GPS技术在高层建筑物轴线监测中的应用.pdf

第 2 7卷 第 4期 重 庆 建 筑 大 学 学 报 V o 1 ． 2 7 N o ． 4 2 0 0 5年 8月 J o u r n a l o f C h o n g q i n g J i a n z h u U n i v e r s i t y A u g ． _2 0 0 5 G P S技术在高层建筑物轴线监测 中的应用 刘 星 ， 姚 刚 ， 王 吉 明 重 庆大学土木工程学 院 ， 重庆4 0 0 0 4 5 摘要 为 了满足现代施 工需求， 本文结合 G P S技 术对重庆大学教 学主楼轴线 垂直度 进行监 测 的工程 实例 ， 对这项技 术的 应 用情 况进 行 阐述 。结 果表 明 ， 在 高层 建 筑施 工 中， 应 用 GP S进 行 轴 线 监 测 是 一 种 行 之 有 效 的 方 法 。 关键词 高层建筑物；G P S技 术；垂直度 ；轴线监测 中图分类号 1 2 2 8 ． 4； T U1 9 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 7 3 2 9 2 0 0 5 0 4 0 1 2 9 0 4 Ap p l i c a t i o n o f GP S T e c h n o l o g y i n Hi g hr i s e Bu i l d i n g Ax i s Mo n i t o r i n g L I U Xi n g ，YAO Ga n g ，W ANG J i mi n g C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g， C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5， P ．R ．C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o me e t t h e m o d e m c o n s t r u c t i o n d e ma n d ，i n t h i s p a p e r ， w i t h t h e p r o j e c t w h e r e t h e G P S t e c h n o l o g y u s e d t o mo n i t o r t h e a x i s o f m a i n t e a c h i n g b u i l d i n g o f C h o n g q i n g U n i v e rsi t y v e r t i c al i t y ， t h e a p p l i c i o n o f th i s t e c h n o l o gy i s e x p o u nd e d． T he r e s u l t i n d i c a t e s，i n h i g hris e c o n s t r u c t i o n，i t i s a ki n d o f e ffe c t i v e me t ho d t o u s e GP S t o c o n t r o l t he ax i s ． ． Ke ywo r d sHi g h ris e b ui l d i n g；GPS t e c h n o l o gy ；Ve r t i c a l d e g r e e；ax i s mo ni t o rin g 在高层建筑施工 中， 轴线和垂直度控制是施工质量控制的重点之一 J 。目前 ， 高层建筑施工平面 基准传递的常用方法有 吊锤法、 经纬仪交会法、 激光铅直仪投点法和精密天顶基准法等。重庆大学教 学主楼工程为高层建筑 ， 吊锤法基准传递受风力和建筑物 自振等 因素的干扰 ， 其精确度受到影响 ； 经纬 仪交会法因 自下而上逐层进行 ， 存在误差积累问题 ； 激 光铅直仪投 点法随建筑物高度的增加 ， 光斑和光 斑轨迹所形成的近似圆也逐步增大， 确认其垂心可靠性变差 ； 精密天顶基准法对施工环境的光线、 通视 等的要求高。要保证其测量放样的精确度或施工环境 的要求 ， 采用上述方法 ， 需要采用一些附加措施 ， 这无疑会对整个工程 的施工进度 、 质量 、 成本等造成影响。 G P S技术作为一种全新的定位手段 。 在工程控制测量 中已逐步得 到使用 ， 其技术 的先进性、 优越性 已为众多的工程技术人员所认 同_ 】 - 3 , 6 ] 。G P S定位技术精度高、 速度快 ， 全天候 ， 无需通视 ， 点位不受 限 制 ， 并且误差不积累 ， 可同时提供平面和高程的三维位置信息。因此 ， 用 G P S技术对建筑物轴线进行控 制 ， 将能更好地满足高层及超高层建筑工程的施工需要 。 1 工程概况 重庆大学主教学楼位于重庆大学 A区校 园中部 ， 建筑 面积 7 0 0 3 2 m ， 占地面积 1 2 0 0 0 m ， 其 中主 楼平面为 3 8 ． 2 0 m 4 1 ． 1 0 m1 5 7 0 m ， 主楼高 1 2 1 ． 3 0 m； 裙楼一 2 0 ． 3 0 m； 裙楼二 2 3 ． 5 0 m， 地上 共 2 9层 图 1 。该教学楼属于永久性高层建筑物。根据本工程技术特点 ， 为对建筑物轴线进行监测 ， 首先在施工区域外选择多个控制点 ， 以构成 G P S基准控制 网， 作为重庆大学教学主楼的轴线控制基准 ， } 收稿 日期 2 0 0 50 42 2 作者简介 刘星 1 9 6 3一 ， 男 ， 重庆人， 讲师， 主要从事工程测量研究。 1 3 0 重 庆 建 筑 大 学 学 报 第2 7卷 称这些 G P S基准控制点为外控点。在转换层建立轴线控制坐 标系， 对标准层开始楼层 、 标准层 中间楼层 、 标准层结束楼层 进行了三次轴线检测。 2 轴 线控 制坐标 系的建 立 2 ． 1 外控点的建立 外控点作为建筑物 的轴线控制的基 准 ， 对 于平 面控制 而 言 ， 必要起算数据为 4个 ， 所 以至少需要 2个基准点。为 了使 每次检测施工放样 轴线 时有检核条件 ， 所 以应保证 3个基准 控制点。为 了不影响施工进度 ， 考虑夜间进行校核工作 ， 而有 些基准控制点夜间无法使用 ， 基准点宜布设 4个以上。 图 1 重庆大学主教学楼效果图 根据施工现场附近 良好 的地质条件 ， 认为施工 现场的围墙外是稳 定的。G P S基准控制网应该布设在围墙外 ， 但也不必太远 ， 以便于施测 ， 同时 ， 较小 的网可能有更高 的精度。外控点应该大致形成一个以主教学 楼为中心的圆圈， 不能偏于一侧 ， 以保证 良好的图形结构 。同时 ， 为了不 受施工车辆的干扰 ， 外控点均远离现场 1 0 0 m 以上 。校 园内绿化覆盖率 达 8 0 ％ ， 现场附近有不少高楼 ， 外控点应远离大树和建筑物 以避免较强 的多路径效应 。经过踏勘分析论证 ， 我们布设 了位于教学主楼附近的图 书馆 G P S 0 1 、 外语学院大楼 G P S 0 2 、 印刷厂大楼 G P S 0 3 、 教师住宅 G P S 0 4 、 钟楼 G P S 0 5 五个基准控制点 下称外控点 ， 该五个外控点 图 2 重庆大学教学 主楼 G P S外控点分布略图 构成了图形条件好 、 可靠性高的 G P S基准控制网 图 2 。图 2中， 5个外控点 中， 除 G P S 0 5号位于喷水 池边较为开阔的地面上外 ， G P S 0 1 、 G P S 0 2 、 G P S 0 3、 G P S 0 4四个点均位于楼顶上 ， 楼房均是钢筋混凝 土结 构 ， 比较坚固， 非常稳定。其中 G P S 0 5号点距离施工区域最远 ， 约 3 0 0 m。标石采用混凝土现场浇制 ， 标 石面 2 0 c m 2 0 c m， 露出地面或者楼顶 5 c m。标志采用 5～ 6 c m长的刻有十字丝 的钢筋头。所有点均 可长期使用。 2 ． 2 轴线控制坐标系的建立 在主楼转换层 ， 施 工单 位提供 了 A、 B、 C、 D 四个 内控点 图3 。该四个 内控点是用激光准直仪投影到转换层上 ， 并作 好墨线标志， 用钓鱼线将 内控点沿墨线标志交 出内控点 中心。 以四个内控点 坐标 值的相对关 系作 为基准起算数据 ， 建立轴 线控制坐标系 。并将五个外控点 的坐标换算到该轴线控制坐 标系中， 从而统一了测量 的基准。 ㈡ ㈡ _c 马 I B ＼ i ＼ ＼ D ＼f M 图 3 重庆大学教学主楼 G P S检 测内控点图 式中 A ， B 为 P点在施工坐标系下的坐标 ； A 。 ， B 。为测量坐标系的原点在施 工坐标系下的坐标 ； ， 为 P点在测量坐标系下的坐标 ； O ／ 为施工坐标系和测量坐标系的旋转角 。 2 ． 3首期 G P S施测 2 0 0 3年 1 2月 2 3日进行 了外控点与主楼轴线内控点 的联测 。此次观测 ， 采用 了3台 T r i m b l e 4 6 0 0 l s G P S接收机与 4台 A s t e c h P r o ma r k 2接收机相结合 ， 对施工方所提供 的 4个 内控点与 4个外围控制点进 行 了同步观测 1 4 0 mi n的连续测量 图 4 。 在数据处理时 ， 采用 m b l e 公 司的随机解算软件 T G O1 ． 6 2对采样数据进行 了处理。首先对 外围 控制点所形成的控制 网进行数据处理 ， 然后对外围控制点与主楼轴线 内控点所形成联测网进行计算 ， 求 取外部基准 网与内部控制点的坐标换算参数 ， 从而建立了重庆大学主教学楼轴线控制坐标系 图 5 。 第4期 刘 星 ， 等 G P S技术在 高层建筑物轴线监测 中的应用 1 3 1 3 主楼轴线 G P S检测报告 3 ． 1 施测情况 2 0 0 3年 1 2月至2 0 0 4年 6月 ， 在建筑施工主体工程上升到标 准层开始楼层 3 9 ． 6 0 i n 、 标准层 中间楼层 7 2 ． 5 0 i n 和标 准层 结束楼层 9 9 ． 0 5 i n 时共实施 了 3次主楼轴线 G P S监 控工作。 施工单位用激光垂准仪把内控点 A、 B、 C、 D投影到本层楼面上 ， 并作好墨线标志。观测时 ， 用钓鱼线将内控点沿墨线标志交出内 控点中心 ， 并用专用 的玻璃板 板上有十字丝分划线 确定其投 影 中心 。为了更好地分析比较内控点成果的精度 ， 我们采用 3台 G P S 0 1 ， 『 ／ 嚣 篆 P静ro m态 a 图 4 ⋯与 拖 示 意 图 机 ，对 内 控 点 和 外 控 点 组 成 的 网 进 行 观 测 静 态 定 位 模 式 。 同 一 ～ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ～ 一 ⋯ ⋯ 步 2个时段的观测， 各观测时段的时间长度为 4 5～ 6 0 m i n不等 ， 数据采 样间隔为 1 0 s ， 卫星高度角限值为 1 5 。 ， 卫星分布几何精度因子 P D O P不 大于 6 ， 各点平均重复设站数大于 2次。全网设计独立 基线 1 0条 ， 构成 独立异步环 6个 图 2 。观测过程中 ， 严格按照规范执行要求进行仪器 的置平 、 对 中和丈量天线高。 观测数据采用随机软件 G P S u r v e y进行基线解算 ， 外业工作结束后 及时下载数据 ， 进行基线解 算 ， 对构成的同步环进行检验 。在基线解算 ， 过程 中， 对少量数据进行了人工干预 涉及残差较大 和周跳较多 的观测 数据 ， 对其卫星进行删除或截取有效时段 ， 以保证基线解算 的正确性和 可靠性 。 3 ． 2数据 对 比分 析 图 5 重大 主楼轴线 控制坐标系 在施工的不同阶段分别进行了第一 、 二 、 三期观测 ， 并将各期观测结果转换到统一的施工坐标系下 ， 与设计值比较 表 1 。 ’ 表 1 轴 线坐标计算分析 表 1 3 2 重 庆 建 筑 大 学 学 报 2 7卷 按重力矩法 ， 可计算一 、 二 、 三期建筑物实际形心与设计形心 的坐标差 A x∑m x ,i t ／ 4 南北方向 △ y∑△ y i ／ 4 西东方向 则总体偏差为 s 可 计算垂直度 K s ／h 按照上述公式 ， 计算垂直度得表 2 。 表 2 垂直度计算 分析表 4 结束语 1 根据 目前对高 超高 层建筑物垂直度控制 的一般规定 垂直度 ≤H ／ 1 0 0 0～ H ／ 3 0 0 0， 总偏 差 s ≤5 0 mm。表 2数值小于这个限差要求 。因此 ， 应用 G P S静态相对定位技术 ， 能进行高层建筑物轴 线监控 ， 并能够达到传统激光准直法轴线放样精度 ， 进行建筑物垂直度的检测。 2 通过本次实践表明， 应用 G P S技术实施高层建筑 的轴线控制具有常规方法无法 比拟 的优越性 ， 井可避免分阶段进行轴线传递而 引起的误差 积累。基 于 G P S技术的的外控法对建筑物 的轴线进 行检 测 ， 受施工干扰影响小 的特点 ， 同时 G P S定位的高精度 、 快速度 、 工作方式灵活等特性会越来越明显 ， 是 一 种值得推广应用的新方法。 参考文献 [ 1 ] 徐绍铨． G P S测量原理及应用[ M] ． 武汉 武汉测绘科技大学出版社， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 姚刚， 刘星， 张希黔． 高层建筑施工 G P S测量的技术设计与应用[ J ] ． 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 4， 1 1 0 51 0 7 [ 3 ] 王惠南． G P S导航原理与应用[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 3 ． [ 4 ] 张希黔， 黄声享， 姚刚． G P S在建筑施工中的应用[ M] ． 北京 中国建筑工业出版社。 2 0 0 3 ． [ 5 ] 张宏胜． G P S在超高层建筑施工中应用探讨[ J ] ． 重庆建筑大学学报 ， 2 0 0 0， 2 2 3 1 2 21 2 4 ． [ 6 ] 姚刚． G P S在土木工程施工领域的应用现状与展望[ J ] ． 施工技术 ， 2 0 0 2 ， 3 1 2 4 85 0 ． [ 7 ] 姚刚． 高层建筑施工 G P S测量的误差分析[ J ] ． 建筑技术开发 ， 2 0 0 2 ， 2 9 1 0 9 6 9 8 ．