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國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工測量技術研究與實踐

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    龍正武 秦長利 林久林 邱德隆 楊俊峰 萬里程

    摘 要：國家體育場（鳥巢）鋼結(jié)構(gòu)外形奇特、形體巨大、結(jié)構(gòu)復雜，施工測量難度大，本文結(jié)合工程實踐介紹了控制測量、鋼構(gòu)件組裝測量和高空拼裝定位測量等的基本內(nèi)容和方法，供從事施工測量和相關技術人員參考。
    關鍵詞：控制測量；胎架測量；高空拼裝定位
    1工程概況
    國家體育場是2008年第二十九奧運會主會場。它由鋼結(jié)構(gòu)組件相互支撐，形成網(wǎng)格狀構(gòu)架，土紅色的碗狀體育場看臺隱身其中，外觀看上去就仿若樹枝編織成的鳥巢。
    國家體育場建筑作品不僅外形奇特，而且形體巨大、結(jié)構(gòu)復雜。其鋼結(jié)構(gòu)水平投影面形狀為一個橢圓形，橢圓形的主桁架柱軸線長軸（南北方向）長333米，短軸（東西方向）長266米。其屋頂呈東、西高（約69米），南、北低（約41米高）的馬鞍形。國家體育場鋼結(jié)構(gòu)由24個主桁架柱、24榀主桁架梁、16架內(nèi)環(huán)立體桁架梁及立面次結(jié)構(gòu)、屋面次結(jié)構(gòu)、樓梯、馬道和天溝等構(gòu)件組成；最高的桁架柱高度約為69米，最低的桁架柱高度約為41米，屋面桁架梁的高度為12米。
    國家體育場鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件形狀復雜，變化多樣，不論是地面拼裝還是安裝定位，測量工作都十分煩瑣和困難。同時由于施工場地狹小，場地中的大形施工設備、運輸車輛和重型起重機械的頻繁運行。都給測量工作帶來了很多的困難。
    根據(jù)國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程的施工工藝和施工步驟，施工測量工作主要有：控制測量、構(gòu)件現(xiàn)場拼裝測量、桁架柱和桁架梁安裝定位測量、次結(jié)構(gòu)的安裝定位測量、支撐塔架卸載變形監(jiān)測等。
    2控制測量
    2.1平面和高程控制測量
    控制測量是最基礎的和最重要的施工測量工作。由于施工場地狹小、復雜，在施工控制測量設計中，測量控制點的密度、精度、位置和使用是否方便等都至關重要，是重點考慮的因素。如果測量控制點的密度低，數(shù)量少，就不能全面、精確地控制整個工程，還會因為控制點離構(gòu)件定位點距離較遠或需要進行加密控制點使定位誤差較大；如果控制點密度過高，點數(shù)太不僅增加了測量工作量還會造成控制網(wǎng)邊長較短，形成短邊控制長邊這樣不利的觀測條件。同時控制點還必須避開電纜等地下管線、構(gòu)件拼裝作業(yè)區(qū)，又要盡量遠離吊車等大型施工機械的運行路線。經(jīng)過踏勘并結(jié)合施工場地布置圖和國家體育場的結(jié)構(gòu)形狀，布設了以前期4個GPS點、體育場中心點作為已知點，由12個導線點（外圍8個，內(nèi)場所4個）組成的平面和高程鋼結(jié)構(gòu)施工控制網(wǎng)（見圖1）。為了提高控制網(wǎng)精度，消除儀器和覘板的對中誤差，12個導線點都采用強制對中點的方式設置（見圖2、和圖3）。

    平面導線網(wǎng)的外業(yè)觀測采用Leica2003全站儀按三等導線的技術要求進行觀測；內(nèi)業(yè)用嚴密平差軟件進行平差。平差后控制點的平面點位中誤差和點間中誤差都小于3mm；高程導線采用NA2水準儀和銦鋼水準尺觀測，平差后高程控制點點位中誤差和點間中誤差都小于1mm。
    2.2控制網(wǎng)的保護
    為了保證在施工全過程中測量控制網(wǎng)的保存和穩(wěn)定，控制點埋設在凍土層以下，現(xiàn)澆1.2×1.2米混凝土標石基礎，同時砌筑保護墻并標示醒目明顯標記。由于保護措施得當，這些控制點除一個因成府路施工而遷址外，至今保存完好，雖受到大型施工機械的干擾，但未受到明顯影響，經(jīng)檢測控制點各次成果較差均小于4mm。
    2.3控制網(wǎng)的復測
    為監(jiān)測控制網(wǎng)穩(wěn)定狀況，同時保證觀測精度一致，平面和高程控制網(wǎng)每三個月進行一次復測，每次復測使用和初測時的同一臺儀器，同一個人用同樣的方法，按同樣的技術要求觀測；內(nèi)業(yè)用同樣的方法進行平差。取得了非常好的觀測效果，對控制網(wǎng)的穩(wěn)定情況掌握準確，為施工測量工作提供了可靠保障。
    3構(gòu)件現(xiàn)場組裝測量
    3.1胎架形式及建立
    受運輸條件和加工廠房條件的限制，鋼結(jié)構(gòu)施工采用在工廠加工成較小的拼裝構(gòu)件，再在現(xiàn)場將小的拼裝構(gòu)件在胎架上拼裝成大的按裝構(gòu)件，然后再進行吊裝。因此，現(xiàn)場拼裝測量的構(gòu)件多，工作量非常大，主要可分為桁架柱（包括桁架柱柱腳）拼裝測量、桁架梁拼裝測量、次結(jié)構(gòu)拼裝測量、樓梯拼裝測量等。因為每一個構(gòu)件不僅形狀奇特，各個構(gòu)件的大小、形狀、結(jié)構(gòu)各不相同，需要在不同的胎架上進行拼裝，拼裝測量的第一步就是根據(jù)不同構(gòu)件的大小、形狀和結(jié)構(gòu)作胎架測量并建立起不同形狀的胎架，然后才能在胎架上進行拼裝。（見圖4、圖5、圖6）


    由于構(gòu)件體積超大，形狀不規(guī)則，胎架一般都高達十多米；而高度達40米～70米的桁架柱這樣的垂直安裝的構(gòu)件，不能按其所在設計位置和狀態(tài)來拼裝，需要將其水平放置，這種情況下胎架就長達40多米～70多米。（見圖7、圖8）

    3.2胎架和拼裝測量
    拼裝前先要依據(jù)所拼裝的按裝構(gòu)件的設計坐標建立拼裝控制網(wǎng)。選擇所拼裝構(gòu)件上兩個相距較遠的（端口或牛腿）角點，按他們的平面設計坐標精確地設置在地面上，以此為依據(jù)建立胎架和拼裝測量控制網(wǎng)（點）
    傳統(tǒng)的施工測量都是根據(jù)結(jié)構(gòu)的軸線來進行加工、拼裝、放樣和安裝定位，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)圖紙雖然給出了軸線，但只是理論上的，位于箱形管件的中心，因為構(gòu)件的形狀非常復雜和奇特，其表面幾乎都不是平面而是一個個扭曲面，無法將其軸線投影或布設到構(gòu)件的某一個表面上，也就無法根據(jù)軸線來進行對接拼裝，只能根據(jù)圖紙上給出的構(gòu)件端口（或牛腿）四個角點的坐標來進行拼裝。拼裝時依據(jù)端口或牛腿的角點坐標在胎架上三維定位并多次調(diào)整，直到實測三維坐標符合規(guī)范和設計要求。
    設計圖紙上給出的構(gòu)件端口（或牛腳）角點的是在設計位置和狀態(tài)下的，有些安裝構(gòu)件象桁架柱和肩部次結(jié)構(gòu)等，則應進行坐標轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成便于在地面上建立胎架和進行拼裝的坐標系，再依據(jù)轉(zhuǎn)換后的坐標建立胎架和進行拼裝，這項工作須要在電腦上用轉(zhuǎn)換構(gòu)件的模型的方法平實現(xiàn)。
    每一個安裝構(gòu)件都要和它周邊的幾個構(gòu)件進行對接，一個安裝構(gòu)件上有一個端口或牛腿的拼裝精度低都會影響到它和周邊構(gòu)件的對接，也會使后續(xù)安裝的構(gòu)件不能順利對接，給整個工程的安裝帶來不利影響。因此在拼裝時都是多次反復進行調(diào)整，直到符合設計和規(guī)范要求。
    4構(gòu)件高空安裝定位測量
    4.1定位測量基本要求和方法
    和拼裝測量一樣，除桁架柱柱腳外，安裝定位測量也不能利用構(gòu)件的軸線來進行定位，而只能依據(jù)安裝構(gòu)件上端口或牛腿角點的坐標，用三維坐標定位的方法來安裝定位。
    整個鋼結(jié)構(gòu)工程是由柱腳、桁架柱、次結(jié)構(gòu)柱、桁架梁通過牛腿和腹桿等相互連接成一個整體，一個安裝構(gòu)件的定位是否精確，是否符合規(guī)范和設計要求，直接影響周邊構(gòu)件的安裝，也會間接影響到其他部位構(gòu)件的安裝。可謂牽一發(fā)而動全身。
    安裝構(gòu)件的安裝定位測量主要有柱腳（包括桁架柱柱腳和次結(jié)構(gòu)柱柱腳）安裝定位測量、桁架柱安裝定位測量、次結(jié)構(gòu)柱（包括排水柱、樓梯柱）安裝定位測量、桁架梁安裝定位測量。各類構(gòu)件的大小、形狀和定位條件都不一樣，雖然都用三維坐標定位，在具體的操作方法上還是不完全一樣的（見圖9、圖10、圖11）。


    4.2柱腳定位測量
    柱腳是整個鋼結(jié)構(gòu)式工程中最基礎的部位，其他的柱、梁等都是從這個基礎上來進行安裝的。其安裝質(zhì)量的好壞，精度的高低不僅影響后續(xù)構(gòu)件的安裝精度，可能還會影響到后續(xù)安裝工作的順利進行。柱腳頂面上雖然可以設置軸線，但軸線長度較短，只有兩米左右，安裝時如軸線的方向偏稍微大一點，就會影響桁架柱上部連接桁架梁的4個牛腿的軸線產(chǎn)生方向偏差，在后續(xù)安裝桁架梁時會使其軸線的方向偏差越來越大，每榀桁架梁都長達100多米，嚴重的可能性會出現(xiàn)失之毫厘差之千里的現(xiàn)象，影響到鋼結(jié)構(gòu)工程的合攏，輕則會使桁架梁出現(xiàn)較大的側(cè)彎，也會影響其他構(gòu)件的安裝。對此測量、安裝人員在安裝時一次又一次地觀測，一毫米一毫米地調(diào)整，將軸線點偏差調(diào)整到3毫米以下。為桁架柱、桁架梁的安裝及鋼結(jié)構(gòu)工程的順利合攏打下了良好的基礎。
    4.3桁架柱定位測量
    24個桁架柱的高度在40米到67米之間，由棱形內(nèi)柱和一個兩個外柱通過腹桿連接構(gòu)成，每個桁架柱分兩段起吊安裝，最重的安裝構(gòu)件重達360多噸。其特點是高度高，上大下小，牛腿和端口多。有的端口與桁架梁對接，還有的是與立面和肩部的次結(jié)構(gòu)連接。它的安裝定位測量主要是調(diào)整棱形內(nèi)柱的垂直度、牛腿和端口的位置符合要求 ，以便于和其他構(gòu)件對接。
    由于桁架柱是分兩段安裝，安裝定位測量也相應分兩次進行。用檢查棱形內(nèi)柱兩相鄰棱線的垂直度來對內(nèi)柱進行調(diào)整。在內(nèi)柱兩對角線方向上架設儀器，瞄準棱線上、下端調(diào)整到其偏差小于千分之一柱高并小于35毫米。同時轉(zhuǎn)動柱體調(diào)整牛腿的方向到設計方向，并測量牛腿角點的三維坐標并調(diào)整到符合設計要求。
    立面次結(jié)構(gòu)柱（包括排水柱、樓梯柱）都是傾斜的，不能用軸線而只能通過端口角點坐標來安裝定位，也不能直接用垂直度的指標來檢查和衡量次結(jié)構(gòu)柱的安裝精度和質(zhì)量。參照直柱的傾斜度規(guī)定，我們用次結(jié)構(gòu)柱頂端口角點平面坐標偏差來衡量其安裝精度和質(zhì)量，用位移矢量35毫米這一指標來控制。
    4.4屋面主桁架梁定位測量
    國家體育場鋼結(jié)構(gòu)式工程的屋面是由24榀主桁架梁相互交叉形成一個格網(wǎng)狀，中間開口，主桁架梁上、下弦之間高度達12米多，桁架梁之間還有次結(jié)構(gòu)式相連。整個屋面桁架梁共分成182段安裝，雖然每個安裝構(gòu)件的重量比桁架柱輕，但牛腿多，既要保證桁架梁軸線位置和桁架梁的垂直度符合規(guī)范要求，又要使桁架梁上、下弦兩邊的牛腿精確定位，以便后續(xù)安裝時能與次結(jié)構(gòu)順利對接要求接口的焊縫偏差不能大于3毫米。安裝一段桁架梁并要達到上面的要求需要測量的安裝人員反復觀測、調(diào)整。司鏡人員則要在50米～60米高的地方反復測量各個端口（或牛腿）位置，直到構(gòu)件安裝精度符合規(guī)范要求。
    鋼結(jié)構(gòu)桁架梁結(jié)構(gòu)面沒有一個是平面，無法在桁架梁件構(gòu)面上設置軸線或軸線點，也就不能用軸線來定位并控制、檢查軸線偏差。經(jīng)過仔細分析和認真研究，我們認為雖然軸線位于桁架梁上、下弦的中心，是虛擬的，也不能投影到某一個結(jié)構(gòu)面上。但上、下弦兩端端口角點與軸線有固定的幾何關系，他們之間是絕對相關的關系。我們不僅可以用角點坐標來定位，還可以用角點的坐標偏差計算出該端口的軸線位置偏差。端口角點的標高偏差就是軸線的標高偏差，而將角點的平面坐標偏差通過計算，分解成一個垂直于軸線的分矢量和一個平行于軸線的分矢量，觀測后現(xiàn)場計算、調(diào)整。這樣解決了桁架梁軸線偏差的控制和檢查問題。
    5結(jié)束語
    在國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程的施工測量中，一些新技術、新方法和高精度的測量儀器得到了廣泛的應用，如在電腦中用轉(zhuǎn)換三維模型的方法來實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)安裝構(gòu)件的坐標變換，以便于在地面建立胎架和拼裝構(gòu)件，按過去用手工計算的方法來作三維坐標變換是不可想象的。另外，在國家體育場施工測量中還應用衛(wèi)星定位系統(tǒng)、激光跟蹤儀、激光掃描儀、智能全站儀及數(shù)字水準儀等，對快速建立高精度大型工程三維控制網(wǎng)的方法和精度、對精密空間放樣測設技術的精度和方法、對大型或特殊工程設施的空間形態(tài)進行實時或準實時的精確檢測和完整記錄以及動態(tài)與靜態(tài)變形監(jiān)測等進行研究，都取得了良好成果。 這些新技術、新方法的廣泛應用不僅提高了施工質(zhì)量和進度，也體現(xiàn)了“科技奧運”、“數(shù)字奧運”的理念和宗旨。

    參考文獻
    [1] 中華人民共和國國家標準，工程測量規(guī)范（GB50026-93）
    [2] 北京市標準，建筑工程施工測量規(guī)程（DBJ01-21-95）
    [3] 北京城建集團企業(yè)標準，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準（QB/GJJT-GTCG-2005）
    [4] 北京城建集團國家體育場工程總承包部，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工控制測量實施方案，2005，8
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