近年来, 随着我国新型城镇化的迅速发展, 超高层建筑不断增加。超高层建筑的控制测量是保证施工质量的基础, 也是质量控制的关键环节之一。现代建筑工程对超高层建筑控制测量的方法和精度提出了更高的要求, 尤其是高精度测量机器人、电子水准仪、激光铅锤仪以及电子计算机技术在施工测量中的应用, 使超高层建筑工程控制测量发生了根本的改变。

珠海中心工程与澳门隔河相望, 南侧与横琴岛毗邻, 西侧为南湾路。该工程塔楼总建筑面积105 104.6m², 塔楼屋面标高324.250m, 外立面总高度325.25m, 屋顶机房屋面标高328.800m, 平面尺寸58.4m×54.4m~44.5m×43.5m, 单层建筑面积为2 500~1 500m², 采用钢框架加混凝土核心筒结构体系。塔楼地下2层, 地上65层 (结构层74层) , 其中首层至35层为甲级写字楼, 36层至顶层为超五星级酒店。建筑外形轮廓随高度变化, 楼层平面形状沿竖向从带切角的三角形渐变为接近圆形, 再由圆形渐变至与底部方向相反的倒三角形, 中部核心筒为切角三角形平面。

超高层建筑结构复杂, 施工过程中所涉及的专业较多, 现场通视条件差, 因此测量控制点的布设和传递工作必须参照施工工艺选择最佳方案, 以减少施工对测量控制工作的影响。经过对施工工艺的分析, 本工程在竖向共分2个施工段, 40层以下为主体结构第1施工段, 40层以上为主体结构第2施工段。第1施工段首先采用混凝土核心筒→钢结构外框架→楼层阶梯循环施工, 核心筒施工至40层以后停止施工并拆除液压爬升系统, 钢结构外框架以及内外楼层逐层施工至40层, 待40层转换层施工完成且达到设计强度时开始40层以上混凝土核心筒施工, 然后逐步开始钢结构外框架及楼层施工, 最后再次形成混凝土核心筒→钢结构外框架→楼层阶梯循环施工, 直至主体结构施工至屋顶。混凝土核心筒结构随着楼层变化, 在整个施工过程中共经历了4次变换, 如表1所示。

考虑施工作业的方便、快捷以及现场施工的需要, 在塔楼工程施工前, 须将塔楼图纸上的地标系转换为施工坐标系。工程施工采用的坐标系为以轴线为x轴、轴为y轴建立施工坐标系, 如图1所示。在该建筑坐标系中塔楼中心点坐标为 (500, 500) , 各轴线与坐标系两轴平行, 便于后续施工计算。大地坐标系到建筑测量坐标系的数据转换可借助专用测量软件, 自动生成点位坐标数据;也可以通过坐标转换公式在Microsoft Excel中转换或者通过计算器编程进行转换。

考虑到施工过程中涉及的专业工程多, 各工程之间的施工进度不统一, 因此, 在进行控制测量的时候应首先考虑如何保证其测量的整体精度和各工程之间的衔接精度控制。在控制测量的实施过程中, 首先建立了统一的测量控制系统, 分2级布设了测量控制网。首级控制网作为二级控制网引测的基准, 也是整个塔楼工程的测量基准。二级控制网分别建立了核心筒 (核心筒施工用) 和外筒 (钢结构施工用) 2套控制系统, 以同时满足核心筒和钢结构的施工不同进度要求。二级控制网在施工过程中每隔3个月定期与首级控制网联测, 以保证各控制网之间的统一性和整体性。

为保证控制测量的精度, 本工程所选择的都是目前最高精度的测量仪器, 如表2所示。所有仪器均按照国家规定校准合格, 并在使用有效期内。在使用过程中, 随时检查仪器的常用指标, 一旦偏差超过允许范围, 将及时校正以保证仪器的精度。

本工程在40层的时候进行结构转换, 40层以下和40层以上核心筒结构变化较大;在核心筒结构施工期间, 核心筒墙体共经历了4次变化;外筒钢结构与核心筒相连接的钢梁的平面位置随着楼层变化也在不断变化。因此, 在控制点选点过程中, 对首级控制网的选点通过计算, 选择在能够避开钢梁的合理位置布设, 尽可能地延长了使用时间;对于核心筒的二级控制网的选点, 根据墙体变化的规律, 将仪器安置问题也考虑进去, 使控制点转换随着墙体厚度的变化进行, 有效减少了控制点转换的次数;外筒钢结构控制网在布设时先对12根巨型柱中心的各层坐标进行了计算分析, 最终选择在竖向变化最小的6根柱子附近布设控制点。

本工程高度超过300m, 且处于南方高温、多雨环境, 在超过一定的高度时, 温度变化、风振等对主体结构的平面位置稳定影响较大。在施工过程中, 结合控制测量所使用的仪器设备, 采取平面控制每隔100m左右中转传递1次、高程控制每隔50m左右中转传递1次的方法, 有效地解决该工程控制点的传递问题。

为保证测量控制系统的统一性, 更好地对主楼进行垂直度、平面位置 (位移、扭曲等变形) 控制, 本工程平面控制采用内控法进行测量施工。在工程施工到±0.000以后, 开始布设地上部分测量控制网。为了满足塔楼控制的测量精度要求, 本着控制点的传递不受到下部装饰施工的影响、位置便于塔楼整体垂直度控制以及压缩变形永久监测的原则, 在控制网布设时, 综合考虑核心筒结构尺寸及其变化、施工塔式起重机位置布设和每层楼层梁位置等因素对控制点垂直通视的影响, 二级控制网分为核心筒和外筒分开布设。

为了保证测量的精度, 首级控制网以外围控制点作为起算基准, 二级控制网以首级控制网作为起算基准, 先测设首级控制网, 再测设二级控制网。首级控制网采用导线的方法进行测量和平差计算;二级控制网的测量通过角度、距离方法测量出控制点数据, 并对各二级控制网各内角和边进行测量, 采用整体迭代方法平差, 调整控制点数据。控制测量的技术要求如表3所示。

首级控制网是整个塔楼施工的基准, 要方便长期使用。在进行控制点的选点工作时, 对每一层的平面结构图进行了计算和分析, 最终选择了5个控制点组成环形控制网 (编号K1~K5) , 如图2所示。在首级控制网初步设计完成后, 对其进行了优化设计, 在实际使用过程中, K1~K4 4个控制点可以一直使用到60层以上。

在进行核心筒控制网设计时, 考虑到核心筒要先于外筒10层施工, 核心筒内外都没有楼板, 传统的三脚架无法架设, 在施工测量放样时要采用安置核心筒墙体上的专用三脚架架设全站仪及棱镜。因此, 核心筒控制网控制点参照核心筒墙体的变化, 选择在离墙体100mm左右位置, 共布设C1~C44个控制点, 如图2所示。

外筒钢结构控制网的设计, 参照12根巨型柱的位置变化, 对每一层巨型柱的中心坐标及尺寸进行了计算分析, 最终在B1, B4, B5, B8, B9, B12选择了6个控制点形成钢结构控制网, 如图2所示。

平面控制点采用垂准仪和全站仪配合进行, 引测的步骤如下:

1) 当楼板施工至±0.000时, 以首级控制网为基准测设核心筒控制点。由于±0.000层人员走动频繁, 激光点测放到楼面后需进行特殊的保护, 因此需在±0.000层混凝土楼面预埋铁件, 楼板混凝土浇筑完成且具有强度后, 再测设控制点并进行多边形闭合复测, 调整点位误差, 打上样冲眼十字中心点标示。

2) 上部楼层平面轴线控制点的引测, 首次在±0.000层混凝土楼面控制点上架设激光垂准仪, 垂直向上投递平面控制点, 穿过预先在组合楼板上预留的200mm×200mm孔洞, 然后采用激光捕捉靶捕捉激光点。

3) 激光控制点投测到上部楼层后, 组成多边形图形。在多边形的各个点上架设全站仪, 复测多边形的角度、边长误差, 进行点位误差调整并作好点位标记。如点位误差较大, 应重新投测激光控制点。

4) 为了避免垂准仪传递引起的累计误差, 在塔楼分别施工到第40层和结构封顶时采用GPS观测方法对其垂直度进行监测。每次观测完成后将平差后的观测结果与设计值进行对比, 如发现垂直度超差, 在后续施工中进行调整。

5) 为了解决全站仪和棱镜的架设问题, 在施工中采用了特制的仪器支架和基座, 如图3所示。

主楼高度325.25m, 截面不断收缩, 核心筒外钢框架结构滞后施工, 考虑核心筒墙体结构竖向变化、受外力影响的结构变形、天顶测量法的垂直投测高度受仪器及视力限制等原因, 给测量定位带来一定难度, 因此, 在施工到过程中进行了控制点的中转传递。本工程核心筒控制网在整个塔楼的施工过程分为第1~39层 (点C1, C2, C3, C4, 见图2) , 第40~59层 (点C1, C2, C5, C6, 见图4a) 和第60~64层 (点C1, C2, C7, C8, 见图4b) 3段进行布设, 外筒控制网分为第1~32层 (点B1, B4, B5, B8, B9, B12, 见图2) 和第33~64层 (点B2, B3, B6, B7, B10, B11, 见图5) 进行2次布设。

在塔楼施工前, 采用精密水准仪在远离施工区域稳定的地方布设3个高程基准点, 采用二等水准测量的方法与工程首级控制网高程点进行联测。作为塔楼工程的施工和监测使用高程基准点。为减少悬挂钢尺带来的累计误差, 在进行高程控制传递的过程中采用全站仪天顶法和悬挂钢尺相结合的方法。高程控制测量采用二等水准。

在结构施工至±0.000平面后, 以在远离施工区域的地方布设3个高程基准点为起算进行首级控制网的高程测量, 以此作为上部结构高程控制依据。楼层控制基准点共引测3个, 引测完之后应对3个高程控制基准点进行联测, 在允许误差内方可使用。

核心筒混凝土侧留洞位置墙面引测出每层楼层的1m高程控制基准点, 每层引测3个, 引测完之后应对3个高程控制基准点进行联测, 在允许误差内方可使用。考虑到结构压缩变形、高程传递的累计误差等综合因素, 我们采取所测放的高程控制点每3层与钢结构高程控制点复核1次, 误差在2mm以内就直接利用此高程控制点为依据测放高程, 若误差超过2mm, 则重新投测高程, 另行调整高程控制点。

为减少悬挂钢尺而带来的累计误差, 在进行高程控制传递的过程中采用全站仪天顶法和悬挂钢尺相结合的方法, 在各转换层内采用悬挂钢尺方法传递, 每隔10层采用全站仪天顶法进行一次高程中转控制。

高程控制网传递的具体做法如下:

1) 首层1.000m标高基准点测量引测 用水准仪引测首层1.000m标高线至剪力墙外墙面, 各点之间复测闭合后弹墨线标示。

2) 地上各层1.000 m标高基准点测量引测 地上楼层基准标高点首次由全站仪从首层楼面竖向引测, 每升高10层引测中转1次, 10层之间各楼层的标高用钢卷尺顺主楼核心筒外墙面往上量测。全站仪引测标高基准点的方法如下: (1) 在±0.000层的混凝土楼面架设全站仪, 通过气温计、气压计测量气温、气压, 对全站仪进行气象改正设置; (2) 在核心筒墙面1.000m标高基准线上设置水准标尺, 转动全站仪照准部至水平位置 (天顶角为90°) , 后视水准标尺, 测得仪器高度值, 然后对仪器反射棱镜的常数进行设置; (3) 全站仪望远镜垂直向上, 顺着激光控制点的预留洞口垂直往上测量距离, 顶部采用特制的高程接收装置放在需要测量标高的楼层位置, 向下对准全站仪, 如图6所示。

在控制网的传递过程中, 对细微环节和特殊情况, 采用科学有效的处理方法, 起到了很好的实施效果。

1) 为了保证控制点传递的精度, 减少传递误差, 应尽量避免外界环境变化以及塔楼结构因日照变形对测量精度的影响, 每次控制点的传递测量工作选择在早上6点—9点, 在太阳直射之前完成;作业时间段内应尽量满足多云无风, 并对投测的时间、风力等外部因素进行记录。

2) 控制点在传递到上层楼面时, 受到施工环境的影响, 有可能会出现控制点之间无法通视的情况。为了保证主体受控的精度, 数据采用NASEW专业平差软件以迭代平差法进行平差, 针对每个点位的偏差进行现场归零调整, 最后进行闭合验证及外方向验证后最终确定。所有转换层控制点投测必须经过2次投测确定, 并保证在后期整区复测中保持2mm以内点位精度。

3) 为了有效地消除沉降位移等因素对控制点长期精度的影响, 在进行塔楼施工时根据施工进度, 定期对控制网进行监测, 并结合沉降和位移监测数据对控制网进行分析。

4) 强制归心装置的应用在测量施工过程中, 将强制归心螺丝普遍应用在架设仪器的过程中, 省去了每次架设全站仪进行对中的繁琐过程, 通过螺丝直接将仪器固定在自制的专用措施架上整平即可, 大大提高了测量工作效率, 缩短了整个工序的周期。

本工程属于具有标志性的超高层建筑, 其建筑设计的复杂性和施工工艺的特殊性都决定了现场测量施工具有很高的难度, 工程最终主楼楼体垂直度得到了良好的控制, 各向偏移均在20mm左右。

本文通过对实际操作过程中平面控制系统的建立, 以及其中部分问题的探讨, 较为详细地提供了一个超高层建筑施工中测量控制系统的解决方案。

虽然通过协同努力, 工程主体的各项精度得到了很好的控制, 遇到的问题得到了解决, 但临时点选取合理位置、不稳定状态下能否通过全站仪观测远程物体确定方位角进行匹配、减少人员和仪器的耗用以达到资源的最优化利用等问题都是值得深入研究的。