編寫單位：中建八局青島公司
劉寶忠前言
隨著建築市場的發展以及建築水平的提高，高層和超高層鋼結構建築逐步增多。在鋼結構工程安裝過程中，施工測量是一項專業性較強又非常重要的工程，測量精度的高低直接影響到工程質量的好壞，測量效率的高低又直接影響到工程進度的快慢，因此安裝測量技術的高低是衡量鋼結構工程施工水平的一項重要指標，而鋼柱垂直度的控制又是高層鋼結構結構施工測量的重點和難點。
高層鋼結構鋼柱垂直度控制實時測量工法是我們在長期高層和超高層鋼結構施工測量放樣實踐中，充分利用免稜鏡全站儀、可攜式計算機（或可程式設計計算器）的效能，通過對傳統的施工測量方法進行研究改造，形成的針對高層鋼結構工程施工測量放樣的施工工法。該工法的關鍵技術是平面控制點豎向高精度向上傳遞技術、鋼柱中心實際位置的間接測量及理論位置資料庫建立技術、計算機與全站儀進行資料實時通訊技術。該工法是在北京大學醫院病房樓、鄭州藍碼大廈、南京新地中心及青島萬邦中心施工測量放樣經驗的基礎上形成的。
用這種測量方法對高層鋼結構鋼柱安裝過程進行控制，測量人員為鋼柱安裝人員提供的資料時間短，精度高。南京新地中心工程的鋼柱節垂直度及建築物全高垂直度經評估和鑑定，完全符合鋼結構驗收規範的要求。質量評定等級為合格，觀感達到「好」的要求。
在此，我們編制此工法，希望它能夠為以後高層鋼結構的施工測量提供指導作用。
該工法於2023年3月被認定為中建八局企業工法。
1特點傳統的鋼柱垂直度控制方法是先在施工操作面上放樣出柱網的縱橫軸線，再利用兩台經緯儀從兩個近似相互垂直的方向對一根鋼柱進行測量控制，這種方法投入測量人員多，結果反饋到鋼柱校正操作人員的時間長，經緯儀架設位置限制較多。本工法所採用的施工測量方法，是充分利用免稜鏡全站儀的免稜鏡測距效能，測量鋼柱立面某些特定點的三維座標，測量值傳遞到便攜計算機，程式依據鋼柱的幾何形狀，間接計算出鋼柱的中心偏移量及鋼柱的扭轉偏差值，同時可以得出鋼柱的標高偏差值。因此利用本工法進行鋼柱的垂直度控制測量，可以縮短施工前的軸線放樣的時間，減少測量工作的勞動強度，減少測量結果的反饋時間，提高鋼柱的安裝質量。
2適用範圍
高層鋼結構鋼柱垂直度控制實時測量工法適用於所有柱子安裝的垂直度控制測量及質量檢測驗收，特別是許多非水平、非垂直的特異構件安裝過程中的施工測量及質量驗收。
3工藝原理
高層鋼結構鋼柱垂直度控制實時測量工法的工藝原理是：由於鋼柱安裝垂直度校正時，鋼柱頂端不方便安設全站儀的反射稜鏡，為此充分利用免稜鏡全站儀的免稜鏡測量效能，快速測量鋼柱頂端特徵點的三維座標，並把測量資訊通過資料線實時傳輸到可攜式計算機中。在施工測量前的準備階段，應認真分析圖紙，建立合適實用的建築物座標系，收集各鋼柱的中心座標、鋼柱編號、截面大小及定位角度等相關資訊，並建立資料庫。
當測量結果被程式接收後，程式依據測量點座標資訊自動查詢測量鋼柱的編號，找到相關資訊，並計算出該鋼柱中心偏移量及鋼柱的扭轉偏差值等鋼柱安裝校正所需的相關資訊，及時把相關資訊反饋給施工人員作為鋼柱垂直度校正的依據。
4工藝流程及操作要點
4.1高層鋼結構鋼柱垂直度控制實時測量工法施工測量流程
4.2高層鋼結構鋼柱垂直度控制實時測量操作方法
4.2.1分析計算、通訊程式編寫
4.2.1.
1收集程式設計資料：程式設計的基本資料報括鋼柱編號、鋼柱中心座標、截面形狀、截面大小及定位角度等描述鋼柱外部形狀及空間位置的相關資訊以及全站儀的指令碼資料，為使測量人員提供的資料使用方便，程式編寫前還應與鋼柱安裝校正施工人員多次溝通，與鋼構件加人人員溝通，相互提供對方所需要的資料。收集鋼柱相關資料的過程還應包括對設計資料正確性複核計算過程，並對資料進行分類編碼。
4.2.1.2編寫程式:按程式功能不同可把程式分成三個主要模組，基礎資料管理模組；計算機與全站儀之間進行實時資料通訊模組；鋼柱中心偏移量及鋼柱的扭轉偏差值分析計算模組。
1）基礎資料管理模組：由於資料關係比較簡單,基礎資料的管理可以利用microsoft office access軟體建立access資料庫,資料庫的建立及資料的新增、修改、刪除等管理工作可以通過microsoft office access軟體直接進行，也可以通過vb等常用的程式設計軟體，自己編寫符合自己要求和習慣的程式介面，以方便自己的工作。基礎資料內容一般包括鋼柱編號、鋼柱中心理論座標、截面形狀、截面大小、截面變換位置、定位方位角及鋼柱觀測標誌點的理論基礎座標等描述鋼柱外部形狀及空間位置的相關資料。
2) 計算機與全站儀之間進行實時資料通訊模組:不同廠家的全站儀有不同的指令碼體系，同廠家的不同型號全站儀的指令碼也不完全相同，因此編寫程式前必須熟悉各個命令的意義。計算機與全站儀一般通過串列埠進行資料交換，程式設計前也應熟悉操作串列埠的程式設計語句。
另外需要準確確定計算機發出測量指令後，儀器測量、到測量結果傳送到儀器快取區的時間間隔，並在程式中設定等待時間，確保接收指令發出後，所需的測量資料已傳送到儀器快取區，否則將會得不到結果。
3）鋼柱中心偏移量及鋼柱的扭轉偏差值分析計算模組：此模組的主要計算模型如下。
（1）鋼柱中心座標的間接測量
鋼柱的截面形式多種多樣，但最基本的截面形狀有兩種，一種是圓形鋼柱，一種是矩形鋼柱。無論是圓形鋼柱還是矩形鋼柱一般都無法直接觀測柱頂與柱底中心，因此只能通過測量其他特徵點的座標，來間接計算中心點的座標，下面分別闡述圓形鋼柱及矩形鋼柱中心座標間接測定和計算方法。其它截面型別的鋼柱可以做適當改變，轉化成這兩種截面型別進行計算。
對於圓形鋼柱觀測左右兩側邊緣的水平角並在同一截面上貼上做觀測標誌（或粘反光貼片）測量斜距、水平角及豎直角。如下圖-1所示：k為測站點，p為方向控制點，鋼管中心為o ，b為觀測標誌，在測站上觀測鋼管左右邊緣m、n 的角度為α1 和α2，及觀測標誌點b的角度αb、k、b兩點的斜距skb＇及豎直角β。
圖-1:圓鋼管柱中心座標測量計算示意圖
則由已知方位αkp及 α1、α2可計算測站至鋼管中心的方位αk；鋼柱中心座標的計算演算法如下：
矩形鋼柱中心座標測量圖-2所示，b c為觀測標誌（或粘反光貼片），與矩形鋼柱線相對稱放置，其距離s可在貼片上測得，d點在與b c相垂直方向延伸矩形鋼柱寬度的一半ｓdo即為鋼柱的中心位置，ｓdo可根據矩形鋼柱的尺寸來定，是可以得到的已知資料。在測站上觀測觀測點b、c兩點的角度、兩點與測站的斜距及豎直角。
圖-2:矩形鋼柱中心座標計算示意圖
則由已知方位αkp及 α1、α2可計算矩形鋼柱中心座標，計算演算法如下：
（2）鋼柱中心偏移量及鋼柱的扭轉偏差值計算
鋼柱中心偏移量是鋼柱中心理論值與鋼柱中心間接觀測值之差；鋼柱的扭轉偏差值是觀測標誌點的理論值與觀測標誌點的實測值之差。
以上得到了圓鋼柱和矩形鋼柱在觀測標誌截面處的中心點座標和高程，要得到柱面與柱底高程，只需在上述點的ｚ座標上加或減相差距離即可。
4.2.1.3測試程式：程式編寫完成後，應對整個程式的所有功能，各種不同情況進行測試，確保程式執行結果正確。測試的資料至少要包括所有前面已確定的觀測標誌點的資料。
4.2.2施工測量平面及高程控制網的建立：
首級平面與高程控制網的建立方法及精度等級與其他類似工程一致，並按要求編制測量方案，為了方便全站儀測量點的三維座標，要求平面控制點與高程控制點布置在同一位置上。
採用天頂儀進行豎向平面控制點傳遞，當操作層到地面控制點的高度大於100m時，依據規範應把地面控制點向上傳遞，作為上部平面控制點傳遞的依據，其方法如下條所述。
4.2.3平面控制點豎向傳遞
4.2.3.1平面控制點豎向傳遞的流程如圖-3所示
4.2.3.2用天頂儀豎向傳遞水平控制點
軸線是高層鋼結構安裝的生命線，軸線放樣精度的高低將直接影響鋼柱安裝的整體垂直度及構件安裝速度。高層施工測量依據，根據規範的要求，應從地面控制網引投到施工層，不得使用下一節樓層的定位軸線。從工程測量的角度而言，建築物的整體垂直度的控制主要通過內控、外控或內外控結合的方法來進行的。
高層結構豎向傳遞一般都採用內控法，投點儀器選用天頂準直儀。在需要傳遞控制點的施工層預留孔處水平固定一塊有機玻璃板做成的光靶，在控制點上架設天頂準直儀，慢慢旋轉天頂儀在（0°、90°、180°、270°、360°），便在接收光靶上得到乙個雷射圓，圓心即為該控制點的傳遞點。傳遞過程如圖-4所示。
所有控制點傳遞完成後，則形成該樓層軸線控制網。
由於日光照射不均勻，高層鋼結構會生產較大的垂直度變化，為了減少日光對水平控制點傳遞的影響，向上傳遞控制點的作業時間應選擇陰天或日出前進行。
圖-4:平面控制點豎向傳遞示意圖
4.2.3.3測量傳遞點之間的距離並與理論值比較
對傳遞到施工層的控制點組成的控制網進行角度、距離測量。距離用全站儀或鋼尺精密丈量四測回，各測回之間較差≤±2mm，與理論值之差△s不宜超過6mm；角度觀測用j2級儀器測量需六測回，必須滿足《工程測量規範》對四等網測角的規定：角度與理論值之差|△β|應小於0.
0025ρ×s3/s1s2（式中：s3為兩目標點之間的距離，s1、s2為測站點到兩目標點之間的距離，以公尺為單位）。若角度偏差△β和距離偏差△s超出規範要求，則必須重新豎向投測平面控制點。
只有當△β、△s符合要求後，方可進行平差。
全站儀的普及，使得測距比測角方便快速，人為因素對測量精度的影響較小，實際操作時用測邊網比較合適，且定權簡單。
4.2.3.4秩虧自由網平差
由於投點存在誤差，因此測量的角度和邊長與已知值存在一定的差異，需進行平差處理，以提高控制點的精度。由於每個點都可能存在投點誤差，平差時無起始資料，因此採用秩虧自由網平差。
無起始資料的自由網能較方便地找出它的gt陣，因此用假觀測值法解法有利，測邊網的無起始資料的自由網平差的數學模型及計算過程如下：
式中，n為觀測值個數，m為未知數個數。
座標近似值採取底層控制點的已知座標，在自由網平差時保持了這些點的重心座標保持不變。實際平差時獲得的各點精度均較高，從而保障了施工測量放樣的精度，以此作為本樓層細部平面放線的依據。
秩虧自由網平差過程也可採用別的公司開發的成熟軟體進行。
4.2.3.5歸化改正後放樣出軸線網
若使用全站儀進行細部軸線放樣，利用上面平差後的控制點座標，用極座標法放樣即可，無需先對控制點進行歸化改正；若用經緯儀和鋼捲尺放樣軸線，則應先對控制點進行歸化改正，然後以歸化後的控制點作為平面測量的依據，鋼捲尺測距時，應在鋼尺的自由端施加標準拉力，且需進行溫度尺長改正。
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