BDS/GPS組合定位在高層建筑施工基準傳遞復核中的應用

王新鵬, 黃聲享, 張 文, 李辰風

(1.武漢大學 測繪學院,湖北 武漢 430079； 2.礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室，河南 焦作 454003)

超高層建筑施工測量的重要內容是豎向軸線投測，將平面測量基準由低層向高層傳遞，為施工樓層的放樣提供依據[1-5]。基準傳遞的常用方法有激光準直內控法、全站儀投測外控法、全球定位系統(Global Positioning System， GPS)觀測外控法[3-5]。其中，全站儀乃至測量機器人投測外控法，需要在施工場地周圍(一定距離，擬建建筑高度H的2倍左右為宜)布置2～3個平面控制點，以保證從基準控制點到樓層施工控制點的豎直角小于30°[5]。然后在基準控制點上用全站儀仔細測設出首層及以后每層的軸線投測點,并對各投測點進行邊長及角度檢測，進而提供基準控制[5]。但因超高層建筑物一般位于城市繁華區，建筑物密集，地面通視條件較差，滿足距離條件的基準控制點難于布設，或根本不具備穩定選點的條件[5]。

而激光準直內控法是在建筑物內建立控制網并留有如圖1所示的傳遞孔，利用垂準儀或用彎管目鏡加高精度全站儀向上傳遞施工測量基準，而隨著建筑物的升高，日照、溫差、風力等多種因素的影響，以及激光中心光斑的發散因素等，使得該方法在進行較大高差的基準傳遞時，會產生很大的投向誤差[3，5-6]。

圖1 外控法、內控法點位及投測方法

隨著建筑總高度的不斷增高，前述方法會帶來誤差累積，從而導致基準傳遞總誤差難以滿足施工要求。而全球定位系統測量的高精度、快速度、工作方式靈活等特性優勢明顯，是一種值得推廣應用的新方法并有應用于高層建筑施工基準傳遞的先例[1，7]。然而在實際工程測量中往往會遇到有工程機械施工等因素遮擋GPS信號、多路徑效應影響嚴重等較差的測量環境，由此導致定位精度低、可靠性差甚至無法進行觀測等情況時有發生，這在一定程度上限制了GPS在超高層建筑施工測量中的應用前景[8]。作為我國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)——北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)，目前已具備覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力[8]。在中國及周邊范圍內，BDS/GPS組合定位是否能增加可用衛星數，改善衛星幾何構型，提高定位精度，并能將其應用于高層建筑的垂直度監測[9-10]，成為相關領域學者研究的重點。

1 BDS/GPS組合定位外控法觀測實施

中國建筑第三工程局有限公司所承建的某高層建筑項目位于廣州市琶洲區琶洲新村附近，鄰近珠江，總建筑面積20萬m2，其建筑高度311 m。其對施工質量要求很高，尤其是工程豎向垂直度相對偏差不得大于H/1 000且絕對偏差不得大于±30 mm。在這樣的超高層建筑施工中，施工測量基準傳遞和垂直度控制是建筑施工質量控制的重點之一，建筑結構的豎向偏差將直接影響工程的受力情況。豎向偏差若超過規定的限度，會影響到建筑物各層軸線位置的正確性以及諸如電梯、玻璃幕墻等設備安裝，嚴重時會影響建筑物的安全性及耐久性。為此，在建筑施工至195.05 m、270.16 m、280.05 m時，基于BDS/GPS組合定位外控法分別對該建筑進行一次施工基準傳遞復測，基準傳遞復測的示意圖如圖2所示。

針對建筑施工場地較小，超高建筑物的軸線定位精度要求較高等特點，在本工程施工范圍外設置兩個相對穩定的臨時基準點J02、J03，如圖3所示，采用4套天寶R9型號的GNSS接收機，以J02、J03這2個基準點作為各次進行GNSS施工基準傳遞、垂直度監測的基準。這兩個基點的作用在于：

1)每次測量時，固定其中的一點(如J02)作為起算點，固定該兩點(J02，J03)的方位作為起算方位，以確保每次GNSS測量的基線解算和起算方位由首次GNSS測量確定。

2)每次GNSS定位成果的轉換，采用統一的轉換參數，以確保坐標轉換成果的基準一致性，該轉換參數由首次GNSS測量確定。

J02點設置于琶洲區沿江路上項目部大門口處，J03點設置于沿江路上，均位于混凝土路面上，點位基礎牢固，受車輛干擾不大，便于設點，點位距離待監測大樓分別有約100 m和140 m。J03朝向天空，通視狀況良好，J02點旁邊有廣告宣傳板，部分遮擋了朝向天空的通視方向。C1、C3點為建筑物的軸線點(見圖3)，首次測量采用GNSS精密定位，后續樓層進行基準傳遞復測時用內控法傳遞標記于頂樓，如圖1(a)所示，便于進行GNSS觀測。

圖2 BDS/GPS組合定位用于基準傳遞復測示意圖(m)

圖3 基準點與監測點示意圖

2 基于BDS/GPS組合定位在GNSS外控法中的應用分析

觀測按靜態定位模式，各觀測時段的時間長度均超過45 min。數據采樣間隔為0.1～1 s，衛星高度角限值為15°。基線處理采用CGO軟件解算，解算策略為：分別采用GPS、BDS以及BDS/GPS組合的觀測數據，分別對不同時段的觀測數據進行基線解算。

2.1 BDS/GPS組合定位用于基準傳遞的結果

用固定J03點的方法進行約束平差，得到結果如表1所示。

從表1可知，BDS/GPS組合定位用于超高層建筑物的基準傳遞成果的復測，水平精度在5 mm以內，達到規范要求；高程精度在厘米級，精度有一定提升空間，但可以作為高層施工基準的參考。

2.2 BDS對GPS觀測的改善

雖然GPS的使用越來越廣泛，但由于超高層建筑的復雜性，導致在使用GPS進行測量時經常會遇到各種問題，比如，衛星信號可能會被施工機械(如塔吊等)遮擋加上多路徑效應的影響，導致可見衛星數目過少、觀測數據質量差等狀況，進而導致定位精度低、可靠性差，甚至無法進行觀測等情況的發生[10]。在這種情況下，采用BDS/GPS組合定位技術，不但可以充分利用衛星資源，還能夠大幅度地改善幾何精度因子，從而滿足高精度定位的需要。

表1 BDS/GPS組合定位方法的3次復測解算結果

為檢驗上述觀點的正確性，對不同施工進度下3次觀測情況進行分析，設置采樣間隔1 s，高度角15°，采用單系統和BDS/GPS組合定位兩種方式進行解算，然后對比不同定位方式的精度，并以施工方給出的設計平面點位坐標為依據，計算幾種定位方式解算的平面點位坐標與其差值，列于表2—表4中。

表2 標高195 m觀測時不同定位方式定位解算結果 mm

表3 標高270 m觀測時不同定位方式定位解算結果 mm

表4 標高280 m觀測時不同定位方式定位解算結果 mm

表2—表4顯示，BDS/GPS組合定位解算的精度明顯高于GPS單系統的定位精度。特別是表3中，由于受施工器械(如塔吊)的影響帶來的信號遮擋等，GPS單系統僅能得到一定程度的定位精度，而加入BDS觀測值使得定位精度大大提高，滿足工程定位的需求。這說明GPS系統在穩定性、可靠性和精度等方面還是明顯高于北斗系統，雖然觀測當時北斗系統無法單獨進行解算，但將BDS和GPS進行組合定位解算的結果均優于單GPS系統解算的結果，因此將BDS同GPS組合進行定位，可以增加衛星數目，降低幾何精度因子，在惡劣環境下提高解算結果的精度。需要特別說明的是，表中根據測量坐標同設計坐標的差值大小不能完全說明組合定位的精度高低，但可以作為一個檢核點位正確性的重要指標。

2.3 BDS/GPS組合定位測量外控法與內控投點法監測垂直度的對比

本建筑的豎向軸線控制多采用(垂準儀)內控投點法，即把高層建筑物按高度分為若干段，段長一般為10～100 m，在建筑物內部間隔一定高度搭建測量平臺，將埋設于±0.000面的控制點采用垂準儀逐層向上投遞，以提高豎向軸線精度。由于垂準儀相對精度、設點精度ms的影響，單次投點的豎向距離d越大，其精度m也越差。

(1)

設點精度為ms=±1.5 mm，垂準儀相對精度my=1/40 000，暫不考慮日照、刮風和施工偏載等因素引起的高大建筑物擺動引起的誤差，分別取投點最不利點距離±0.000面的豎直距離為190.04 m、270.16 m和280.05 m，得逐層投點法因投點所引起的誤差分別為4.98 mm、6.92 mm和7.16 mm。

根據表2—表4中不同高度層的3次BDS/GPS組合定位的復核結果，將每個點的N，E方向誤差先求點位誤差，再將C1、C3的點位誤差求平均，得到外控法觀測投點在標高為190.04 m、270.16 m和280.05 m引起的平面點位誤差降低到2.87 mm、6.42 mm和6.72 mm。這一誤差影響，不僅低于表2—表4中對應的GPS單系統定位的平面點位誤差，更是顯著低于內控法逐層投點法因投點所引起的誤差。而且內控法傳遞基準隨著建筑高度的不斷增高，誤差影響越來越明顯；而GNSS外控法在不同高度層時的點位誤差相對穩定，且精度較高。因此，采用BDS/GPS組合定位應用于超高層建筑物的施工測量基準傳遞，具有很好的前景。

2.4 垂直度偏差分析

垂直度監測是對高層建筑結構施工的豎向軸線投測控制點進行監測，確保建筑豎向垂直度控制在允許誤差范圍之內[1]。

為計算層高h處的樓層垂直度k，應選n個位于縱、橫向軸線上的特征點、測量點的實際坐標，計算其與設計坐標之差(Δxi,Δyi)，則樓層垂直度算式為[1]：

(2)

其中

計算樓頂垂直度k，應在樓頂建筑外墻選取特征點，利用建筑物外面控制網，測量并計算特征點

的坐標差，用式(2)計算，層高h用特征點相對于±0.000面的全高H來代替[11-12]。樓層垂直度和全高垂直度是評價高層建筑工程質量的重要指標。根據上述方法，計算得到各點位不同衛星系統解算結果的垂直度如表5所示。

根據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》(GB50204-2015)的要求，表中的垂直度監測均符合要求。施工期間各次測量的建筑物垂直度偏差在設計規范允許的范圍內，表明施工對建筑物的垂直度控制的較好。

表5 解算結果計算的相對和絕對垂直度比較

3 結 論

1)實驗分析說明采用BDS/GPS組合定位外控法，垂直度偏差控制更好，偏差值滿足規范要求。GNSS測量外控法進行高層建筑物的施工基準傳遞，較(激光垂準儀)內控投點法的精度有一定提高，可以作為內控法的補充和校核手段。

2)BDS對GPS測量的質量改善明顯，在惡劣條件下，可將單系統的精度由dm級提高到BDS/GPS組合定位的mm級。特別是在高層建筑施工環境干擾因素影響嚴重的條件下，BDS/GPS有助于改善GPS單系統測量的精度和可靠性。