正垂儀的安裝如圖2所示，首先每層預留孔，并在轉換層之前安裝防風管并保證其垂直，管中有鋼絲與重錘連接，重錘沒有阻尼裝置處于自由擺動狀態(tài)，傳感器通過實時感知重錘中心位置并將觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C軟件。

圖2　數(shù)字正垂儀安裝示意圖

由于系統(tǒng)有很高的采樣速率，在很短的時間內(nèi)可認為垂線的擺動是一個非衰減的自由擺，其擺動方程為

在方程中有4個未知參數(shù)(A,T,θ,X),只要觀測4 組數(shù)據(jù)(xi,ti)就可求解出惟一的解，采用最小二乘平差方法可求得多組觀測值下的參數(shù)最大或然值，從而得到精確的垂線中心位置。然后，計算機軟件對連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進行去噪和數(shù)據(jù)擬合等后處理可獲得塔體中心位置周日點位軌跡，圖3為基于數(shù)字正垂方法獲取的廣州市西塔50～70層塔體擺動軌跡圖。

圖3　廣州市西塔50～70層塔體擺動軌跡

可見，數(shù)字正垂法可準確獲取塔體的擺動規(guī)律，為投點改正提供數(shù)學模型，大大拓寬了投點時段，即不需固定在不施工、無風的深夜進行投點，且其效率及精度較傳統(tǒng)方法有明顯提高。同時存在安裝復雜的缺點，尤其是安裝防風管，并保證其垂直，因為鋼絲受風力晃動影響觀測精度。

2)CCD法。為了克服數(shù)字正垂安裝復雜的缺點，本文的項目團隊自主設計研制基于CCD的塔體周日擺動監(jiān)測系統(tǒng)，填補國內(nèi)空白。該系統(tǒng)用激光束代替鋼絲，通過激光的發(fā)射、成像、識別來代替重錘的擺動感應，因此只要保證激光束的傳輸路徑通暢(只要預留孔即可)且不用安裝防風管，更加簡便。

該系統(tǒng)由硬件和軟件構成，其中硬件(見圖4)包括垂準儀、接收靶、傳感器及工業(yè)相機等,軟件(見圖5)包括光環(huán)中心自動提取與數(shù)據(jù)后處理等功能。該系統(tǒng)精度指標為測量范圍Y方向90 mm，X方向90 mm；圓環(huán)中心提取精度0.17 mm；圖像物面分辨率0.061 mm；采集速率24次/s(重心法)，7次/s(圓環(huán)法)；激光垂準儀(大連拉特JZC-G)標稱精度1/20 0000。

圖4　CCD系統(tǒng)硬件部分

圖5　CCD系統(tǒng)軟件部分

觀測時，垂準儀向上垂直發(fā)射激光束，在數(shù)據(jù)采集器中的接收靶上成像；位于接收靶上方的工業(yè)攝像機對其拍攝獲取激光束光斑圖像，傳感器及數(shù)據(jù)采集卡將信號輸送到計算機軟件；基于自適應閾值激光光斑中心定位方法，軟件實時對數(shù)據(jù)進行處理、運算、獲取激光束中心位置，并通過界面實時顯示被測對象的相對位移量；最后經(jīng)過去噪及數(shù)據(jù)擬合等后處理可得到塔體中心位置的運動軌跡，圖6為基于CCD方法獲取的廣州市東塔57～89層塔體中心周日點位軌跡圖。

可見，CCD方法具有兩大優(yōu)勢：一是采樣率高(一般數(shù)據(jù)采樣率為1 Hz)、精度高、安裝簡便，全自動觀測，可實時準確獲取塔體的規(guī)律；二是系統(tǒng)穩(wěn)定，通過高采樣率和觀測數(shù)據(jù)的后處理可有效消除風震、施工震動等短周期因素影響。

圖6　廣州市東塔57～89層塔體周日點位軌跡

1.2.2施工控制網(wǎng)的內(nèi)外符合性檢核

投點及改正后，首先利用全站儀法進行施工控制網(wǎng)內(nèi)符合檢測，主要流程：采用高精度全站儀按一級導線的觀測精度布測導線，以平差解算得到的外控點坐標反算出外控點之間的邊長和角度，并與設計值相比較，從邊長和角度差異分析外筒控制點之間的內(nèi)符合性。

施工控制網(wǎng)的外符合復測的思路是將轉換層控制點投遞至鋼平臺，在鋼平臺標志處架設GPS接收機，與超高層建筑外圍基準點進行聯(lián)測，根據(jù)基準點推算施工控制網(wǎng)點的坐標，將計算值與設計值進行比較，檢核施工控制網(wǎng)的穩(wěn)定性和一致性。以上兩種方法相互補充，共同達到檢核目的。

1.3軸線檢測

軸線檢測需要結合建筑結構特點，選取放樣軸線點或者關鍵結構柱作為檢測對象。軸線檢測主要在首層及各轉換層間進行，以廣州市利通廣場軸線檢測為例，將最近轉換層內(nèi)筒4個控制點中任意3個投到上面各層，檢查邊長和角度無誤后，利用任意通視兩個控制點組成閉合導線。利用高精度全站儀按一級導線要求布設導線，如圖7所示，對每個結構柱子至少觀測4個碎部點，采用最小二乘法擬合出柱子圓心位置即獲得軸線中心，通過比對中心點設計坐標和實測擬合坐標來評價施工的準確性。

圖7　利通廣場軸線檢測碎部點分布及碎步點擬合示意圖

1.4電梯井、核心筒垂直度測量

一般從首層起，每上升2層進行一次電梯井、核心筒垂直度測量，其方法與軸線檢測類似：基于內(nèi)控點或外控點布設一級導線，測量電梯井、核心筒各剪力墻的碎部點，基于最小二乘法擬合出剪力墻相交的特征角點，然后采用靜力矩法獲取電梯井、核心筒的幾何中心，將中心點的實測擬合坐標與設計坐標做比對可獲取每段電梯井、核心筒的垂直度偏差。

以利通廣場為例，如圖8所示，圓圈為實測的碎步點，對核心筒4條邊分別擬合，延長相交可以求出4個頂點的坐標，把4個頂點坐標與設計線延長線后頂點坐標相比較，按靜力矩法計算該層(如第j層)實測中心與設計中心的坐標偏差Δxj，Δyj和偏心差Sj，進一步可計算相對垂直度kj和第j層的總垂直度Kj。其計算式：

式中：dxi,dyi為第j層第i點的檢測坐標與設計坐標之差;hj為j層樓高;Hj為j層相對于地面的總高度。

1.5施工控制網(wǎng)高程基準豎向傳遞檢測

高層建筑物各施工層的標高是由底層±0標高向上傳遞，一般有懸掛鋼尺法和全站儀天頂距法兩種。懸掛鋼尺法受鋼尺長度的限制，對場地有一定的要求。全站儀天頂距法主要依賴于全站儀的測距精度，該方法應用更廣泛，且操作簡便。

1.6建筑物沉降觀測

超高層建筑沉降觀測著重解決兩個重要問題，包括深基坑高程基準傳遞問題以及精密水準數(shù)據(jù)的自動化處理。與施工控制網(wǎng)高程基準豎向傳遞一樣，沉降觀測時深基坑的高程傳遞也采用懸掛鋼絲法或全站儀天頂距法。精密水準數(shù)據(jù)自動化處理軟件一般具備4方面的功能：①優(yōu)化項目管理：軟件應專門設置項目工程，對各期觀測數(shù)據(jù)、文檔、圖表進行集中管理，從觀測數(shù)據(jù)導入、編輯、處理、分析，到最終成果的輸出、打印，形成完整的項目管理體系。②自動化數(shù)據(jù)處理及限差探測：軟件應設置對觀測數(shù)據(jù)各項限差的自動檢查及標識。③構建多種沉降模型解決觀測數(shù)據(jù)“斷鏈連接”問題并預測沉降趨勢，一般設置線性回歸模型、邏輯斯蒂模型、雙曲線模型和自回歸模型等4種模型。④成果報表自動生成：數(shù)據(jù)處理完成之后，軟件可自動按標準格式生成平差報告、觀測點成果表、時間沉降量曲線圖等成果。

綜上所述，本文歸納總結出超高層建筑施工監(jiān)測的內(nèi)容及技術體系如表1所示。

圖8　利通廣場核心筒測量點位分布、垂直度求取、X,Y方向垂直度偏差示意圖

序號內(nèi)容子項技術方法觀測頻率1基準平面控制網(wǎng)建立及維護GPS法每2個月監(jiān)測1次2施工控制網(wǎng)豎向傳遞復測首級施工控制網(wǎng)監(jiān)測GPS法每2個月監(jiān)測1次塔體周日擺動監(jiān)測數(shù)字正垂法CCD法傾斜儀法轉換層之間觀測垂準儀投點垂準儀法轉換層之間投點控制點內(nèi)符合檢測精密全站儀法首層及各轉換層控制點外符合檢測GPS法首層及各轉換層3軸線檢測精密全站儀法首層及各轉換層4電梯井、核心筒垂直度測量垂直度測量精密全站儀法垂直度偏差計算最小二乘擬合法每2層1次5施工控制網(wǎng)高程基準豎向傳遞檢測全站儀天頂距法懸掛鋼尺法首層及各轉換層6沉降觀測基準網(wǎng)復測精密水準測量法每2個月復測1次高程基準傳遞全站儀天頂距法懸掛鋼尺法沉降觀測精密水準測量法觀測數(shù)據(jù)“斷鏈連接”及沉降趨勢預測線性回歸模型雙曲線模型自回歸模型logistic模型建設時,地上部分每2層一次;封頂后第一年每3個月觀測1次;第二年每4個月觀測1次;第三年每6個月觀測1次

2應用

從2008～2015年，承接廣州市西塔(438 m)、利通廣場(302.7 m)、廣州市東塔(530 m)、保利中心(310 m)等4棟300 m以上超高層建筑施工監(jiān)測項目，本文提出的內(nèi)容及技術體系在這些項目大規(guī)

模化實踐中進一步完善，得到的各項精度指標均優(yōu)于設計和規(guī)范要求，從多角度評價檢核了施工質量，為保障超大型工程項目的施工安全起到了積極作用。本文的相關研究成果已部分應用于《建筑變形測量規(guī)范》及《建筑施工測量規(guī)范》等行業(yè)標準的修編中，具有重要指導示范意義。

3結束語

本文采用多種先進特殊觀測設備，率先構建超高層建筑施工監(jiān)測較完備、規(guī)范的內(nèi)容體系及科學、先進的技術體系，具有重要指導示范意義。尤其是通過產(chǎn)學研相結合，拓展了數(shù)字正垂的應用領域，自主研發(fā)基于CCD的擺動監(jiān)測系統(tǒng)等新型測量裝備，有效解決了超高層建筑施工控制網(wǎng)豎向傳遞傾斜偏差。在今后的工作中，將對超高層建筑的健康監(jiān)測展開研究，一是基于“塔體健康監(jiān)測施工階段與營運階段一體化”思想將建筑物健康監(jiān)測的時間提前到施工階段，為其運營期間的健康監(jiān)測提供更加豐富的本底數(shù)據(jù)；二是深度集成衛(wèi)星定位、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)及無線通信技術，構建對超高層建筑健康因子數(shù)據(jù)全自動實時采集、傳輸，塔體健康狀況實時評價分析的一體化智能平臺，以便為業(yè)主、施工方、運營方提供決策支持。

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[責任編輯：李銘娜]

Research on the content and technology system of super-high-rise building construction monitoring

LAN Zeying1,LIU Yang2

(1.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510060,China;2.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute,Guangzhou 510060,China)

Abstract：The super-high-rise building construction monitoring is of great significance,which can check the construction quality and ensure the construction safety.At present,the construction monitoring is a lack of unified,standardized content and technology system.Besides,not enough attention to the influence of the tower body swing has been paid in the process of laser point.So,this paper tries to set up a complete scientific content and technology system,and resolves the shortages above by applying a variety of advanced instruments and equipments.The paper contains six aspects,including the datum plane control network establishment and maintenance,vertical transmission of plane control networks,axis detection,elevation detection,core tube vertical testing and building falling observation.The research results have been successfully applied to several super-high-rise building construction monitoring,which has important demonstration significance.

Key words：high-rise building;construction monitoring;daily deformation monitoring;vertical transmission of plane control networks;axis detection;vertical testing

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.07.009

收稿日期：2015-10-23

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金資助項目(41301377)

作者簡介：蘭澤英(1983-)，女，講師，博士.

中圖分類號：P208

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)07-0040-06