《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》是中建一局建設發展公司、中建一局鋼結構工程有限公司、中建一局華中建設有限公司、河北建工集團有限公司完成的建築類施工工法；作者分別是張勝良、馮世偉、陸靜文、安占法、王喜國、郭天宇；適用範圍是複雜形狀、複雜環境的鋼結構節點三維空間定位測量，特別是體育場館等不規則鋼結構節點的三維空間定位測量。
《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》主要的工法特點是作業效率高；精度高；設站靈活。
2008年1月31日，《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家二級工法。
基本介紹
- 中文名：空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法
- 工法編號： YJGF162-2006
- 完成單位：中建一局建設發展公司、中建一局鋼結構工程有限公司、中建一局華中建設有限公司、河北建工集團有限公司
- 主要完成人：張勝良、馮世偉、陸靜文、安占法、王喜國、郭天宇
- 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
- 主要榮譽：國家二級工法（2005-2006年度）
形成原因,工法特點,操作原理,適用範圍,工藝原理,施工工藝,材料設備,質量控制,安全措施,環保措施,效益分析,套用實例,榮譽表彰,
形成原因
隨著建築工程技術的進步，延性多面體空間鋼框架結構等套用越來越多、造型越來越複雜。如何保證不規則鋼結構三維空間精確測量定位是一個新的技術課題。
在中國之外，一些已開發國家利用測量機器人進行三維空間自動測量，但造價昂貴。在中國國內，解決這一問題的方法有兩種：一是GPS-RTK，其精度在2-3厘米左右，與施工要求的5毫米有很大差距；二是兩台經緯儀進行交會，這種方法在通視條件惡劣的施工現場難以達到。
國家游泳中心工程結構桿件異常複雜和多樣，僅桿件總數就有20670根，焊接球9843個，且只有1%的桿件有規律性，99%的桿件其型號和節點都不一致，桿件及節點總重量約6300噸，且現場通視條件差。為了保證測量的精確性，中建一局建設發展公司經過多次試驗論證後將桿件節點三維空間坐標分解為二維平面坐標和高程，採用高精度的Leica全站儀對節點進行平面定位測量；採用高精度水準儀控制其高程；並在節點球上標出桿件連線位置，保證桿件中心線穿過節點球中心，快速高效地完成了國家游泳中心的鋼結構三維空間定位測量工作。為此，中建一局建設發展公司編制了《空間鋼結構三維節點快速定位測量施工工法》。
工法特點
《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》的工法特點是：
1.作業效率高
該工法測量作業操作與鋼結構安裝人員配合簡便有效，及時滿足現場鋼結構安裝需要。採用常規方法每天只能測量校正5-6個球節點；採用該工法測量，球節點測量安裝速度每天可達到60~70個，提高作業效率，大大加快施工進度。
2.精度高
由於全站儀與計算機實現雙向通訊，測量數據自動傳輸到全站儀記憶體，系統實時計算出點位坐標和偏差信息數據，保證桿件節點連線安裝的準確性。
3.設站靈活
因為全站儀設站靈活，可以在不同的現場條件下選擇最佳位置設站，減少其他工序對測量的干擾，反之也減少了測量對其他工序的干擾。
操作原理
適用範圍
《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》適用於複雜形狀、複雜環境的鋼結構節點三維空間定位測量，特別是體育場館等不規則鋼結構節點的三維空間定位測量。
工藝原理
《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》的工藝原理敘述如下：
將鋼結構節點三維空間坐標簡化為二維平面坐標和高程，採用高精度的Leica全站儀對節點進行平面定位測量，採用高精度水準儀控制其高程。精確計算節點球與桿件的安裝連線數據，在節點球上標出連線記號，按照節點球上標記安裝桿件；保證桿件中心線過球中心。
施工工藝
- 工藝流程
《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》的工藝流程是：
測量方案設計→控制測量→計算各樣點坐標並存入全站儀記憶體建立資料庫→球節點三維空間定位測量→桿件就位測量→三維空間位置複測校核及誤差消除。
- 操作要點
《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》的操作要點如下：
一、測量方案設計
鋼結構安裝的關鍵是要保證球節點和桿件的準確連線，因此節點定位測量的重點就是保證桿件中心線通過球中心點。
空間鋼結構三維節點定位測量思路：採用高精度測量儀器進行球節點的空間三維定位，按照節點球上標記安裝桿件，保證桿件中心線過球中心。
精度分析。在鋼結構定位測量中，影響定位測量精度的主要是點位的平面定位精度，而影響平面定位精度的因素主要是測角誤差和測距誤差。
採用標稱精度為1”2毫米+2ppm的全站儀，設控制點至放樣點距離為D=80米，方位角為α=40°，觀測豎直角β=2°，則放樣點的點位誤差計算：
放樣點X方向精度：
mX=0.00155346=1.55毫米，
放樣點Y方向精度：
mY=0.0013204=1.32毫米，
設站點的點位誤差在2毫米時，放樣點的點位誤差：
精度分析說明，選用的儀器設備和測量放樣方法切實可行，放樣點的點位精度滿足《鋼結構工程施工質量驗收規範》GB 50205-2001中關於節點球中心偏移±5.0毫米的施工精度要求。
二、控制測量
1.平面控制測量
1）針對建築工程施工的實際情況，通常採用導線測量的方法建立平面控制網。
2）為保證控制點的相對精度，導線邊長相對中誤差應控制在1/40000以上。導線點相互之間距離不應太遠，導線平均邊長控制在100米。
3）導線點要根據現場實際情況布設，導線點與放樣點的距離宜控制在80米之內，最遠不應超過100米。
4）導線等級採用《建築施工測量技術規程》DB11/T 446-2007中的一級導線，導線角度和邊長各觀測二個測回。
5）導線水平角觀測一般採用方向觀測法。當導線點上只有兩個方向時，以奇數測回和偶數測回分別觀測導線前進方向的左角和右角，觀測右角時仍以左角起始方向為準變換度盤位置。
6）採用全站儀觀測水平角，各測回間可不配置度盤。
7）導線邊長測量，各測回間應重新照準目標，每測回三次讀數。各測回間平均值的較差應小於3毫米。
8）導線內業平差採用嚴密平差方法計算。
2.高程控制測量
1）針對建築工程施工的實際情況，通常採用水準測量的方法建立平面控制網。
2）水準測量等級採用《建築施工測量技術規程》DB11/T 446-2007中的四等水準，中絲讀數法，每站觀測順序為“後一後一前一前”。
3）水準測量採用符合水準路線，每一測段測站數應為偶數。
4）水準測量應在成像清晰、穩定時進行，同一測站不應兩次調焦。
三、計算各放樣點坐標並存入全站儀記憶體建立資料庫
以放樣節點1、節點2以及中間連線桿為例：要計算出桿件與球體接觸面的弧長、兩端節點球頂點高差、相鄰球節點平面投影相對距離、相鄰球節點相對距離等數據，並將此數據與控制點坐標數據輸入全站儀記憶體。
1.鋼結構桿件與兩端節點球數據計算
圖1 桿件與節點球數據計算示意圖
圖2 相鄰球節點平面投影距離計算示意圖
桿件與1號節點球連線點1之間弧長
，
。
桿件與2號節點球連線點2之間弧長
，
。
桿件兩端節點球頂點高差
，
。
2.相鄰球節點平面投影相對距離計算相鄰球節點平面坐標增量
相鄰球節點平面投影相對距離：
3.相鄰球節點相對距離計算
4.全站儀設站點O至放樣點P三維坐標計算
坐標增量計算：
三維坐標計算：
四、球節點三維空間定位測量
1.在進行球節點空間三維定位時，首先將節點球和桿件垂直投影到水平面上，將節點球中心三維坐標（X、Y、Z）分解為平面二維坐標（X、Y）和高程坐標（Z）。
圖3 三維坐標數據數據計算示意圖
圖4 三維坐標投影分解示意圖
2.採用全站儀自動測量對節點球中心（X、Y）進行平面定位。
1）在控制點架設全站儀，並後視另一控制點，鎖定全站儀制動螺旋。
2）將控制點坐標、放樣點坐標等計算數據輸入全站儀記憶體，調用全站儀內置程式自動計算控制點至各放樣點的方位角、距離等測量數據。
3）啟用全站儀自動跟蹤測量程式，鬆開全站儀制動螺旋，全站儀自動測量放樣點並指揮安裝人員將節點球進行水平位置就位。
3.採用水準儀測量球節點高程，並將節點球調整到設計高度。
五、桿件就位測量
1.在節點球和桿件安裝前，首先按照設計圖紙對各節點球和桿件進行編號，保證節點球和桿件一一對應安裝。
2.根據互相連線的節點球半徑R和桿件投影計算桿件與節點球連線角度、弧長等數據。
3.使用特製的全圓儀等工具在球面上放樣桿件與節點球連線點並做好標記。
4.節點球安裝就位後，依照編號一一對應連線點標記安裝連線桿件。
圖5 節點球表面連線標記放樣示意圖
六、三維空間位置複測校核及誤差消除
1.為保證桿件中心線準確通過節點球中心，應分別複測相鄰節點的距離和高差。
1）使用50米鋼尺丈量相鄰節點的相對距離，讀數到毫米。
2）使用水準儀測量相鄰節點的高差，讀數到毫米。
2.空間鋼結構三維節點測量的誤差影響因素
1）誤差累積。在測量過程中，由測量人員操作誤差、測量儀器本身誤差等誤差源會傳導和累積到定位點。
2）鋼結構焊接。鋼結構焊接會引起鋼結構構件的尺寸變化，進而產生誤差。
3）日照影響。太陽光的日照對鋼結構構件會產生位移變化，產生誤差。
4）溫差影響。由於鋼構件隨著溫度變化而出現熱脹冷縮現象，影響測量精度，產生誤差。
3.誤差的消除
1）固定測量操作人員和測量儀器，減小測量誤差。
2）測量時間安排控制。安排好測量外業作業時間儘量保證前後作業時間段的外界條件一樣，如氣溫、氣壓、風力等。
3）剩餘誤差處理。平面定位誤差按照相鄰節點球和桿件的距離為權值大小進行分配消除，高程定位誤差按照各節點球之間高差為權值大小進行分配消除。
4.放線要求。對鋼結構放線不採用墨斗彈線，應採用鋼沖打點和鋼針劃線。
- 人員組織
測量人員的技術能力水平是《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》空間鋼結構三維節點定位測量的基礎和關鍵因素，基本人員構成：
高級工程師1名，負責整體測量方案策劃，施工組織管理。
工程師2名，1人負責現場測量技術管理，方案深化，數據準備；1人負責現場作業組織管理，現場安全、質量管理。
助理工程師2名，分別負責平面坐標定位測量與高程定位測量；
作業人員若干名，負責現場測量作業，根據工程進度和測量工作量多少增減數量。
材料設備
《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》所用的材料及設備明細如下：
1.基本儀器設備，各種儀器設備經檢定合格並在檢定有效期內。
序號 | 名稱 | 型號 | 精度指標 | 數量 |
1 | 全站儀 | Leica TCRA 1201 | 1"2毫米+2ppm.D | 1 |
2 | 經緯儀 | Topcon | 2" | 1 |
3 | 水準儀 | Topcon | 2.5毫米/千米 | 1 |
4 | 鋼尺 | 50米 | 1毫米 | 1 |
5 | 鋁合金塔尺 | 5米 | 1毫米 | 1 |
6 | 盒尺 | 5米 | 1毫米 | 4 |
7 | 線墜 | ╱ | ╱ | 3 |
8 | 鋼沖 | ╱ | ╱ | 1 |
9 | 鋼針 | ╱ | ╱ | 1 |
10 | 對講機 | ╱ | ╱ | 4 |
2.全站儀的主要性能
全站儀型號為Leica TCRA 1201，主要技術性能指標如下：
序號 | 項目 | 技術性能 |
1 | 儀器精度 | 1" 2毫米+2ppm.D |
2 | 角度測量 | 絕對條碼對徑度盤連續測角，精度1"，最小顯示0.1" |
3 | 距離測量 | 同軸紅外相位測量，精度2毫米+2ppm，最小顯示0.1毫米 |
4 | 無稜鏡測距 | 無稜鏡測距最大測程300米 |
5 | 補償器 | 集成液體雙軸補償，補償範圍4' |
6 | 望遠鏡 | 放大倍數30倍 |
7 | 作業環境溫度 | -20℃至+50℃ |
8 | 自動跟蹤測量 | EGL電子導向 |
9 | 記憶體 | 128兆記憶體，RS232輸出 |
質量控制
《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》的質量控制要求如下：
1.質量要求按《建築施工測量技術規程》DB11/T 446-2007和《鋼結構工程施工質量驗收規範》GB 50205-2001等規範執行。
2.導線的主要技術要求
等級 | 導線長度 千米 | 平均邊長 米 | 測角中誤差" | 邊長相對中誤差 | 全長相對閉合差 | 方位角閉合差" |
一級 | 2.0 | 100 | ±5 | 1/40000 | 1/20000 | ±  |
註：n為測站數。 | ||||||
3.水準測量的主要技術要求
每千米高差中數偶然中誤差m△ 毫米 | 儀器型號 | 水準標尺 | 與已知點聯測次數 | 往返較差、符合線路或環線閉合差毫米平地 |
±5 | S2.5 | 雙面 | 往、返 | ±  |
註：n為測站數。 | ||||
4.節點球支承面頂板、節點球位置的允許偏差（毫米）
項目 | 最大允許偏差 | |
支承面頂板 | 位置 | 15.0 |
頂面標高 | 0 -3.0 | |
頂面水平度 | L/1000 | |
節點球 | 中心偏移 | ±5.0 |
5.鋼框架結構安裝的允許偏差（毫米）
項目 | 最大允許偏差 |
縱向、橫向長度 | L/2000，且不應大於30.0 -L/2000，且不應大於-30.0 |
支座中心偏移 | L/3000，且不應大於30.0 |
周邊支承網架相鄰支座高差 | L/400，且不應大於15.0 |
支座最大高差 | 30.0 |
多點支承網架相鄰支座高差 | L1/800，且不應大於30.0 |
注∶L為縱向、橫向長度；L1為相鄰支座間距。 | |
安全措施
採用《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：
1.嚴格遵守施工現場安全管理規定。
2.測量人員進入施工現場時首先進行安全培訓，並進行書面安全交底。
3.進入施工現場必須佩帶好安全用具，安全帽戴好並系好帽帶；不得穿拖鞋、短褲及寬鬆衣物進入施工現場。
4.作業人員處在建築物邊沿等可能墜落的區域應佩帶好安全帶，並掛在牢固位置，未到達安全位置不得鬆開安全帶。
5.在場內、場外道路進行作業時，要注意來往車輛，防止發生交通事故。
6.在建築物外側區域作業時，要注意作業區域上方是否交叉作業，防止上方墜物傷人。
7.觀測作業時拆除的防護網及護欄應及時恢復。
8.作業之前對作業人員進行安全講話，每周向該工程測量人員進行書面安全交底，保證作業過程中的安全。
9.儀器設備在運送過程中，儀器攜帶者應將儀器放在車廂上或穩定的位置。儀器裝箱時，應按規定位置安放，望遠鏡和豎軸制動應鬆開。長途運輸儀器時，最好進行包裝，並一定要使儀器儀器牢固可靠，切勿相互移動撞擊。
10.儀器設備在使用過程中，必須注意安全雨、風天氣必須要進行外業作業時，應採取防護措施保證人和儀器的安全。
11.在三腳架上安裝儀器時，要一手扶握照準部，一手旋動中心螺旋，防止儀器滑落，卸下時也是如此。
12.外業觀測時，操作人員不得離開。嚴禁無人看管、閒雜人等動用儀器。
13.露天作業時，要注意儀器的防震、防潮、防曬、防塵，以免影響儀器的觀測精度；陰雨、曝曬天氣在野外作業時一定打傘，以防損壞儀器。
14.儀器搬站時，可視搬運距離的遠近及道路情況決定儀器是否要裝箱。若不裝箱搬站時儀器制動螺旋應鬆開，最好把腳架挾在肋下，儀器放在前面，以手保護，不得橫槓在肩上行走。
環保措施
《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》的環保措施如下：
1.測量作業人員進入現場先進行環保培訓，提高人員環保意識。
2.購置環保儀器設備，對於全站儀等紅外線、雷射、電磁波測量儀器，選用環保無放射和灼熱的類型，避免在現場作業中灼傷人眼。
3.作業現場測量標識用的紅油漆、墨汁在作業過程中要妥善保管，避免遺灑在現場。
4.對講機、經緯儀所使用的5號電池不得丟置在現場，應放置於統一的廢舊電池箱中。
5.現場辦公室電腦、印表機的使用要儘量節約用電、用紙。
效益分析
《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》的效益分析如下：
1.施工作業效率高
採用鋼結構三維空間快速定位測量方法，與經緯儀常規測量方法相比，平均安裝一個球節點的時間節省了80%左右，加快了施工進度。國家游泳中心工程共有鋼結構球節點9843個，按常規測量方法，需安裝近5年。採用該工法施工，只用了8個月的時間就完成了鋼結構安裝。
2.設備投入少，成本大幅降低
採用空間鋼結構三維節點快速定位測量方法，全站儀等主要設備的投入降低了80%，節省了設備投入，原計畫投入全站儀10~15台，工藝改進後實際投入2~3台。項目經理部原測量費用預算投入160萬元，工藝改進後降低到90餘萬元。
註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算
套用實例
《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》的套用實例如下：
一、工程概況
國家游泳中心工程整個結構為立方體，平面尺寸177.338×177.338米，結構牆體底標高+1.059米，屋頂標高+30.587米，外牆的圍合厚度為3472毫米，內牆為3472毫米和5876毫米兩種，屋頂為7211毫米。鋼結構為新型延性多面體空間鋼框架結構，桿件及節點總重量6700噸，節點數9843個，桿件20670根。
在國家游泳中心工程延性多面體不規則鋼結構施工中，中建一局建設發展公司、中建一局鋼結構工程有限公司、中建一局華中建設有限公司、河北建工集團有限公司採用空間鋼結構三維節點快速定位測量施工工法對鋼結構進行空間三維定位測量，提高了作業效率，完成了國家游泳中心工程的鋼結構定位測量工作（圖6，圖7）。
二、桿件中心線通過節點球中心的試驗論證
（一）現場試驗過程
在安裝平台放樣節點1和節點2的平面位置中心，兩中心相連即為桿件的設計位置平面投影線，安裝固定1號球節點，按照節點球上標記連線桿件，安裝固定2號球節點（圖8，圖9）。
1.試驗結果數據比較（圖10，圖11）
經試驗比較，桿件輪廓線設計值與實測值差1毫米，1號球弧長設計值比實測值小1毫米，2號球弧長設計值比實測值大1毫米，證明在桿件中心線穿過兩端球中心，符合施工精度要求。
2.試驗結論
經試驗證明，採用“空間鋼結構三維節點快速定位測量施工工法”的定位測量方法，滿足鋼結構桿件中心線穿過兩端球中心的精度要求，是切實可行的。
（二）控制測量
國家游泳中心工程屋面共布設4個控制點（圖12）。
圖12 屋面控制點示意圖
（三）空間鋼結構三維節點定位測量（圖13~圖15）。
三、工程結果及評價
國家游泳中心工程鋼結構測量工法得到了業主、監理等各方專家認可，取得了良好效果，並為類似複雜不規則鋼結構三維定位測量提供了典型的範例（圖16，圖17）。
榮譽表彰
2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《空間鋼結構節點平面自動測量快速定位施工工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。
