复杂条件下超高层建筑物测量控制技术

    超高层建筑施工对主体竖向偏差、钢结构安装的测量控制精度要求越来越高．必须按照施工和设计的要求进行沉降、位移和倾斜等变形监测［１－３］．超高层建筑一般具有以下特点［２－８］：
    １）四周建筑密集、施工场地狭小、钢结构形式复杂、高度较高，为保证测量精度，需在主体结构的中间楼层设置平面坐标与高度的中转传递，经过数次传递后完成整体结构的位移控制．
    ２）每节钢结构高度较大（１０ｍ≤Ｌ≤１５ｍ），必须使用激光垂准仪等专用仪器进行投测，以保证工程的质量．
    ３）建筑物建设周期较长，跨越夏冬季节，雨水、气温等外界因素对钢结构测量精度控制质量影响较大．
    ４）钢构件厚度较大，在焊接过程中因焊接工艺、焊接顺序、焊接时间等因素的不同，对钢构件安装质量影响较大．
    上述为高层建筑施工测量的重点，也是难点．本文结合青岛某超高层工程实例专门讨论在复杂条件下高层建筑测量控制技术，以期能对同类超高层建筑钢结构安装工程的监测起到指导作用．
    １　工程概况
    该工程建于青岛市市南区，东、西、南三面高楼林立，北面紧靠香港中路主干道，大厦地下５层，地上４２层，高度２２３ｍ．结构体系属于型钢混凝土组合结构，外围型钢柱截面为十字形，共计１６根，内部为工字型钢，如图１所示．
                 
    基坑±０以下结构测量控制采用外控法，即利用基坑外部控制点进行测量；基坑±０以上结构安装采用内控法［９－１０］测量，即在建筑物首层选取４个测量控制点，随着建设高度的增加，控制点坐标逐层传递．
    在某层钢柱安装定位过程中，先以传递到此层的４个控制点为基准进行测量，然后向周围扩展确定各施工轴线，最后引测到钢柱安装的基准线上．４个控制点构成高精度的平面控制网．根据本建筑情况查询规范［１１］可知，该高层为重要高层建筑，其平面控制网测角允许偏差为±１５″，控制网边长相对允许偏差为１／１５０００，轴线放线尺寸允许偏差为±１０ｍｍ，轴线竖向投测允许偏差为３０ｍｍ．故在实际施工中，平面控制网与轴线投测偏差均需满足规范要求后，方可进行下一步施工．
    ２　平面控制网的传递
    对于±０以上平面控制网的传递一般使用内控法，即使用逐层传递的控制点坐标进行施工放样．由于工程的施工复杂性，在局部施工放样或钢结构安装调校过程中，控制点可能被临时阻挡，此时可采用高精度全站仪后方交会的方法进行局部测量，并步步检核．
    ２．１　内控法
    １）首层控制点由１５０ｍｍ×１５０ｍｍ钢板制作．在该方形钢板中心上钻点，作为测量的对中点．在４个控制点的正上方楼板上预留２００ｍｍ×２００ｍｍ的方孔，为传递控制点做准备．
    ２）本建筑工程高度约为２２３ｍ，根据测量规范中对控制点传递楼层高度的要求及仪器投射激光精度，控制点应实施分段投测与控制，现分别将８、１５、２５、３４层作为控制网阶段性传递层，且相邻的传递区间高度小于５０ｍ．
    ３）以１～８层控制点水平位置传递为例，在１层控制点架设苏州一光ＪＣ１００激光垂准仪进行投射，其一测回标准偏差１／１０００００．测量时仪器精密对中整平后，发射垂直激光，向上层投测，在上层预留孔处放置激光靶接收，为了消除仪器的轴系误差，保证精度，每点的垂直投射需操作４次，即同方向旋转激光铅垂仪０°、９０°、１８０°、２７０°，做好标记，观察４个圆心点是否重合；若不重合，则取４点对角线的交点作为平面控制点的传递点，用０．３ｍｍ的记号笔标记，见图２（当某对角线长度超过３ｍｍ时，误差超限，需重新测量）．当４个控制点投测到该层后其平面控制网要按照《工程测量规范》中所规定的四等导线测量的技术要求，利用全站仪测角、测边，满足规范中对控制网测角允许偏差±１５″，边长相对允许偏差１／１５０００的要求后进行平差计算及归化改正，确定改正后的控制点坐标，与底层控制网比较无误后，方可投入下一阶段使用．首层控制点向上传递直至第８层为第一阶段传递过程．利用第８层控制点再次架设垂准仪完成９～１５层第二阶段传递．同理，直至完成顶层控制点投射．
             
    ２．２　后方交会测量———自由测站坐标确定 
    后方交会测量用于对多个已知坐标点的测量确定测站点的坐标，可以重新调用已登录的坐标数据并设置为已知点的数据，同时可以检核每个点的残差大小．后方交会测量可通过测量２～１０个已知点的距离来完成，也可通过测量３～１０个已知点的角度来完成．通过对多个已知点进行测量及对多个可完成测距的已知点进行测量，计算出的测站坐标可达到更高的精度．
    在钢结构安装过程中，由于每层钢结构密集施工，在调校、检测过程中，经常出现安置的全站仪因钢结构、模板、脚手架等阻挡观测不到控制点的情况，为加快施工进度，可采用高精度全站后方交会法测量．考虑到基坑周围３栋大楼（均高约１００ｍ）已建多年，结构稳定，可布设稳定的Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４等已知点，见图３．
            
    在观测控制点出现困难时，使用索佳ＮＥＴ０５全站仪自由设站，采用后方交会的方法对已知点进行３次观测，每次后方交会具体计算过程见图４．当所得３个测站坐标误差均不超过３ｍｍ 时，取均值作为最终测站坐标．然后采用极坐标法进行钢结构顶部中心坐标的观测．此时，观测点的点位中误差［１２］来源于自由设站点位误差ｍｐ、坐标法测定点位平面坐标误差ｍ，若再考虑测点处棱镜的对中误差ｍ镜，则监测点的点位中误差为：
     
    代入相关数据计算可知，使用后方交会自由设站，然后测量钢结构坐标的方法，其测站点、监测点点位中误差均可满足规范要求，且在实际测量中，能够较好地突破阻挡的限制，加快施工进度，取得了良好的应用效果．
    ３　高程控制网的建立和传递
    １）在工程建设时，利用甲方提供的水准点，布网联测后引测到施工区域，在建筑施工区设置４个水准控制点，构成高精度的高程控制网．
    ２）为减少竖向积累误差，根据实际情况，在１、８、１５、２５和３４层作为高程的阶段性控制层，相邻的２个传递区间高度不大于５０ｍ．
    ３）在各个阶段安装钢结构时，依照位于１、８、１５、２５、３４层钢柱上的标高控制点进行每个施工区域的标高控制，使用索佳ＳＤＬ３０电子水准仪与标准拉力的钢卷尺进行标高传递，引测到施工层上，４个控制点高程形成闭合，联测其闭合差，闭合差符合规范要求后方可使用．引测多个高程点作为楼层标高控制依据，每层控制点标高误差应小于２ｍｍ，整体标高竖向传递偏差应小于３０ｍｍ［１１］．点位选在安全可靠、易保存、不易沉降、便于竖向引测的部位，并要求分布均匀，相互通视．
             
    ４　钢柱位移调整控制
    对于初步对接的两钢柱，用耳板连接后进入校正环节，校正顺序为先调整钢柱的标高，后调整钢柱底部的位移，最后用经纬仪观测结合无缆风绳拉拽进行垂直度校正．
    ４．１　钢柱底部高度调整
    钢柱用连接耳板通过高强连接螺栓固定后，用水准仪观测上下柱的标高控制线，通过与设计高度对比，进行柱底高度调整．调整时，用千斤顶顶降钢柱底部，根据高度差焊接相应厚度的钢楔．每个方向均按照此方法调整，逐步进行．
    ４．２　位移调整
    钢柱对接过程中应使钢柱的中心线尽量对齐，错边量应符合规范．做到上下钢柱中心线重合，在调整过程中如出现偏差，可在两钢柱连接板的侧面打入不同厚度的垫片进行调整．并注意每节钢柱的定位轴线必须从阶段传递层控制线引到高处，从而确保每节钢柱安装正确，避免出现累积误差过大的情况．
    ４．３　钢柱垂直校正
    采取无缆风绳校正法进行钢柱校正，利用千斤顶将钢柱偏斜一侧支顶起来或在钢柱偏斜的一侧缓慢打进钢楔．在钢结构相互垂直的方向上架设２台２″级经纬仪，精平仪器后进行观测，对钢柱偏移情况及时调整．调整过程中要考虑日照方向、焊接变形等因素依据经验预留改正值．在确保单节钢柱倾斜符合规定要求的情况下，考虑焊缝收缩将对垂直度造成影响，通过采取科学的焊接步骤来减小这种影响．
    可利用千斤顶与手拉葫芦对钢梁安装过程中对钢柱垂直度造成的影响进行调整．对每根柱进行垂直度测量，超出允许范围的要求对其进行矫正．上节钢柱安装就位后，马上进行垂直度校正调整工作．由于本工程中，上节钢柱安装是在底层楼板尚未浇注时进行的．因此，测量校正的关键为仪器架设的平台设置．根据现场实际情况，采用焊接临时平台来架设仪器，采用极坐标法进行测量，当控制点被钢结构阻挡时，可采用全站仪后方交会法确定测站坐标后再测量．测量平台由平台钢板、支撑钢管、加劲板、“Ｕ”形卡和螺栓构成，见图５．
              
    操作时，将临时平台与底层钢梁连接牢固，并将螺栓与钢梁点焊连接以防止移动．将全站仪架设在平台上调平，操作人员站在钢梁上进行操作．每调整好一处，将平台进行转移至下个调整对象．在底层钢梁安装就位后，进行钢柱复校．
    ４．４　柱顶平面坐标测量复核
    为保证钢柱安装整体定位，在垂直度调整后，对其柱顶平面位置进行复核．由于单节钢柱长度比较大（一般在１２ｍ左右），若从下层地面检测，仪器仰角过大而无法操作．因此，考虑在十字柱顶部安装临时平台．检测时，操作人员坐于钢柱顶部，系好安全带，将控制点坐标引至相邻２根十字柱上，并将仪器架设到平台上对准后视点后进行检测操作．检测平台见图６．
              
    在上层钢梁安装后，进行复测调整及柱顶加固．加固后在顶层浇筑混凝土．
    ５　调整后加固
    ５．１　外围十字柱
    相邻十字柱间有钢梁连接，故钢柱调整到位后安装钢梁并焊接，利用钢梁与钢柱之间的刚性节点使外围十字柱构成整体，共同抵御外力作用．焊接过程中，由于焊接产生的热应力可能使钢柱产生变形．因此，在焊接过程中由２名焊接水平相当的焊工在相对位置以相同的速度同时焊接，以抵消产生的收缩应力．此外，每隔一定的间隔时间进行监测，一旦钢柱出现变形移位立即进行调整，并根据钢柱偏移方向不断调整焊工焊接速度，利用焊接应力使其回到相应位置．
    ５．２　核心筒型钢柱
    核心筒内的型钢柱由于其截面较小，且柱间连接钢梁较少，故较难控制．经研究决定采用钢管将同轴线的钢柱连接成整体后，利用部分核心筒与外围十字柱连接的钢梁使之与外部构成刚性体．
    首先利用南北两侧的４根型钢柱（留作最后调整）为依据，分别在上面悬挑钢板并用钢筋拉接作为支架．钢板规格５００ｍｍ×２００ｍｍ×１０ｍｍ，用全站仪将控制线引测到钢板上并作标记．用钢锯条在钢板上锯出较窄的凹槽，南北对称位置拉钢丝作为调整控制线，钢丝用花篮螺栓张紧．钢丝拉好后用全站仪重新复核，确认无误后安排专人看护，防止交叉施工中碰动．
    随后根据控制线反映出的钢柱偏移情况进行东西方向调整，南北方向直接架设全站仪．调整后复核柱顶坐标，确认符合要求后在钢柱端部南北向焊接钢管加固，东西方向没有钢梁的型钢柱用Φ１１０×５的钢管焊接牢固，以固定其相对位置．加固后，在浇注混凝土过程中不断监控，以便及时获得最新数据采取纠偏措施．
    ６　质量控制
    １）整体垂直精度较高．该工程单节钢柱（高度小于１５ｍ）垂直偏差≤８ｍｍ，整体钢结构高度约２４０ｍ，钢结构的整体垂直偏差较小，为１４ｍｍ．
    ２）结构标高精度较高．每节钢柱顶端标高与设计相比偏差不超过２ｍｍ，整体结构高度偏差为１０ｍｍ．
    ７　结束语
    超高层钢结构的施工过程是一项错综复杂的系统工程，必须慎之又慎．型钢混凝土柱在超高层建筑中应用越来越广泛，而型钢柱的吊装安装施工质量是保证建筑结构安全的关键．在型钢柱施工中，采用合理有效的测量控制方法，才能解决好施工中遇到的问题，确保施工正常有序、有效地进行．本文基于工程实例，分析和总结在复杂条件下的超高层建筑施工测量控制方法、钢结构安装施工中的工程测量内容以及测量程序步骤和精度指标等，可供同类工程参考与借鉴．