国家体育场主桁架施工测量

2013-12-06马书英朱祥顶

测绘工程 2013年4期

马书英，张凯，朱祥顶

（1.河南工业职业技术学院，河南南阳 473009；2.中国机械工业第四安装工程公司，河南郑州 450002）

国家体育场位于北京市城府路南侧，奥林匹克公园中心区内，是北京2008年奥运会的主体育场，由混凝土结构（看台、基座）和钢结构（外壳造型）两大部分组成。建筑顶面呈马鞍型，长轴为332.3m，短轴为297.3m，最高点高度为68.5m，最低高度为40.1m。屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。国家体育场钢结构主要由24榀门式桁架围绕体育场内部碗状看台区旋转而成，包括主桁架、桁架柱、顶面次结构、立面次结构、楼梯、马道等部分，主桁架围绕屋盖中间的开口放射型布置，与屋面及立面的次结构一起形成“鸟巢”的特殊建筑造型。

1 工程特点及测量难点

1.1 工程特点

作为北京2008年奥运会主会场的国家体育场，其钢结构工程具有独特的特点：体形、重量巨大；曲线、曲面造型多，定位精度要求高，难度大；空间节点多，三维测量定位部位多；钢结构与钢筋混凝土结构在空间上完全分离，既有相对独立性，又有一定的相对关系；施工时，分阶段、分区域、多单位拼装；体育场工程整体施工顺序为“看台－钢结构－基座”，钢结构、混凝土工程具有3～4个月的交叉施工期；支撑塔架多，塔吊多，施工现场视线阻挡多。

1.2 测量难点

国家体育场的主体建筑平面布局呈椭圆形，钢构件的定位点均为三维坐标，所有主结构的构件均为巨型构件，测量精度要求较高。

1）柱脚的安装定位：本工程的柱脚不同于常规的钢结构柱脚，体形巨大，单体重量重，柱脚的长宽尺寸达4～5m，高度最高达10m以上。所有柱脚均位于深基坑内，现场操作困难。柱脚标高大部分在＋1.500以下，安装定位测量难度大。

2）桁架柱、楼梯柱的安装定位：每根桁架柱由两根1 200mm×1 200mm的箱形外柱和一根菱形内柱通过腹杆连接而成，两根外柱为斜柱。楼梯柱的截面也为箱型并且都是倾斜的，这就使得桁架柱和楼梯柱的定位校正测量难度增大。

3）立面次结构的安装定位：本工程中，立面次结构为弯扭构件，形状怪异，杂乱无章，节点密集，且向外倾斜，安装难度大。同时，所有立面次结构均暴露在外，安装精度要求较高，测量点多面广，难度大。

4）主桁架的空间定位：主桁架的截面尺寸有1 200mm×1 200mm、1 100mm×1 200mm、1 100mm×1 100mm、1 000mm×1 100mm、1 000mm×1 000mm等几种，采用分段吊装，桁架坐落在支撑塔架上，所有对接点均为高空对接，定位测量相当困难。

5）支撑塔架体系和主桁架的监测：支撑塔架共计80个，分段吊装时，主桁架坐落在支撑塔架上，在主桁架没有成为整体之前，支撑塔架的变形以及主桁架的挠度监测工作量较大，并应定期进行。

2 控制网加密点的布设

2.1 平面控制网

原国家体育场GPS网为国家三等网，该网除满足土建施工要求外，同时考虑了钢结构施工精度要求。鉴于国家体育场钢结构施工特点，在首级GPS网下，布设钢结构施工控制网，其设计精度为三等导线，其技术要求为：测角中误差≤1.8″，最大边长相对误差≤1/150 000，方位角闭合差≤±3.6″，导线全长相对闭合差≤1/55 000。

钢结构施工平面控制网按三等导线设计，一是为了适应钢结构具有大量异构形、不规则曲线、曲面，定位难度大、精度要求高的特点；其次是为施工加密控制网的布设留有充裕的精度余量，满足其精度需要；另外，还要尽可能满足施工监测所需控制点的要求。

2.2 高程控制网

本工程施工高程控制网按二等水准网的精度进行设计。主要技术要求如表1所示。

表1 二等水准网的主要技术要求

2.3 网形布设考虑因素

1）保持通视：在施工场地内进行控制点布设，要避开建筑构件堆放、拼装场地，保证相邻控制点之间的通视，难度非常大。必须针对场区布置图和土建看台通道位置布设施工控制网。

2）便于直接施工放样。

3）便于直接进行卸载变形监测。

4）钢结构控制网与原土建控制网坐标系统一致。

5）标志采用强制对中装置，减少对中误差，提高测量精度和效率。

6）便于加密网布设。

7）兼顾混凝土二期基座施工，网点尽力布置在基座范围之外。

2.4 仪器设备

1）Leica TCA2003激光全站仪1台套。测角精度0.5″，测距精度1＋1ppm。

2）Leica NA2＋GPM3自动安平水准仪1台套。每千米高差中误差0.7mm。

2.5 观测与数据处理

1）平面控制网：采用全站仪测边测角将控制点组成混合导线网。水平角观测四测回。左右角之和与360°相差要求小于5s，测回间角度互差小于5s；平距往返观测各两测回。观测数据处理合格后，采用间接平差法严密平差。根据钢结构相关施工规范对定位放样的允许偏差，要求平差后相对点位中误差不大于±3mm。

2）高程控制网：按二等水准要求进行高程控制网观测。视线长度及高度应满足表2的要求。

表2 二等水准视线长度及高度等要求

2.6 控制网的加密

鉴于现场场地面积较大，柱脚底标高较深，同时考虑到钢结构柱脚施工时，柱脚承台还未进行回填，以及边坡稳定性较差等实际情况。锚梁、柱脚的测量定位利用钢结构专用控制网（外环），可以在边坡上短时间布设外围加密控制点，以满足锚梁、柱脚定位的需要。支撑塔架、主桁架、次结构的测量定位利用总包提供的钢结构专用控制网（内环）设置一些内部加密控制点。

外围加密控制点采用现用现做的办法，内部加密控制点在土建单位对看台楼板施工后统一进行布设，但在正式使用之前，外围、内部加密控制点将按程序对加密控制点进行报验。

经过8d的观测，建立的加密网精度为导线全长相对闭合差1/68 590，小于1/55 000，测角中误差为＋1.1″，小于±1.8″，完全满足精度要求，顺利通过监理的验收。

3 主桁架的安装测量

主桁架的安装测量以有两个支撑塔架的为例进行叙述，一个或三个支撑塔架的情况类似。安装内容主要包括桁架柱的安装测量和主桁架的安装测量两部分。

3.1 桁架柱定位轴线的设置

根据场内已建立的控制网，利用经纬仪或全站仪测设出管口的定位轴线，标记鲜明。具体操作方法和步骤同“柱脚的定位测量”，以一根桁架柱为例，需放样出6条定位线，如图1所示。

图1 桁架柱定位轴线示意图

3.2 桁架柱垂直度测量

桁架柱的垂直度控制是在柱身底部定位完成之后进行的一项工作。因桁架柱为组合柱，且内柱垂直于地面，故桁架柱的垂直度控制以内柱（菱形柱）控制为准，辅助外柱进行校核。实际测量时，采用T2经纬仪进行观测。

桁架柱安装垂直度测量控制经纬仪布置如图2所示。

图2为桁架柱第一段安装时的控制示意图，第二段方法类似。

具体操作步骤如下：

1）将经纬仪架设在菱形柱的控制线上（见图2）。

图2 桁架柱垂直度校正示意图

2）将经纬仪按要求安置好后，用经纬仪的望远镜照准内柱底部，调整焦距，固定望远镜水平装置，旋动微动螺旋，使目镜十字丝与内柱底边中点标志重合，然后将望远镜扬起，调整焦距。若内柱顶边中点与十字丝中点重合，则该方向内柱垂直度已校正好；若不重合，则应将其调整到十字丝中点位置。

3）另外一个方向方法同上。注意在找正时，两台经纬仪必须同时进行作业。

4）在内柱垂直度调整到位以后，应对其整体垂直度进行复核。首先架设经纬仪进行内柱垂直度的观测，然后在内业根据三维模型图获得外柱分段点处的三维坐标，用全站仪校核点在三维空间的位置（操作方法与“柱脚的安装定位”类似）。桁架柱的安装质量直接关系到其他构件的安装质量，因此将对桁架柱现场焊接时桁架柱的位置进行定时监测，采用观测内柱侧面中心线垂直度的办法进行控制，若前后两次内柱垂直度偏差大于2mm，将采用调整焊接顺序等方法将桁架柱垂直度校正过来。

3.3 主桁架标高控制

主桁架标高的控制在塔架安装到位，顶面标高配置到位后进行。标高控制点的设置如图3所示。

图3 主桁架标高测量控制点示意图

A点，桁架与柱的连接处桁架的上弦中心线上；B点，塔架上部桁架上弦中心线上；C点，塔架上部桁架上弦中心线上。利用全站仪测量桁架的A、B、C3个标高控制点，具体操作如下：首先在内业利用三维模型获得上述各点的标高；在适当的位置设置全站仪，并经精确调平；Mini小棱镜的司尺人员在一个已知高程的控制点上架设Mini小棱镜；然后工作站（操作全站仪的地点）的人员将各项相关参数设置到符合测量的状态（如棱镜的常数等等）；照准Mini小棱镜进行测量，得到设站点的标高；Mini小棱镜的司尺人员在A点放置Mini小棱镜；照准Mini小棱镜进行测量，得到A点的标高；按上述方法分别得B，C点的标高。若B，C点的标高与设计值存在差距，则应调整塔架顶部支座，直至满足要求，误差范围：－8～＋5mm。

3.4 主桁架平面位置的控制

主桁架的平面位置测量与标高控制的方法类似，采用全站仪进行。对主桁架的平面位置的控制分上下弦分别定位。首先是下弦的定位：用全站仪将下弦底面的主桁架控制点放样到塔架支座上，采用放样程序。然后是上弦的定位：在下弦底面的主桁架控制点与塔架上对应点重合，以及主桁架标高控制到位后方能进行上弦的定位测量。上弦的定位测量采用全站仪的测量程序进行，具体操作方法与前面有关内容类似。为保证安装质量和主桁架的管口对口质量，在进行主桁架的安装测量时，需对每个管口的4个角点或4条边中点的位置进行测量，确保管口位置符合设计要求和规范要求。同时，还应进行主桁架的垂直度测量。