異形扭轉鋼結構測量安裝技術應用

趙 毅 張紅永 閆 冬 齊鵬輝 王 雨

中建三局集團有限公司 湖北 武漢 430064

鋼結構具有自重輕、整體剛度好、抗震性能好、工業化生產程度高、施工速度快、建筑造型美觀、施工環保、空間使用大、可滿足各種功能需求等特點，近幾年來發展迅速，被廣泛應用于高層、超高層、大跨度空間結構等各種造型復雜的建筑中。這些建筑通常具有結構復雜、造型獨特、施工測量復雜、測量工作難度較高的特點[1]。

鋼結構安裝測量是鋼結構工作質量控制的重要工作，測量成果的精度將直接影響鋼結構工程質量和施工的進度。鋼結構測量工作精度要求較高，允許誤差以毫米計，測量工作包括構件加工尺寸測量、現場施工安裝測量。構件在加工廠采用數控加工，測量精度較高。受現場環境、結構形式影響，很多超高層鋼結構鋼柱在安裝測量時沒有儀器操作平臺，需要借助臨時搭設平臺或者借助全站儀專業的卡具和夾具來架設儀器。現場施工安裝測量工作量較大，除了對鋼柱進行定位測量外，還要對鋼柱全程開展跟蹤監測工作。

1 項目工程概況

河南省科技館新館圭表塔為異形扭轉鋼框架結構體系（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。鋼結構包括圓鋼柱（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（標高10.5～67.5 m）設計為無樓板結構。

圖1 圭表塔鋼結構模型

圖2 圭表塔效果圖

2 施工測量內容及重、難點分析

1）本工程為純鋼結構，建筑層數多、高度高，異形扭轉，造型復雜，結構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。斜鋼柱每節柱的柱頂坐標不同，傳統的混凝土結構施工測量方法在本工程中已不適用。核心筒采用外控法進行控制，外圈斜柱采用內控法，鋼柱安裝過程中內控、外控相互校核。

3）本工程為鋼框架結構體系，單層面積較小，再加上中間無樓板結構，內控點不易布設且無儀器架設平臺，需要借助臨時搭設平臺或者借助全站儀專業的卡具和夾具來架設儀器。

4）平面控制網向上引測時受鋼構件吊裝環境和結構特性影響較大，再加上斜柱重心不穩，需要對斜柱進行連續跟蹤測量。

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

6）鋼結構安裝精度高，位置、標高及軸線定位難度大。安裝時，構件受力情況較復雜，極易發生變形、位移等現象，易造成偏差，需進行跟蹤觀測，隨時糾偏并調整施工。

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 施工測量準備

1）熟悉設計圖紙，對圖紙中的有關數據和幾何尺寸，進行認真復核。

2）熟悉業主單位提供的基準點，并復核其準確性。

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

4）根據每層的結構平面布置圖，結合鋼結構深化模型、每節柱的加工長度，依據斜柱長度、斜度計算每節柱的柱頂坐標。

5）根據圖紙條件及工程結構特征確定軸線基準點布置和控制形式。

4 施工控制網布設

4.1 外控網建立

根據建筑物特點和施工要求，首先復測基準點的正確性，再進行導線控制網聯測。內業資料整理、計算完后，進行閉合導線誤差分析和平差，對坐標數據加以修正，得出各導線點平差后的坐標，確認誤差滿足規范要求后，建立施工導線控制網。

4.1.1 核心筒直柱定位

核心筒直柱安裝時無任何平面結構，無法采用內控法進行軸線投測，只能采用外控法進行軸線投測。

外控法就是在高層建筑物外部，根據建筑物的軸線控制樁，使用經緯儀將軸線向上投測，又稱為經緯儀豎向投測法。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緯儀的情況，再以首層軸線為準，向上逐層投測。

2）側向借線法。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平行移出（俗稱借線）的情況。移出的尺寸應視建筑物外側腳手架的情況而定，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緯儀的情況。

4.1.2 外控網布設、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。當首節柱安裝完成后，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：先將經緯儀安置在C、C＇、3、3＇的軸線控制樁上，嚴格對中與整平，分別以正倒鏡2個盤位照準塔樓首層3、C軸線標志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，或者使用經緯儀＋彎管目鏡的方法進行軸線的投測。

圖3 延長軸線法的軸線豎向投測示意

軸線投測時應注意：

1）軸線投測前應嚴格檢核儀器，宜選擇陰天及無風天氣進行投測。

2）操作時儀器應仔細對中整平，以減少儀器豎軸誤差的影響。

3）應用正倒鏡投點法向上投測或延長軸線，以消除儀器視準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固，標志要明顯，并能長期保存。投測時應盡可能以首層軸線為準直接向施工層投測，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 內控網

4.2.1 內控網布設

由于本工程先進行鋼柱安裝，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全站儀的地方，故內控點布置在首層電梯井內，在電梯井北側、西側分別布置后視點、檢查點（圖4）。

圖4 內控點平面布置

在首層電梯井橫梁上焊接工字鋼井字梁作為架設激光垂直儀的平臺，電梯井內控點布置如圖5所示。在樓板上預埋鋼板，等樓板結構混凝土強度達到設計要求后，進行內控點引測并復核角度、邊長，經復核無誤后做好標識。

圖5 電梯井內控點布置

4.2.2 內控網投測

分別在首層3個內控點處安置激光鉛直儀，仔細對中，嚴格整平，在內控點豎直方向的各施工樓層板上均預留垂準孔，在垂準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次相關結果在限差內，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行定位，故只能使用全站儀極坐標法放樣來控制斜鋼柱定位。

內控點投測完成后，在電梯井內借助工字鋼井字梁架設全站儀，后視點及檢查點借助懸挑鋼平臺進行后視、測站檢核。建站完成并待角度、距離檢核無誤后，采用全站儀極坐標法進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進行，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

4.3.1 高程控制點

高程控制點直接設置在平面控制點位上，高程控制點不少于2個，待首節鋼柱安裝完成后，將控制點高程引測至首節柱上，做好標識，引測精度不應低于四等水位，并定期進行復核。

4.3.2 高程傳遞

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

5 鋼結構安裝、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、弧心梁的順序進行鋼結構安裝校正工作。核心筒直鋼柱的安裝校正按照先標高、后位移、最后垂直度的順序進行。在構件安裝校正過程中，加強對相鄰鋼柱的監測工作，提高整體安裝精度。

1）構件進場復測。在安裝測量前，對柱、梁、牛腿等主要構件尺寸與中線位置進行復核，并標出構件軸線或中心線，以作安裝校正用。

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

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

4）位移調整。鋼柱吊裝前復核下節柱頂中心三維坐標，為上節柱的標高、位移預調整提供依據。鋼柱對接時鋼柱的中心線應盡量對齊，錯邊量應符合規范要求，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臺經緯儀＋彎管目鏡分別置于相互垂直的軸線控制網上，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）施工控制網等級與鋼結構施工要求相適應。根據誤差理論分析和類似工程的施工經驗，本工程平面控制網按照一級導線精度要求布設，高程控制網按照三等水準精度要求布設，確保控制網點位的精度符合要求。

2）使用相應精度等級的施工測量儀器，提高測量放線精度。

3）測量過程中嚴格按照相關規范進行測量，并實行復核制度，做到步步有復核，前一工序未檢核合格，不進行后一步的測量。

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）控制點測量作業要做好書面記錄，對施工過程中用的全部測設數據進行計算并復核。

6）定期復核測量控制網。

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

7 結語

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