空间钢结构三维节点定位测量施工工法（20页）

1、空间钢结构三维节点定位测量施工工法前言随着建筑工程技术的进步，延性多面体空间钢框架结构等应用越来越多、造型越来越复杂。如何保证不规则钢结构三维空间精确测量定位是一个新的技术课题。在国外，一些发达国家利用测量机器人进行三维空间自动测量，但造价昂贵。在国内，解决这一问题的方法有两种：一是GPS-RTK，其精度在2-3cm左右，与施工要求的5mm有很大差距；二是两台经纬仪进行交会，这种方法在通视条件恶劣的施工现场难以达到。国家游泳中心工程结构杆件异常复杂和多样，仅杆件总数就有20670根，焊接球9843个，且只有1的杆件有规律性，99的杆件其型号和节点都不一致，杆件及节点总重量约6300吨，且现场通

2、视条件差。为了保证测量的精确性，中建一局建设发展公司经过多次试验论证后将杆件节点三维空间坐标分解为二维平面坐标和高程，采用高精度的Leica 全站仪对节点进行平面定位测量；采用高精度水准仪控制其高程；并在节点球上标出杆件连接位置，保证杆件中心线穿过节点球中心，快速高效的完成了国家游泳中心的钢结构三维空间定位测量工作。为此，中建一局建设发展公司编制了空间钢结构三维节点快速定位测量施工工法。至2006年11月底，国家游泳中心工程已六次通过结构长城杯验收，2007年5月16日大型延性多面体钢结构快速定位测量系统作为国家游泳中心新型多面体空间刚架结构施工技术研究创新成果之一，通过北京市建设委员会科技成

3、果鉴定，鉴定结果“国际领先水平”。特点作业效率高本工法测量作业操作与钢结构安装人员配合简便有效，及时满足现场钢结构安装需要。采用常规方法每天只能测量校正5-6个球节点；采用本工法测量，球节点测量安装速度每天可达到60-70个，提高作业效率，大大加快施工进度。精度高由于全站仪与计算机实现双向通讯，测量数据自动传输到全站仪内存，系统实时计算出点位坐标和偏差信息数据，保证杆件节点连接安装的准确性。设站灵活因为全站仪设站灵活，可以在不同的现场条件下选择最佳位置设站，减少其它工序对测量的干扰，反之也减少了测量对其它工序的干扰。适用范围适用于复杂形状、复杂环境的钢结构节点三维空间定位测量，特别是体育场馆等

4、不规则钢结构节点的三维空间定位测量。 工艺原理将钢结构节点三维空间坐标简化为二维平面坐标和高程，采用高精度的Leica 全站仪对节点进行平面定位测量，采用高精度水准仪控制其高程。精确计算节点球与杆件的安装连接数据，在节点球上标出连接记号，按照节点球上标记安装杆件；保证杆件中心线过球中心。工艺流程及操作要点工艺流程测量方案设计 控制测量 计算各样点坐标并存入全站仪内存建立数据库 球节点三维空间定位测量 杆件就位测量 三维空间位置复测校核及误差消除操作要点测量方案设计钢结构安装的关键是要保证球节点和杆件的准确连接，因此节点定位测量的重点就是保证杆件中心线通过球中心点。空间钢结构三维节点定位测量思路

5、：采用高精度测量仪器进行球节点的空间三维定位，按照节点球上标记安装杆件，保证杆件中心线过球中心。精度分析。在钢结构定位测量中，影响定位测量精度的主要是点位的平面定位精度，而影响平面定位精度的因素主要是测角误差和测距误差。采用标称精度为1 2mm+2ppm的全站仪，设控制点至放样点距离为D=80m，方位角为=40，观测竖直角2，则放样点的点位误差计算：放样点X方向精度：放样点Y方向精度：设站点的点位误差在2mm时，放样点的点位误差：精度分析说明，选用的仪器设备和测量放样方法切实可行，放样点的点位精度满足钢结构工程施工质量验收规范（GB 50205-2001）中关于节点球中心偏移5.0mm的施工精

6、度要求。控制测量平面控制测量针对建筑工程施工的实际情况，通常采用导线测量的方法建立平面控制网。为保证控制点的相对精度，导线边长相对中误差应控制在1/40000以上。导线点相互之间距离不应太远，导线平均边长控制在100m。导线点要根据现场实际情况布设，导线点与放样点的距离宜控制在80m之内，最远不应超过100m。导线等级采用建筑施工测量技术规程（DB11/T446-2007）中的一级导线，导线角度和边长各观测二个测回。导线水平角观测一般采用方向观测法。当导线点上只有两个方向时，以奇数测回和偶数测回分别观测导线前进方向的左角和右角，观测右角时仍以左角起始方向为准变换度盘位置。采用全站仪观测水平角，

7、各测回间可不配置度盘。导线边长测量，各测回间应重新照准目标，每测回三次读数。各测回间平均值的较差应小于3mm。导线内业平差采用严密平差方法计算。高程控制测量 针对建筑工程施工的实际情况，通常采用水准测量的方法建立平面控制网。水准测量等级采用建筑施工测量技术规程（DB11/T446-2007）中的四等水准，中丝读数法，每站观测顺序为“后后前前”。水准测量采用附合水准路线，每一测段测站数应为偶数。水准测量应在成像清晰、稳定时进行，同一测站不应两次调焦。计算各放样点坐标并存入全站仪内存建立数据库以放样节点1、节点2以及中间连接杆为例：要计算出杆件与球体接触面的弧长、两端节点球顶点高差、相邻球节点平面

8、投影相对距离、相邻球节点相对距离等数据，并将此数据与控制点坐标数据输入全站仪内存。钢结构杆件与两端节点球数据计算图5.2.3-1 杆件与节点球数据计算示意图 杆件与1号节点球连接点1之间弧长L1L1 = 2R11360 (5.2.3-1)杆件与2号节点球连接点2之间弧长L2L2 = 2R22360 (5.2.3-2)杆件两端节点球顶点高差Z Z = Z2 - Z1 + R2- R1 (5.2.3-3)相邻球节点平面投影相对距离计算图5.2.3-2 相邻球节点平面投影距离计算示意图相邻球节点平面坐标增量 (5.2.3-4) (5.2.3-5) (5.2.3-6)相邻球节点平面投影相对距离 (5.

9、2.3-7) (5.2.3-8) (5.2.3-9)相邻球节点相对距离计算 (5.2.3-10) (5.2.3-11) (5.2.3-12)全站仪设站点O至放样点P三维坐标计算：图5.2.3-3 三维坐标数据数据计算示意图坐标增量计算： (5.2.3-13) (5.2.3-14) (5.2.3-15)三维坐标计算： (5.2.3-16) (5.2.3-17) (5.2.3-18)球节点三维空间定位测量在进行球节点空间三维定位时，首先将节点球和杆件垂直投影到水平面上，将节点球中心三维坐标（X、Y、Z）分解为平面二维坐标（X、Y）和高程坐标（Z）。图5.2.4 三维坐标投影分解示意图采用全站仪自动

10、测量对节点球中心（X、Y）进行平面定位。在控制点架设全站仪，并后视另一控制点，锁定全站仪制动螺旋。将控制点坐标、放样点坐标等计算数据输入全站仪内存，调用全站仪内置程序自动计算控制点至各放样点的方位角、距离等测量数据。启用全站仪自动跟踪测量程序，松开全站仪制动螺旋，全站仪自动测量放样点并指挥安装人员将节点球进行水平位置就位。采用水准仪测量球节点高程，并将节点球调整到设计高度。杆件就位测量在节点球和杆件安装前，首先按照设计图纸对各节点球和杆件进行编号，保证节点球和杆件一一对应安装。根据互相连接的节点球半径R和杆件投影计算杆件与节点球连接角度、弧长等数据。使用特制的全圆仪等工具在球面上放样杆件与节点

11、球连接点并做好标记。图5.2.5 节点球表面连接标记放样示意图节点球安装就位后，依照编号一一对应连接点标记安装连接杆件。三维空间位置复测校核及误差消除为保证杆件中心线准确通过节点球中心，应分别复测相邻节点的距离和高差。使用50米钢尺丈量相邻节点的相对距离，读数到mm。使用水准仪测量相邻节点的高差，读数到mm。空间钢结构三维节点测量的误差影响因素误差累积。在测量过程中，由测量人员操作误差、测量仪器本身误差等误差源会传导和累积到定位点。钢结构焊接。钢结构焊接会引起钢结构构件的尺寸变化，进而产生误差。日照影响。太阳光的日照对钢结构构件会产生位移变化，产生误差。温差影响。由于钢构件随着温度变化而出现热

12、胀冷缩现象，影响测量精度，产生误差。误差的消除固定测量操作人员和测量仪器，减小测量误差。测量时间安排控制。安排好测量外业作业时间，尽量保证前后作业时间段的外界条件一样，如气温、气压、风力等。剩余误差处理。平面定位误差按照相邻节点球和杆件的距离为权值大小进行分配消除，高程定位误差按照各节点球之间高差为权值大小进行分配消除。放线要求。对钢结构放线不采用墨斗弹线，应采用钢冲打点和钢针划线。人员与设备人员测量人员的技术能力水平是空间钢结构三维节点定位测量的基础和关键因素，基本人员构成：高级工程师1名，负责整体测量方案策划，施工组织管理。工程师2名，1人负责现场测量技术管理，方案深化，数据准备；1人负责

13、现场作业组织管理，现场安全、质量管理。助理工程师2名，分别负责平面坐标定位测量与高程定位测量；作业人员若干名，负责现场测量作业，根据工程进度和测量工作量多少增减数量。设备组织基本仪器设备，各种仪器设备经检定合格并在检定有效期内。表6.2-1 仪器设备统计表序号名称型号精度指标数量1全站仪Leica TCRA 12011 2mm + 2ppm.D12经纬仪Topcon213水准仪Topcon2.5mm/km14钢尺50m1mm15铝合金塔尺5m1mm16盒尺5m1mm47线坠38钢冲19钢针110对讲机4全站仪的主要性能全站仪型号为Leica TCRA 1201，主要技术性能指标如下：表6.2-

14、2 全站仪技术指标表序号项目技术性能1仪器精度1 2mm+2ppm.D2角度测量绝对条码对径度盘连续测角，精度1，最小显示0.13距离测量同轴红外相位测量，精度2mm+2ppm，最小显示0.1mm4无棱镜测距无棱镜测距最大测程300m5补偿器集成液体双轴补偿，补偿范围46望远镜放大倍数30倍7作业环境温度-20C至 +50C8自动跟踪测量EGL电子导向9内存128M内存，RS232输出质量控制质量要求按建筑施工测量技术规程（DB11/T446-2007）和钢结构工程施工质量验收规范（GB 502052001）等规范执行。导线的主要技术要求表7.2 导线技术要求表等级导线长度 km平均边长 m测

15、角中误差 边长相对中误差全长相对闭合差方位角闭合差 一级2.010051/400001/2000010 注：n 为测站数水准测量的主要技术要求表7.3 水准测量技术要求表每千米高差中数偶然中误差mmm仪器 型号水准 标尺与已知点联测次数往返较差、附合线路或环线闭合差mm平地5S2.5双面往、返4 注： n 为测站数节点球支承面顶板、节点球位置的允许偏差（mm）表7.4 节点球允许偏差标项目最大允许偏差支承面顶板位置15.0顶面标高03.0顶面水平度L/1000节点球中心偏移5.0钢框架结构安装的允许偏差（mm）表7.5 钢框架安装允许偏差表项 目最大允许偏差纵向、横向长度L/2000，且不应大

16、于30.0-L/2000，且不应大于-30.0支座中心偏移L/3000，且不应大于30.0周边支承网架相邻支座高差L/400，且不应大于15.0支座最大高差30.0多点支承网架相邻支座高差L1/800，且不应大于30.0注：L为纵向、横向长度；L1为相邻支座间距。安全措施严格遵守施工现场安全管理规定。测量人员进入施工现场时首先进行安全培训，并进行书面安全交底。进入施工现场必须佩带好安全用具，安全帽戴好并系好帽带；不得穿拖鞋、短裤及宽松衣物进入施工现场。作业人员处在建筑物边沿等可能坠落的区域应佩带好安全带，并挂在牢固位置，未到达安全位置不得松开安全带。在场内、场外道路进行作业时，要注意来往车辆，

17、防止发生交通事故。在建筑物外侧区域作业时，要注意作业区域上方是否交叉作业，防止上方坠物伤人。观测作业时拆除的防护网及护拦应及时恢复。作业之前对作业人员进行安全讲话，每周向本工程测量人员进行书面安全交底，保证作业过程中的安全。仪器设备在运送过程中，仪器携带者应将仪器放在车厢上或稳定的位置。仪器装箱时，应按规定位置安放，望远镜和竖轴制动应松开。长途运输仪器时，最好进行包装，并一定要使仪器仪器牢固可靠，切勿相互移动撞击。仪器设备在使用过程中，必须注意安全，雨、风天气必须要进行外业作业时，应采取防护措施保证人和仪器的安全。在三脚架上安装仪器时，要一手扶握照准部，一手旋动中心螺旋，防止仪器滑落，卸下时也

18、是如此。外业观测时，操作人员不得离开。严禁无人看管、闲杂人等动用仪器。露天作业时，要注意仪器的防震、防潮、防晒、防尘，以免影响仪器的观测精度；阴雨、曝晒天气在野外作业时一定打伞，以防损坏仪器。仪器搬站时，可视搬运距离的远近及道路情况决定仪器是否要装箱。若不装箱搬站时仪器制动螺旋应松开，最好把脚架挟在肋下，仪器放在前面，以手保护，不得横杠在肩上行走。环保措施测量作业人员进入现场先进行环保培训，提高人员环保意识。购置环保仪器设备，对于全站仪等红外线、激光、电磁波测量仪器，选用环保无放射和灼热的类型，避免在现场作业中灼伤人眼。作业现场测量标识用的红油漆、墨汁在作业过程中要妥善保管，避免遗洒在现场。对

19、讲机、经纬仪所使用的5#电池不得丢置在现场，应放置于统一的废旧电池箱中。现场办公室电脑、打印机的使用要尽量节约用电、用纸。效益分析施工作业效率高采用钢结构三维空间快速定位测量方法，与经纬仪常规测量方法相比，平均安装一个球节点的时间节省了80%左右，大大加快了施工进度。国家游泳中心工程共有钢结构球节点9843个，按常规测量方法，需安装近5年。采用本工法施工，只用了8个月的时间就完成了钢结构安装。设备投入少，成本大幅降低采用空间钢结构三维节点快速定位测量方法，全站仪等主要设备的投入降低了80%，节省了设备投入，原计划投入全站仪1015台，工艺改进后实际投入23台。项目经理部原测量费用预算投入160

20、万元，工艺改进后降低到90余万元。工程应用实例国家游泳中心工程整个结构为立方体，平面尺寸177.338177.338m，结构墙体底标高+1.059m，屋顶标高+30.587m，外墙的围合厚度为3472mm，内墙为3472mm和5876mm两种，屋顶为7211mm。钢结构为新型延性多面体空间钢框架结构，杆件及节点总重量6700吨，节点数9843个，杆件20670根。球节点及多向连接杆件照片11-1 节点球照片球节点及多向连接杆件照片11-2 节点球照片在国家游泳中心工程延性多面体不规则钢结构施工中，我们采用空间钢结构三维节点快速定位测量施工工法对钢结构进行空间三维定位测量，极大的提高了作业效率，圆满完