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国家体育场钢结构施工测量技术研究与实践

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    龙正武 秦长利 林久林 邱德隆 杨俊峰 万里程

    摘 要：国家体育场（鸟巢）钢结构外形奇特、形体巨大、结构复杂，施工测量难度大，本文结合工程实践介绍了控制测量、钢构件组装测量和高空拼装定位测量等的基本内容和方法，供从事施工测量和相关技术人员参考。
    关键词：控制测量；胎架测量；高空拼装定位
    1工程概况
    国家体育场是2008年第二十九奥运会主会场。它由钢结构组件相互支撑，形成网格状构架，土红色的碗状体育场看台隐身其中，外观看上去就仿若树枝编织成的鸟巢。
    国家体育场建筑作品不仅外形奇特，而且形体巨大、结构复杂。其钢结构水平投影面形状为一个椭圆形，椭圆形的主桁架柱轴线长轴（南北方向）长333米，短轴（东西方向）长266米。其屋顶呈东、西高（约69米），南、北低（约41米高）的马鞍形。国家体育场钢结构由24个主桁架柱、24榀主桁架梁、16架内环立体桁架梁及立面次结构、屋面次结构、楼梯、马道和天沟等构件组成；最高的桁架柱高度约为69米，最低的桁架柱高度约为41米，屋面桁架梁的高度为12米。
    国家体育场钢结构的构件形状复杂，变化多样，不论是地面拼装还是安装定位，测量工作都十分烦琐和困难。同时由于施工场地狭小，场地中的大形施工设备、运输车辆和重型起重机械的频繁运行。都给测量工作带来了很多的困难。
    根据国家体育场钢结构工程的施工工艺和施工步骤，施工测量工作主要有：控制测量、构件现场拼装测量、桁架柱和桁架梁安装定位测量、次结构的安装定位测量、支撑塔架卸载变形监测等。
    2控制测量
    2.1平面和高程控制测量
    控制测量是最基础的和最重要的施工测量工作。由于施工场地狭小、复杂，在施工控制测量设计中，测量控制点的密度、精度、位置和使用是否方便等都至关重要，是重点考虑的因素。如果测量控制点的密度低，数量少，就不能全面、精确地控制整个工程，还会因为控制点离构件定位点距离较远或需要进行加密控制点使定位误差较大；如果控制点密度过高，点数太不仅增加了测量工作量还会造成控制网边长较短，形成短边控制长边这样不利的观测条件。同时控制点还必须避开电缆等地下管线、构件拼装作业区，又要尽量远离吊车等大型施工机械的运行路线。经过踏勘并结合施工场地布置图和国家体育场的结构形状，布设了以前期4个GPS点、体育场中心点作为已知点，由12个导线点（外围8个，内场所4个）组成的平面和高程钢结构施工控制网（见图1）。为了提高控制网精度，消除仪器和觇板的对中误差，12个导线点都采用强制对中点的方式设置（见图2、和图3）。

    平面导线网的外业观测采用Leica2003全站仪按三等导线的技术要求进行观测；内业用严密平差软件进行平差。平差后控制点的平面点位中误差和点间中误差都小于3mm；高程导线采用NA2水准仪和铟钢水准尺观测，平差后高程控制点点位中误差和点间中误差都小于1mm。
    2.2控制网的保护
    为了保证在施工全过程中测量控制网的保存和稳定，控制点埋设在冻土层以下，现浇1.2×1.2米混凝土标石基础，同时砌筑保护墙并标示醒目明显标记。由于保护措施得当，这些控制点除一个因成府路施工而迁址外，至今保存完好，虽受到大型施工机械的干扰，但未受到明显影响，经检测控制点各次成果较差均小于4mm。
    2.3控制网的复测
    为监测控制网稳定状况，同时保证观测精度一致，平面和高程控制网每三个月进行一次复测，每次复测使用和初测时的同一台仪器，同一个人用同样的方法，按同样的技术要求观测；内业用同样的方法进行平差。取得了非常好的观测效果，对控制网的稳定情况掌握准确，为施工测量工作提供了可靠保障。
    3构件现场组装测量
    3.1胎架形式及建立
    受运输条件和加工厂房条件的限制，钢结构施工采用在工厂加工成较小的拼装构件，再在现场将小的拼装构件在胎架上拼装成大的按装构件，然后再进行吊装。因此，现场拼装测量的构件多，工作量非常大，主要可分为桁架柱（包括桁架柱柱脚）拼装测量、桁架梁拼装测量、次结构拼装测量、楼梯拼装测量等。因为每一个构件不仅形状奇特，各个构件的大小、形状、结构各不相同，需要在不同的胎架上进行拼装，拼装测量的第一步就是根据不同构件的大小、形状和结构作胎架测量并建立起不同形状的胎架，然后才能在胎架上进行拼装。（见图4、图5、图6）


    由于构件体积超大，形状不规则，胎架一般都高达十多米；而高度达40米～70米的桁架柱这样的垂直安装的构件，不能按其所在设计位置和状态来拼装，需要将其水平放置，这种情况下胎架就长达40多米～70多米。（见图7、图8）

    3.2胎架和拼装测量
    拼装前先要依据所拼装的按装构件的设计坐标建立拼装控制网。选择所拼装构件上两个相距较远的（端口或牛腿）角点，按他们的平面设计坐标精确地设置在地面上，以此为依据建立胎架和拼装测量控制网（点）
    传统的施工测量都是根据结构的轴线来进行加工、拼装、放样和安装定位，国家体育场钢结构图纸虽然给出了轴线，但只是理论上的，位于箱形管件的中心，因为构件的形状非常复杂和奇特，其表面几乎都不是平面而是一个个扭曲面，无法将其轴线投影或布设到构件的某一个表面上，也就无法根据轴线来进行对接拼装，只能根据图纸上给出的构件端口（或牛腿）四个角点的坐标来进行拼装。拼装时依据端口或牛腿的角点坐标在胎架上三维定位并多次调整，直到实测三维坐标符合规范和设计要求。
    设计图纸上给出的构件端口（或牛脚）角点的是在设计位置和状态下的，有些安装构件象桁架柱和肩部次结构等，则应进行坐标转换，转换成便于在地面上建立胎架和进行拼装的坐标系，再依据转换后的坐标建立胎架和进行拼装，这项工作须要在电脑上用转换构件的模型的方法平实现。
    每一个安装构件都要和它周边的几个构件进行对接，一个安装构件上有一个端口或牛腿的拼装精度低都会影响到它和周边构件的对接，也会使后续安装的构件不能顺利对接，给整个工程的安装带来不利影响。因此在拼装时都是多次反复进行调整，直到符合设计和规范要求。
    4构件高空安装定位测量
    4.1定位测量基本要求和方法
    和拼装测量一样，除桁架柱柱脚外，安装定位测量也不能利用构件的轴线来进行定位，而只能依据安装构件上端口或牛腿角点的坐标，用三维坐标定位的方法来安装定位。
    整个钢结构工程是由柱脚、桁架柱、次结构柱、桁架梁通过牛腿和腹杆等相互连接成一个整体，一个安装构件的定位是否精确，是否符合规范和设计要求，直接影响周边构件的安装，也会间接影响到其他部位构件的安装。可谓牵一发而动全身。
    安装构件的安装定位测量主要有柱脚（包括桁架柱柱脚和次结构柱柱脚）安装定位测量、桁架柱安装定位测量、次结构柱（包括排水柱、楼梯柱）安装定位测量、桁架梁安装定位测量。各类构件的大小、形状和定位条件都不一样，虽然都用三维坐标定位，在具体的操作方法上还是不完全一样的（见图9、图10、图11）。


    4.2柱脚定位测量
    柱脚是整个钢结构式工程中最基础的部位，其他的柱、梁等都是从这个基础上来进行安装的。其安装质量的好坏，精度的高低不仅影响后续构件的安装精度，可能还会影响到后续安装工作的顺利进行。柱脚顶面上虽然可以设置轴线，但轴线长度较短，只有两米左右，安装时如轴线的方向偏稍微大一点，就会影响桁架柱上部连接桁架梁的4个牛腿的轴线产生方向偏差，在后续安装桁架梁时会使其轴线的方向偏差越来越大，每榀桁架梁都长达100多米，严重的可能性会出现失之毫厘差之千里的现象，影响到钢结构工程的合拢，轻则会使桁架梁出现较大的侧弯，也会影响其他构件的安装。对此测量、安装人员在安装时一次又一次地观测，一毫米一毫米地调整，将轴线点偏差调整到3毫米以下。为桁架柱、桁架梁的安装及钢结构工程的顺利合拢打下了良好的基础。
    4.3桁架柱定位测量
    24个桁架柱的高度在40米到67米之间，由棱形内柱和一个两个外柱通过腹杆连接构成，每个桁架柱分两段起吊安装，最重的安装构件重达360多吨。其特点是高度高，上大下小，牛腿和端口多。有的端口与桁架梁对接，还有的是与立面和肩部的次结构连接。它的安装定位测量主要是调整棱形内柱的垂直度、牛腿和端口的位置符合要求 ，以便于和其他构件对接。
    由于桁架柱是分两段安装，安装定位测量也相应分两次进行。用检查棱形内柱两相邻棱线的垂直度来对内柱进行调整。在内柱两对角线方向上架设仪器，瞄准棱线上、下端调整到其偏差小于千分之一柱高并小于35毫米。同时转动柱体调整牛腿的方向到设计方向，并测量牛腿角点的三维坐标并调整到符合设计要求。
    立面次结构柱（包括排水柱、楼梯柱）都是倾斜的，不能用轴线而只能通过端口角点坐标来安装定位，也不能直接用垂直度的指标来检查和衡量次结构柱的安装精度和质量。参照直柱的倾斜度规定，我们用次结构柱顶端口角点平面坐标偏差来衡量其安装精度和质量，用位移矢量35毫米这一指标来控制。
    4.4屋面主桁架梁定位测量
    国家体育场钢结构式工程的屋面是由24榀主桁架梁相互交叉形成一个格网状，中间开口，主桁架梁上、下弦之间高度达12米多，桁架梁之间还有次结构式相连。整个屋面桁架梁共分成182段安装，虽然每个安装构件的重量比桁架柱轻，但牛腿多，既要保证桁架梁轴线位置和桁架梁的垂直度符合规范要求，又要使桁架梁上、下弦两边的牛腿精确定位，以便后续安装时能与次结构顺利对接要求接口的焊缝偏差不能大于3毫米。安装一段桁架梁并要达到上面的要求需要测量的安装人员反复观测、调整。司镜人员则要在50米～60米高的地方反复测量各个端口（或牛腿）位置，直到构件安装精度符合规范要求。
    钢结构桁架梁结构面没有一个是平面，无法在桁架梁件构面上设置轴线或轴线点，也就不能用轴线来定位并控制、检查轴线偏差。经过仔细分析和认真研究，我们认为虽然轴线位于桁架梁上、下弦的中心，是虚拟的，也不能投影到某一个结构面上。但上、下弦两端端口角点与轴线有固定的几何关系，他们之间是绝对相关的关系。我们不仅可以用角点坐标来定位，还可以用角点的坐标偏差计算出该端口的轴线位置偏差。端口角点的标高偏差就是轴线的标高偏差，而将角点的平面坐标偏差通过计算，分解成一个垂直于轴线的分矢量和一个平行于轴线的分矢量，观测后现场计算、调整。这样解决了桁架梁轴线偏差的控制和检查问题。
    5结束语
    在国家体育场钢结构工程的施工测量中，一些新技术、新方法和高精度的测量仪器得到了广泛的应用，如在电脑中用转换三维模型的方法来实现钢结构安装构件的坐标变换，以便于在地面建立胎架和拼装构件，按过去用手工计算的方法来作三维坐标变换是不可想象的。另外，在国家体育场施工测量中还应用卫星定位系统、激光跟踪仪、激光扫描仪、智能全站仪及数字水准仪等，对快速建立高精度大型工程三维控制网的方法和精度、对精密空间放样测设技术的精度和方法、对大型或特殊工程设施的空间形态进行实时或准实时的精确检测和完整记录以及动态与静态变形监测等进行研究，都取得了良好成果。 这些新技术、新方法的广泛应用不仅提高了施工质量和进度，也体现了“科技奥运”、“数字奥运”的理念和宗旨。

    参考文献
    [1] 中华人民共和国国家标准，工程测量规范（GB50026-93）
    [2] 北京市标准，建筑工程施工测量规程（DBJ01-21-95）
    [3] 北京城建集团企业标准，国家体育场钢结构工程施工质量验收标准（QB/GJJT-GTCG-2005）
    [4] 北京城建集团国家体育场工程总承包部，国家体育场钢结构施工控制测量实施方案，2005，8
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