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第2 5卷第7期测 绘 工 程 V o l . 2 5,N o . 7 2 0 1 6年7月E n g i n e e r i n g o f S u r v e y i n g a n d M a p p i n gJ u l .,2 0 1 6 D O I1 0. 1 9 3 4 9/j . c n k i .i s s n 1 0 0 6-7 9 4 9. 2 0 1 6. 0 7. 0 0 9 超高层建筑施工监测内容及技术体系研究 兰泽英1 , 刘 洋2 (1.广东工业大学 管理学院, 广东 广州5 1 0 0 6 0;2.广州市城市规划勘测设计研究院, 广东 广州5 1 0 0 6 0) 摘 要 超高层建筑施工监测( 即第三方监测) 对于检核施工质量, 保障施工安全具有重要意义。目前, 超高层建筑 施工监测存在缺乏统一、 规范的内容及技术体系, 激光投点时对塔体摆动影响关注不够等不足。为此, 在采用多种 先进仪器设备, 构建超高层建筑施工监测较完备科学的内容体系和技术体系, 并解决以上缺点。文中对基准平面控 制网的建立与维护, 施工控制网竖向传递复测, 轴线检测, 电梯井、 核心筒垂直度测量, 施工控制网高程基准竖向传 递检测, 建筑物沉降观测等6方面内容做系统阐述, 研究成果已成功应用于广州市多栋超高层建筑施工监测中, 具 有重要示范意义。 关键词 超高层建筑; 施工监测; 塔体周日摆动监测; 施工控制网竖向传递; 轴线检测; 垂直度测量 中图分类号P 2 0 8 文献标识码 A 文章编号1 0 0 6-7 9 4 9( 2 0 1 6)0 7-0 0 4 0-0 6 R e s e a r c h o n t h e c o n t e n t a n d t e c h n o l o g y s y s t e m o f s u p e r-h i g h-r i s e b u i l d i n g c o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n g L AN Z e y i n g 1, L I U Y a n g 2 (1. G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,G u a n g z h o u 5 1 0 0 6 0,C h i n a;2. G u a n g z h o u U r b a n P l a n n i n g & D e s i g n S u r v e y R e s e a r c h I n s t i t u t e,G u a n g z h o u 5 1 0 0 6 0,C h i n a) A b s t r a c tT h e s u p e r-h i g h-r i s e b u i l d i n g c o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n g i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e,w h i c h c a n c h e c k t h e c o n s t r u c t i o n q u a l i t y a n d e n s u r e t h e c o n s t r u c t i o n s a f e t y . A t p r e s e n t , t h e c o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n g i s a l a c k o f u n i f i e d,s t a n d a r d i z e d c o n t e n t a n d t e c h n o l o g y s y s t e m. B e s i d e s,n o t e n o u g h a t t e n t i o n t o t h e i n f l u e n c e o f t h e t o w e r b o d y s w i n g h a s b e e n p a i d i n t h e p r o c e s s o f l a s e r p o i n t . S o , t h i s p a p e r t r i e s t o s e t u p a c o m p l e t e s c i e n t i f i c c o n t e n t a n d t e c h n o l o g y s y s t e m,a n d r e s o l v e s t h e s h o r t a g e s a b o v e b y a p p l y i n g a v a r i e t y o f a d v a n c e d i n s t r u m e n t s a n d e q u i p m e n t s . T h e p a p e r c o n t a i n s s i x a s p e c t s,i n c l u d i n g t h e d a t u m p l a n e c o n t r o l n e t w o r k e s t a b l i s h m e n t a n d m a i n t e n a n c e,v e r t i c a l t r a n s m i s s i o n o f p l a n e c o n t r o l n e t w o r k s,a x i s d e t e c t i o n, e l e v a t i o n d e t e c t i o n,c o r e t u b e v e r t i c a l t e s t i n g a n d b u i l d i n g f a l l i n g o b s e r v a t i o n. T h e r e s e a r c h r e s u l t s h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o s e v e r a l s u p e r -h i g h-r i s e b u i l d i n g c o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n g,w h i c h h a s i m p o r t a n t d e m o n s t r a t i o n s i g n i f i c a n c e . K e y w o r d sh i g h-r i s e b u i l d i n g;c o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n g; d a i l y d e f o r m a t i o n m o n i t o r i n g ; v e r t i c a l t r a n s m i s s i o n o f p l a n e c o n t r o l n e t w o r k s;a x i s d e t e c t i o n;v e r t i c a l t e s t i n g 收稿日期2 0 1 5-1 0-2 3 基金项目 国家自然科学基金青年科学基金资助项目(4 1 3 0 1 3 7 7) 作者简介 兰泽英(1 9 8 3-) , 女, 讲师, 博士. 随着土地日益稀缺和建筑科技的发展, 超高层 建筑越来越多地出现在各大城市。由于高度很高 ( 一般超高3 0 0m) , 超高层建筑的施工测量方法有 其特殊性, 首先传统的基于全站仪的施工测量方法 因仰角太大无法满足其施工精度要求。其次, 其施 工控制网需要从首层分段向上传递, 具体做法 首 先设置转换层, 且每楼层预留孔形成通道, 借助激 光垂准仪向上投点, 将首层的施工控制网( 包括内 控网和外控网) 在转换层之间分段进行传递引测, 从而进行分 段 控 制, 如图 1 所示。此 外, 超 高 层 建筑施工测 量 难度 较 大, 主要表现两点 一是依 据相关规程其全高垂直度允许偏差不得超过H/ 1 0 0 0且≤3 0mm[ 1]; 二是塔体受日照、 风、 施工震动 等多因素影响, 处于运动状态, 直接影响到激光投 点的准确性。因此, 为了检核施工质量、 达到提前 预警的目的, 业主一般会委托独立第三方进行施工 监测。 图1 超高层建筑施工控制网竖向传递示意 目前, 超高层建筑施工监测主要存在三方面的 问题 一是缺乏统一、 规范的内容及技术体系; 二是 激光投点时对塔体摆动影响关注不够; 三是缺乏大 规模工程化应用的检验。为此, 本文旨在构建超高 层建筑施工监测较完备、 科学的内容体系及科学、 先进的技术体系, 主要包括基准平面控制网的建立 与维护, 施工控制网竖向传递复测, 轴线检测, 电梯 井、 核心筒垂直度测量, 施工控制网高程基准竖向 传递检测, 建筑物沉降观测等6个方面。本文的研 究成果已成功应用广州市多栋超高层建筑施工监 测中。 1 超高层建筑施工监测内容及技术体系构建 1 . 1 基准平面控制网的建立与维护 基准平面控制网作为整个施工监测工作的基 准, 可在施工平面控制网受到破坏的情况下, 迅速 恢复, 保证基准统一, 一般每2个月监测1次。基准 平面控制网点的选址应在实地踏勘的基础上, 综合 考虑 G P S观测条件、 图形条件、 通视条件、 及后续应 用等因素进行布设。常布置在周边建筑物的楼顶, 点位埋石采用强制观测墩。 基准平面控制网建立时利用附近的城市连续 运行基准站网点或者地面城市等级控制点为起算, 按照 G P S一级网要求进行同步静态观测, 控制点点 位中误差按1 0mm精度控制。 1 . 2 施工控制网竖向传递复测 首先进行首级施工控制网的联测与监测。首 级施工控制网处于施工区域附近, 控制点之间的兼 容性及稳定性易发生变化, 需要利用稳定的外围基 准( 基准平面控制网) 对其进行定期联测与监测, 保 证施工测量基准的统一。 超高层建筑施工测量的关键是施工平面控制 网准确向上传递。它包括两个重要环节, 首先获取 塔体的周日摆动规律, 为激光投点偏差改正提供数 学模型; 投 点 及 偏 差 改 正 后, 再 采 用 全 站 仪 法 和 G P S法对传递后的施工控制网进行内外符合性 检核。 1 . 2 . 1 超高层建筑塔体周日摆动监测 塔体周日摆动监测是超高层建筑施工监测中 所要解决的核心技术问题, 本文主要介绍数字正垂 法和C C D法, 它们均可准确获取塔体的周日摆动规 律, 并可实现内外业一体、 全自动观测、 数据的实时 处理和表达, 且具有高精度、 高采样率等显著优势。 1) 数字正垂法。数字正垂仪通常用于大坝安 全监测, 首次在广州市西塔施工监测项目中得到应 用, 取得很好效果。正垂线仪由重锤、 钢丝、 传感器 的线圈和栅格板组成, 线圈安装在重锤的下方, 栅 格板安置在观测点上。其精度指标 测量范围Y方 向8 0mm,X方向1 2 0mm; 测量精度0 . 1mm ; 分 辨率0 . 0 2 5mm; 采集速率1 0 0次/s。 数字正垂仪的安装如图2所示, 首先每层预留 孔, 并在转换层之前安装防风管并保证其垂直, 管 中有钢丝与重锤连接, 重锤没有阻尼装置处于自由 摆动状态, 传感器通过实时感知重锤中心位置并将 观测数据传输到计算机软件。 由于系统有很高的采样速率, 在很短的时间内 可认为垂线的摆动是一个非衰减的自由摆, 其摆动 方程为 xi=Ac o s(2 πti/T+θ)+X. 在方程中有4个未知参数(A,T,θ,X) , 只要观 14 第7期 兰泽英, 等 超高层建筑施工监测内容及技术体系研究 图2 数字正垂仪安装示意图 测4组数据( 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组观测值下的参数最大或 然值, 从而得到精确的垂线中心位置。然后, 计算 机软件对连续观测数据进行去噪和数据拟合等后 处理可获得塔体中心位置周日点位轨迹, 图3为基 于数字正垂方法获取的广州市西塔5 0~7 0层塔体 摆动轨迹图。 图3 广州市西塔5 0~7 0层塔体摆动轨迹 可见, 数字正垂法可准确获取塔体的摆动规 律, 为投点改正提供数学模型, 大大拓宽了投点时 段, 即不需固定在不施工、 无风的深夜进行投点, 且 其效率及精度较传统方法有明显提高。同时存在 安装复杂的缺点, 尤其是安装防风管, 并保证其垂 直, 因为钢丝受风力晃动影响观测精度。 2)C C D法。为了克服数字正垂安装复杂的缺 点, 本文的项目团队自主设计研制基于C C D的塔体 周日摆动监测系统, 填补国内空白。该系统用激光 束代替钢丝, 通过激光的发射、 成像、 识别来代替重 锤的摆动感应, 因此只要保证激光束的传输路径通 畅( 只要预留孔即可) 且不用安装防风管, 更加简便。 该系统由硬件和软件构成, 其中硬件( 见图4) 包括垂准仪、 接收靶、 传感器及工业相机等, 软件 ( 见图5 ) 包括光环中心自动提取与数据后处理等功 能。该系统精度指标为测量范围Y方向9 0mm,X 方向9 0mm; 圆环中心提取精度0 . 1 7mm; 图像物 面分辨率0 . 0 6 1mm; 采集速率2 4次/s( 重心法) , 7 次/s ( 圆环法) ; 激光垂准仪( 大连拉特J Z C-G) 标称 精度1 /2 0 0 0 0 0。 图4 C C D系统硬件部分 图5 C C D系统软件部分 观测时, 垂准仪向上垂直发射激光束, 在数据 采集器中的接收靶上成像; 位于接收靶上方的工业 摄像机对其拍摄获取激光束光斑图像, 传感器及数 据采集卡将信号输送到计算机软件; 基于自适应阈 值激光光斑中心定位方法, 软件实时对数据进行处 理、 运算、 获取激光束中心位置, 并通过界面实时显 示被测对象的相对位移量; 最后经过去噪及数据拟 合等后处理可得到塔体中心位置的运动轨迹, 图6 为基于C C D方法获取的广州市东塔5 7~8 9层塔体 中心周日点位轨迹图。 可见,C C D 方法具有两大优势 一是采样率高 ( 一般数据采样率为1H z) 、 精度高、 安装简便, 全自 动观测, 可实时准确获取塔体的规律; 二是系统稳 定, 通过高采样率和观测数据的后处理可有效消除 风震、 施工震动等短周期因素影响。 1 . 2 . 2 施工控制网的内外符合性检核 投点及改正后, 首先利用全站仪法进行施工控 制网内符合检测, 主要流程 采用高精度全站仪按 一级导线的观测精度布测导线, 以平差解算得到的 外控点坐标反算出外控点之间的边长和角度, 并与 设计值相比较, 从边长和角度差异分析外筒控制点 之间的内符合性。 24 测 绘 工 程 第2 5卷 图6 广州市东塔5 7~8 9层塔体周日点位轨迹 施工控制网的外符合复测的思路是将转换层 控制点投递至钢平台, 在钢平台标志处架设 G P S接 收机, 与超高层建筑外围基准点进行联测, 根据基 准点推算施工控制网点的坐标, 将计算值与设计值 进行比较, 检核施工控制网的稳定性和一致性。以 上两种方法相互补充, 共同达到检核目的。 1 . 3 轴线检测 轴线检测需要结合建筑结构特点, 选取放样轴 线点或者关键结构柱作为检测对象。轴线检测主 要在首层及各转换层间进行, 以广州市利通广场轴线 检测为例, 将最近转换层内筒4个控制点中任意3个 投到上面各层, 检查边长和角度无误后, 利用任意 通视两个控制点组成闭合导线。利用高精度全站 仪按一级导线要求布设导线, 如图7所示, 对每个结 构柱子至少观测4个碎部点, 采用最小二乘法拟合 出柱子圆心位置即获得轴线中心, 通过比对中心点 设计坐标和实测拟合坐标来评价施工的准确性。 图7 利通广场轴线检测碎部点分布及 碎步点拟合示意图 1 . 4 电梯井、 核心筒垂直度测量 一般从首层起, 每上升2层进行一次电梯井、 核 心筒垂直度测量, 其方法与轴线检测类似 基于内 控点或外控点布设一级导线, 测量电梯井、 核心筒 各剪力墙的碎部点, 基于最小二乘法拟合出剪力墙 相交的特征角点, 然后采用静力矩法获取电梯井、 核心筒的几何中心, 将中心点的实测拟合坐标与设 计坐标做比对可获取每段电梯井、 核心筒的垂直度 偏差。 以利通广场为例, 如图8所示, 圆圈为实测的碎 步点, 对核心筒4条边分别拟合, 延长相交可以求出 4个顶点的坐标, 把4个顶点坐标与设计线延长线 后顶点坐标相比较, 按静力矩法计算该层( 如第j 层) 实测中心与设计中心的坐标偏差Δx j,Δyj和偏 心差Sj, 进一步可计算相对垂直度k j和第j层的总 垂直度Kj。其计算式 Δxj= 1 n∑ n 1 dxi,Δyj= 1 n∑ n 1 dyi, Sj=Δx 2 j+Δy 2 槡j, kj=S j hj, Kj= Sj Hj. 式中 dxi,dyi为第j层第i点的检测坐标与设计坐 标之差; hj为j层楼高;Hj为j层相对于地面的总 高度。 1 . 5 施工控制网高程基准竖向传递检测 高层建筑物各施工层的标高是由底层0标高 向上传递, 一般有悬挂钢尺法和全站仪天顶距法两 种。悬挂钢尺法受钢尺长度的限制, 对场地有一定 的要求。全站仪天顶距法主要依赖于全站仪的测 距精度, 该方法应用更广泛, 且操作简便。 1 . 6 建筑物沉降观测 超高层建筑沉降观测着重解决两个重要问题, 包括深基坑高程基准传递问题以及精密水准数据 的自动化处理。与施工控制网高程基准竖向传递 一样, 沉降观测时深基坑的高程传递也采用悬挂钢 丝法或全站仪天顶距法。精密水准数据自动化处 理软件一般具备4方面的功能①优化项目管理 软 件应专门设置项目工程, 对各期观测数据、 文档、 图 表进行集中管理, 从观测数据导入、 编辑、 处理、 分 析, 到最终成果的输出、 打印, 形成完整的项目管理 体系。②自动化数据处理及限差探测 软件应设置 对观测数据各项限差的自动检查及标识。③构建 多种沉降模型解决观测数据“ 断链连接” 问题并预 测沉降趋势, 一般设置线性回归模型、 逻辑斯蒂模 型、 双曲线模型和自回归模型等4种模型。④成果 报表自动生成 数据处理完成之后, 软件可自动按 标准格式生成平差报告、 观测点成果表、 时间沉降 量曲线图等成果。 综上所述, 本文归纳总结出超高层建筑施工监 测的内容及技术体系如表1所示。 34 第7期 兰泽英, 等 超高层建筑施工监测内容及技术体系研究 图8 利通广场核心筒测量点位分布、 垂直度求取、X,Y方向垂直度偏差示意图 表1 超高层建筑施工监测内容及技术体系 序号内容子项技术方法观测频率 1 基准平面控制网建立及维护 G P S法每2个月监测1次 2施工控制网竖向传递复测 首级施工控制网监测G P S法每2个月监测1次 塔体周日摆动监测 数字正垂法 C C D法 倾斜仪法 转换层之间观测 垂准仪投点垂准仪法转换层之间投点 控制点内符合检测精密全站仪法首层及各转换层 控制点外符合检测G P S法首层及各转换层 3轴线检测精密全站仪法首层及各转换层 4电梯井、 核心筒垂直度测量 垂直度测量精密全站仪法 垂直度偏差计算最小二乘拟合法 每2层1次 5施工控制网高程基准竖向传递检测 全站仪天顶距法 悬挂钢尺法 首层及各转换层 6沉降观测 基准网复测精密水准测量法每2个月复测1次 高程基准传递 全站仪 天顶距法 悬挂钢尺法 沉降观测精密水准测量法 观测数据“ 断链连接” 及 沉降趋势预测 线性回归模型 双曲线模型 自回归模型 l o g i s t i c模型 建设时, 地上部分每2层一 次; 封顶后第一年每3个月 观测1次; 第二年每4个月 观测1次; 第三年每6个月 观测 1次 2 应 用 从2 0 0 8~2 0 1 5年, 承接广州市西塔( 4 3 8m) 、 利通广场( 3 0 2 . 7m) 、 广州市东塔(5 3 0m) 、 保利中 心( 3 1 0m) 等4栋3 0 0m 以上超高层建筑施工监测 项目, 本文提出的内容及技术体系在这些项目大规 模化实践中进一步完善, 得到的各项精度指标均优 于设计和规范要求, 从多角度评价检核了施工质 量, 为保障超大型工程项目的施工安全起到了积极 作用。本文的相关研究成果已部分应用于 建筑变 形测量规范 及 建筑施工测量规范 等行业标准的 修编中, 具有重要指导示范意义。 44 测 绘 工 程 第2 5卷 3 结束语 本文采用多种先进特殊观测设备, 率先构建超 高层建筑施工监测较完备、 规范的内容体系及科 学、 先进的技术体系, 具有重要指导示范意义。尤 其是通过产学研相结合, 拓展了数字正垂的应用领 域, 自主研发基于C C D的摆动监测系统等新型测量 装备, 有效解决了超高层建筑施工控制网竖向传递 倾斜偏差。在今后的工作中, 将对超高层建筑的健 康监测展开研究, 一是基于“ 塔体健康监测施工阶 段与营运阶段一体化” 思想将建筑物健康监测的时 间提前到施工阶段, 为其运营期间的健康监测提供 更加丰富的本底数据; 二是深度集成卫星定位、 传 感器、 物联网及无线通信技术, 构建对超高层建筑 健康因子数据全自动实时采集、 传输, 塔体健康状 况实时评价分析的一体化智能平台, 以便为业主、 施工方、 运营方提供决策支持。 参考文献 [1] 赵小阳. 联合多种方法检定超高层建筑物平面控制网 转换精度[J]. 工程勘察, 2 0 1 2,1 1(3) 7 9-8 1. 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[ 责任编辑 李铭娜] ( 上接第3 9页) 2 结束语 此次试验中, 后期进行数据处理时, 完全采用 机载 G P S与地面基站的差分解算结果和惯性测量 单元的测量记录进行一系列的处理得到激光点云 和数字影像的坐标和方位。实验结果表明这完全 能满足1∶5 0 0 0比例尺测图的要求。若测区绝大 部分为滩涂, 无已知地面点进行基站架设, 可以考 虑采用精密单点定位方法获得地面基站的坐标, 将 其与机载 G P S进行差分解算, 以提高整个架次的成 果精度[ 5]。若要对海岸带区域进行更大比例尺的测 图, 则需要降低飞行高度, 增加航带重叠度, 放慢飞 行速度, 以保证激光点云有足够的密度。 海岸带滩涂地区由于地形复杂, 人力通常难以 到达, 而且即便人力到达, 潮汐时间的要求对测量 速度和测量质量都提出很高的要求, 因此, 滩涂地 区的一直是地形图测量领域的难点区域, 机载激光 雷达的机动性、 测量精度提供一个很好的解决办 法。机载L i D AR正在包括海岸带区域在内的传统 测量难以完成的领域内发挥着越来越大的作用。 参考文献 [1] 张志恒. 胶州湾海岸带利用现状与评价[D]. 青岛 中 国海洋大学,2 0 0 9. [2] WEHR A,L OHR U. A i r b o r n e L a s e r s c a n n i n ga n I n- t r o d u c t i o n a n d O v e r v i e w[J]. I S P R S J o u r n a l o f P h o t o- g r a mm e t r y a n d R e m o t e S e n s i n g, 1 9 9 9,5 46 8-8 2. [3] CHA R L E S K T. F u t u r e t r e n d s i n L i D A R[C]. A S P R S A n n u a l C o n f e r e n c e,D e n v e r,2 0 0 4. [4] 刘经南, 张小红.激光扫描测高技术的发展与现状[J]. 武汉大学学报( 信息科学版) ,2 0 0 3( 4) 1 3 2-1 3 6. 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