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        國家體育場鋼結構施工測量技術研究與實踐
        
                                  
                    
        作者：建筑鋼結構網(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）鋼結構外形奇特、形體巨大、結構復雜，施工測量難度大，本文結合工程實踐介紹了控制測量、鋼構件組裝測量和高空拼裝定位測量等的基本內容和方法，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。它由鋼結構組件相互支撐，形成網(wǎng)格狀構架，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、結構復雜。其鋼結構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。國家體育場鋼結構由24個主桁架柱、24榀主桁架梁、16架內環(huán)立體桁架梁及立面次結構、屋面次結構、樓梯、馬道和天溝等構件組成；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。
          
國家體育場鋼結構的構件形狀復雜，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)國家體育場鋼結構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、構件現(xiàn)場拼裝測量、桁架柱和桁架梁安裝定位測量、次結構的安裝定位測量、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。經過踏勘并結合施工場地布置圖和國家體育場的結構形狀，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，內場所4個）組成的平面和高程鋼結構施工控制網(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，鋼結構施工采用在工廠加工成較小的拼裝構件，再在現(xiàn)場將小的拼裝構件在胎架上拼裝成大的按裝構件，然后再進行吊裝。因此，現(xiàn)場拼裝測量的構件多，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、次結構拼裝測量、樓梯拼裝測量等。因為每一個構件不僅形狀奇特，各個構件的大小、形狀、結構各不相同，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)不同構件的大小、形狀和結構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)所拼裝的按裝構件的設計坐標建立拼裝控制網(wǎng)。選擇所拼裝構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)結構的軸線來進行加工、拼裝、放樣和安裝定位，國家體育場鋼結構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，有些安裝構件象桁架柱和肩部次結構等，則應進行坐標轉換，轉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換構件的模型的方法平實現(xiàn)。
          
每一個安裝構件都要和它周邊的幾個構件進行對接，一個安裝構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件的對接，也會使后續(xù)安裝的構件不能順利對接，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整，直到符合設計和規(guī)范要求。
          
4構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件的軸線來進行定位，而只能依據(jù)安裝構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。
          
整個鋼結構工程是由柱腳、桁架柱、次結構柱、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，直接影響周邊構件的安裝，也會間接影響到其他部位構件的安裝?？芍^牽一發(fā)而動全身。
          
安裝構件的安裝定位測量主要有柱腳（包括桁架柱柱腳和次結構柱柱腳）安裝定位測量、桁架柱安裝定位測量、次結構柱（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
          
柱腳是整個鋼結構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。其安裝質量的好壞，精度的高低不僅影響后續(xù)構件的安裝精度，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，影響到鋼結構工程的合攏，輕則會使桁架梁出現(xiàn)較大的側彎，也會影響其他構件的安裝。對此測量、安裝人員在安裝時一次又一次地觀測，一毫米一毫米地調整，將軸線點偏差調整到3毫米以下。為桁架柱、桁架梁的安裝及鋼結構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，由棱形內柱和一個兩個外柱通過腹桿連接構成，每個桁架柱分兩段起吊安裝，最重的安裝構件重達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構連接。它的安裝定位測量主要是調整棱形內柱的垂直度、牛腿和端口的位置符合要求 ，以便于和其他構件對接。
          
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。用檢查棱形內柱兩相鄰棱線的垂直度來對內柱進行調整。在內柱兩對角線方向上架設儀器，瞄準棱線上、下端調整到其偏差小于千分之一柱高并小于35毫米。同時轉動柱體調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整到符合設計要求。
          
立面次結構柱（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構柱的安裝精度和質量。參照直柱的傾斜度規(guī)定，我們用次結構柱頂端口角點平面坐標偏差來衡量其安裝精度和質量，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
          
國家體育場鋼結構式工程的屋面是由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構式相連。整個屋面桁架梁共分成182段安裝，雖然每個安裝構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)安裝時能與次結構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，直到構件安裝精度符合規(guī)范要求。
          
鋼結構桁架梁結構面沒有一個是平面，無法在桁架梁件構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構面上。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、調整。這樣解決了桁架梁軸線偏差的控制和檢查問題。
          
5結束語
          
在國家體育場鋼結構工程的施工測量中，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，如在電腦中用轉換三維模型的方法來實現(xiàn)鋼結構安裝構件的坐標變換，以便于在地面建立胎架和拼裝構件，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
          
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[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，國家體育場鋼結構工程施工質量驗收標準（QB/GJJT-GTCG-2005）
          
[4] 北京城建集團國家體育場工程總承包部，國家體育場鋼結構施工控制測量實施方案，2005，8
          
          
		  
          				
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