超高层建筑核心筒及电梯井偏差监测方法

2016-05-06段鹏，彭浩

测绘通报 2016年3期

关键词：超高层建筑

段　鹏，彭　浩

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

超高层建筑核心筒及电梯井偏差监测方法

段鹏，彭浩

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

A Deviation Monitoring Method for Core Tube and Elevator Shaft of Ultra High-rise Building

DUAN Peng，PENG Hao

摘要：超高层建筑物核心筒及电梯井偏差监测是建筑物整体施工监测的重要组成部分。本文以广州周大福金融中心为例，从基准控制网、坐标基准传递、偏差测量和数据处理4个方面详细阐述了监测方案的实施要点，并结合实测数据证实了方案的可行性，对同类的监测项目具有良好的参考价值。

关键词：超高层建筑；基准控制网；坐标基准传递；偏差监测

超高层建筑是城市发展的必然产物，由于超高层建筑结构的特殊性，对建筑内部核心筒的设计及施工精度提出了更高的要求；电梯作为垂直交通的工具，电梯井的施工偏差将直接影响电梯的安装和正常使用。为了确保超高层建筑物的施工精度，施工过程中的误差和变形监测显得尤为重要。

广州周大福金融中心(广州东塔)是集写字楼、酒店、大型商业于一体的大型综合性建筑，占地面积2.6万m2，地下五层，主塔楼111层，主楼总高度约为530 m，建筑高度高于传统意义上的超高层建筑，对整体工程的施工质量要求较高。传统的监测方案在测量精度上不足以满足工程需求，故需对广州东塔核心筒和电梯井偏差测量制定严密可靠的监测方案，并配合高精度仪器，确保监测结果精准可靠。

一、施工监测方案

广州东塔的核心筒和电梯井偏差监测方案主要由4个部分组成：基准控制网的建立、坐标基准的传递、核心筒和电梯井偏差测量及数据处理。基准控制网的布设分可为两部分：基准平面控制网和首级施工控制网，两者均采用GPS静态观测方式获取基线并计算坐标。基准平面控制网点位距施工现场较远，目的是为了保持点位的稳定性；首级施工控制网距施工现场较近，便于将坐标基准传递至东塔楼层首层。同时，也可利用基准平面控制网对首级施工控制网进行检核，判断施工基准是否发生变动。首级施工控制网引至首层的坐标基准，需利用激光投点的方式从下往上传递，并根据要求检查投射点的内、外符合性。投射的基准点经检测符合要求后，以投射点位起算基准，布设一级导线，并对核心筒及电梯井的剪力墙均匀采集碎步点。最后将外业采集数据汇总整理，得出监测成果。

1. 基准控制网

基准平面控制网是施工监测的根本基准，平面控制网的精度将直接影响首层施工控制网的精度和监测成果的可靠性。平面控制网点位的选择，需要综合考虑GPS观测条件、图形条件、通视条件及后续应用等因素，结合施工现场勘查，最终基准平面控制网由均匀分布在东塔附近的4个点组成，分别为广州新图书馆楼顶东侧、天銮广场A4-A5栋楼顶、朱美拉公寓C座楼顶、高德置地夏座楼顶，如图1所示，JC01—JC04分别表示4个控制点。本次平面基准控制网采用天宝R8型接收机，在选取的控制点上按照GPS一级网的要求进行观测，观测要求见表1。

图1　基准平面控制网示意图

项目要求接收机类型TrimbleR8观测量载波相位接收机标称精度5mm+1×10-6D卫星高度角≥15°有效观测卫星数≥4数据采样间隔/s5点位几何图形强度因子(PDOP)≤6

在基准平面控制网的基础上，需在靠近东塔所在地增设首级施工控制网，作为施工监测的基准。首级施工控制网点毗邻施工区域，点位之间的兼容性及稳定性容易发生变化，需要利用稳定的外围基准对其进行监测，保证施工测量基准的统一。根据实际地形综合考虑后，在高德置地、广州图书馆、利雅湾楼顶各设置一个基准点，如图2所示，外业观测要求与基准平面控制网相同。基准平面控制网和观测首级施工网布设完成后，需定期进行维护，第一年每3个月维护1次，其后每6个月维护1次，根据各期坐标差异、边长差异、角度差异分析控制网的稳定性及兼容性。

图2　首级施工控制网示意图

2. 坐标基准传递

核心筒及电梯井偏差监测需将测量基准引至建筑物具体楼层，便于下一步的导线及碎步测量。若采用GPS静态联测的方式，将坐标基准引至每一楼层上，对于超高层建筑来讲过于耗时耗力。考虑到精度要求和可操作性，东塔施工监测要求每隔50 m左右，采用激光投点的方式获取楼层平面起算点坐标，此楼层称为转换层。没有直接起算点坐标的楼层，将采用最近转换层的基准点位置，继续用激光投点的方法将起算基准传递至相应楼层。具体操作方法为：采用标称精度为1/200 000的激光垂准仪分4次投射，每次投射时将垂准仪旋转90°，取4个激光点的几何中心为最终投射的点位位置。

施工监测时，由于非转换层的坐标基准需要使用转换层基准进行激光投射获取，故需对转换层楼层起算点成果作内、外符合性检测，确保成果的准确性。转换层起算点位外符合性的检测测方法为：将控制点投递至楼层钢平台，在钢平台标识处架设GPS接收机，与塔体外围基准控制点JC01、JC02、JC03、JC04进行联测。由于钢平台施工环境复杂，为了提高观测的精度，可选择合适观测时段和增加观测时间，观测要求见表1。其内符合性检测方法为：在转换层控制点之间，利用高精度全站仪测量各点之间的距离及角度，并与建筑物首层相应基准点间边长和角度相比较。若检测结果为内外符合性误差在容许范围内，则可使用转换层起算点作激光投射，传递坐标基准，并进行下一步导线和碎步测量；若误差超限，则需重新使用激光投点获取起算点位置。

当塔体处于静止状态时，最终投射的点位误差只与原始点位误差和激光投射引起的误差相关。实际情况下，当塔体受到风力、地球自转、日照等外界因素影响时，将会产生一定的动态偏摆，此时激光投射的点位误差还与塔体的振幅相关，当振幅超过一定程度时，需要对投射点位进行修正。塔体动态特性监测采用数字CCD和倾斜传感器24 h动态监测方法，两种方法相互论证，相互检核，并利用检核后的成果对塔体的动态特性进行改正，降低外界因素对投点精度的影响。

3. 偏差测量

广州东塔采用的是多电梯系统，即由地面始发站至局部区域中转站，乘客到达中转站后再换乘区间电梯到达不同的楼层。因此，不同楼层需进行监测的电梯井位置并不一致。施工监测中，要根据不同楼层电梯井的具体情况，对相应的剪力墙进行监测。

选择最近的转换层控制点，将点位投射至所测楼层后，将投射点作为起算点，使用徕卡TCA2003全站仪(标称精度为0.5″，1 mm+1×10-6D)，按照一级导线的观测要求布设导线网。另外，在布设干线的基础上，为测量部分电梯井，可以适当增设支导线，如图3所示。

根据所测楼层电梯井位置，在相应剪力墙上均匀布设碎步点，图4中所示部分核心筒内符号代表电梯，圆圈部分表示碎步点。由于监测过程中部分电梯井已关闭，无法实测相应核心筒内剪力墙，在检测报告中应予以说明。

图3　导线网示意图

图4　电梯井内碎步点示意图

由于风力等外界因素和施工误差的影响，塔体核心筒竖直轴线会在某种程度上偏差垂直方向。楼层高度不同，中心点偏离竖直轴线的距离也并不一致，如图5所示，H表示楼层标高，Sj表示楼层竖直轴线与设计轴线间的偏差，垂直度则为后者与前者的比值，即角度a的正切值。为了确保施工过程的准确性和建筑物的安全使用，需对塔体竖直轴线偏差大小及偏差角度进行监测。具体做法为：在布设一级导线的基础上，在核心筒四周的剪力墙上均匀采集碎步点，通过采集的碎部点坐标拟合出实际剪力墙边线，求出4个角点，并与设计值进行比较。

4. 数据处理

(1) 导线网平差及电梯井偏差计算

以转换层已知点或非转换层的投射点作为所测楼层的起算点，按照城市一级导线的要求进行导线网平差计算。控制网平差采用南方平差易软件，若角度闭合差、全长相对闭合差等符合表2规定则保存结果；若某项指标未达到，则需仔细检查原始数据，必要时外业返工，直至平差结果通过。控制测量数据处理结束之后，采用笔者所开发软件计算碎步点坐标，软件界面如图6所示。

图5　垂直度示意图

分类上限值测距中误差/mm15测角中误差/(″)5导线全长相对闭合差1/15000方位角闭合差10n

图6　碎步计算软件界面

将碎步点成果展至CAD设计图上，如图4所示，通过碎步点和相应剪力墙的垂线距离反映墙体的偏移程度，以此判断电梯井的施工偏差，并为电梯的安装提供参考依据。

(2) 核心筒垂直度偏差计算

核心筒偏差大小是通过剪力墙4个角点的设计坐标和实测坐标之差予以反映的。在核心筒4个方向的剪力墙上均匀布设碎步点。根据采集的碎步点坐标，对核心筒4条边分别拟合，如图4所示延长拟合直线相交可以求出4个顶点的坐标(如图7所示)，把4个顶点坐标与设计线延长线的4个顶点坐标相比较，按静力矩法计算该层(如第j层)实测中心与设计中心的坐标偏差Δxj、Δyj和偏心差Sj，计算公式如下

式中，dxi、dyi为第j层第i点的检测坐标与设计坐标之差。进一步可计算第j层的总垂直度Kj

式中，Hj为j层相对于地面的总高度。

图7　垂直度偏差求取示意图

5. 结果分析

采用如上所述的监测方案，广州东塔各层核心筒垂直度偏差成果如图8所示，图中纵轴表示东塔各楼层标高，横轴表示各楼层垂直偏差，即各楼层实测中心与设计中心的偏差绝对值。参照《高层建筑混泥土结构技术规程》《建筑变形测量规范》和《工程测量规范》的设计要求，工程主体轴线总体偏差不得超过H/1000且应小于30 mm。由图8可以看出，各楼层核心筒垂直度符合规范要求，从数据上证实了方案的可行性。

三、结束语

超高层建筑的施工监测，对成果的精度指标及可靠性提出了很高的要求。本文基于广州东塔监测项目特点，从基准控制网和首级施工控制网的建立、坐标基准的传递、偏差测量和数据处理4个方面，制定了一套严密的监测方案，并结实测数据证实了方案的可行性，为超高层建筑电梯安装、装修施工提供了参考依据，对类似工程具有良好的借鉴作用。