BDS/GPS组合定位在高层建筑施工基准传递复核中的应用

2021-05-11王新鹏黄声享李辰风

测绘工程 2021年3期

王新鹏, 黄声享, 张文, 李辰风

(1.武汉大学测绘学院,湖北武汉 430079； 2.矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室，河南焦作 454003)

超高层建筑施工测量的重要内容是竖向轴线投测，将平面测量基准由低层向高层传递，为施工楼层的放样提供依据[1-5]。基准传递的常用方法有激光准直内控法、全站仪投测外控法、全球定位系统(Global Positioning System， GPS)观测外控法[3-5]。其中，全站仪乃至测量机器人投测外控法，需要在施工场地周围(一定距离，拟建建筑高度H的2倍左右为宜)布置2～3个平面控制点，以保证从基准控制点到楼层施工控制点的竖直角小于30°[5]。然后在基准控制点上用全站仪仔细测设出首层及以后每层的轴线投测点,并对各投测点进行边长及角度检测，进而提供基准控制[5]。但因超高层建筑物一般位于城市繁华区，建筑物密集，地面通视条件较差，满足距离条件的基准控制点难于布设，或根本不具备稳定选点的条件[5]。

而激光准直内控法是在建筑物内建立控制网并留有如图1所示的传递孔，利用垂准仪或用弯管目镜加高精度全站仪向上传递施工测量基准，而随着建筑物的升高，日照、温差、风力等多种因素的影响，以及激光中心光斑的发散因素等，使得该方法在进行较大高差的基准传递时，会产生很大的投向误差[3，5-6]。

图1 外控法、内控法点位及投测方法

随着建筑总高度的不断增高，前述方法会带来误差累积，从而导致基准传递总误差难以满足施工要求。而全球定位系统测量的高精度、快速度、工作方式灵活等特性优势明显，是一种值得推广应用的新方法并有应用于高层建筑施工基准传递的先例[1，7]。然而在实际工程测量中往往会遇到有工程机械施工等因素遮挡GPS信号、多路径效应影响严重等较差的测量环境，由此导致定位精度低、可靠性差甚至无法进行观测等情况时有发生，这在一定程度上限制了GPS在超高层建筑施工测量中的应用前景[8]。作为我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)——北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)，目前已具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力[8]。在中国及周边范围内，BDS/GPS组合定位是否能增加可用卫星数，改善卫星几何构型，提高定位精度，并能将其应用于高层建筑的垂直度监测[9-10]，成为相关领域学者研究的重点。

1 BDS/GPS组合定位外控法观测实施

中国建筑第三工程局有限公司所承建的某高层建筑项目位于广州市琶洲区琶洲新村附近，邻近珠江，总建筑面积20万m2，其建筑高度311 m。其对施工质量要求很高，尤其是工程竖向垂直度相对偏差不得大于H/1 000且绝对偏差不得大于±30 mm。在这样的超高层建筑施工中，施工测量基准传递和垂直度控制是建筑施工质量控制的重点之一，建筑结构的竖向偏差将直接影响工程的受力情况。竖向偏差若超过规定的限度，会影响到建筑物各层轴线位置的正确性以及诸如电梯、玻璃幕墙等设备安装，严重时会影响建筑物的安全性及耐久性。为此，在建筑施工至195.05 m、270.16 m、280.05 m时，基于BDS/GPS组合定位外控法分别对该建筑进行一次施工基准传递复测，基准传递复测的示意图如图2所示。

针对建筑施工场地较小，超高建筑物的轴线定位精度要求较高等特点，在本工程施工范围外设置两个相对稳定的临时基准点J02、J03，如图3所示，采用4套天宝R9型号的GNSS接收机，以J02、J03这2个基准点作为各次进行GNSS施工基准传递、垂直度监测的基准。这两个基点的作用在于：

1)每次测量时，固定其中的一点(如J02)作为起算点，固定该两点(J02，J03)的方位作为起算方位，以确保每次GNSS测量的基线解算和起算方位由首次GNSS测量确定。

2)每次GNSS定位成果的转换，采用统一的转换参数，以确保坐标转换成果的基准一致性，该转换参数由首次GNSS测量确定。

J02点设置于琶洲区沿江路上项目部大门口处，J03点设置于沿江路上，均位于混凝土路面上，点位基础牢固，受车辆干扰不大，便于设点，点位距离待监测大楼分别有约100 m和140 m。J03朝向天空，通视状况良好，J02点旁边有广告宣传板，部分遮挡了朝向天空的通视方向。C1、C3点为建筑物的轴线点(见图3)，首次测量采用GNSS精密定位，后续楼层进行基准传递复测时用内控法传递标记于顶楼，如图1(a)所示，便于进行GNSS观测。

图2 BDS/GPS组合定位用于基准传递复测示意图(m)

图3 基准点与监测点示意图

2 基于BDS/GPS组合定位在GNSS外控法中的应用分析

观测按静态定位模式，各观测时段的时间长度均超过45 min。数据采样间隔为0.1～1 s，卫星高度角限值为15°。基线处理采用CGO软件解算，解算策略为：分别采用GPS、BDS以及BDS/GPS组合的观测数据，分别对不同时段的观测数据进行基线解算。

2.1 BDS/GPS组合定位用于基准传递的结果

用固定J03点的方法进行约束平差，得到结果如表1所示。

从表1可知，BDS/GPS组合定位用于超高层建筑物的基准传递成果的复测，水平精度在5 mm以内，达到规范要求；高程精度在厘米级，精度有一定提升空间，但可以作为高层施工基准的参考。

2.2 BDS对GPS观测的改善

虽然GPS的使用越来越广泛，但由于超高层建筑的复杂性，导致在使用GPS进行测量时经常会遇到各种问题，比如，卫星信号可能会被施工机械(如塔吊等)遮挡加上多路径效应的影响，导致可见卫星数目过少、观测数据质量差等状况，进而导致定位精度低、可靠性差，甚至无法进行观测等情况的发生[10]。在这种情况下，采用BDS/GPS组合定位技术，不但可以充分利用卫星资源，还能够大幅度地改善几何精度因子，从而满足高精度定位的需要。

表1 BDS/GPS组合定位方法的3次复测解算结果

为检验上述观点的正确性，对不同施工进度下3次观测情况进行分析，设置采样间隔1 s，高度角15°，采用单系统和BDS/GPS组合定位两种方式进行解算，然后对比不同定位方式的精度，并以施工方给出的设计平面点位坐标为依据，计算几种定位方式解算的平面点位坐标与其差值，列于表2—表4中。

表2 标高195 m观测时不同定位方式定位解算结果 mm

表3 标高270 m观测时不同定位方式定位解算结果 mm

表4 标高280 m观测时不同定位方式定位解算结果 mm

表2—表4显示，BDS/GPS组合定位解算的精度明显高于GPS单系统的定位精度。特别是表3中，由于受施工器械(如塔吊)的影响带来的信号遮挡等，GPS单系统仅能得到一定程度的定位精度，而加入BDS观测值使得定位精度大大提高，满足工程定位的需求。这说明GPS系统在稳定性、可靠性和精度等方面还是明显高于北斗系统，虽然观测当时北斗系统无法单独进行解算，但将BDS和GPS进行组合定位解算的结果均优于单GPS系统解算的结果，因此将BDS同GPS组合进行定位，可以增加卫星数目，降低几何精度因子，在恶劣环境下提高解算结果的精度。需要特别说明的是，表中根据测量坐标同设计坐标的差值大小不能完全说明组合定位的精度高低，但可以作为一个检核点位正确性的重要指标。

2.3 BDS/GPS组合定位测量外控法与内控投点法监测垂直度的对比

本建筑的竖向轴线控制多采用(垂准仪)内控投点法，即把高层建筑物按高度分为若干段，段长一般为10～100 m，在建筑物内部间隔一定高度搭建测量平台，将埋设于±0.000面的控制点采用垂准仪逐层向上投递，以提高竖向轴线精度。由于垂准仪相对精度、设点精度ms的影响，单次投点的竖向距离d越大，其精度m也越差。

(1)

设点精度为ms=±1.5 mm，垂准仪相对精度my=1/40 000，暂不考虑日照、刮风和施工偏载等因素引起的高大建筑物摆动引起的误差，分别取投点最不利点距离±0.000面的竖直距离为190.04 m、270.16 m和280.05 m，得逐层投点法因投点所引起的误差分别为4.98 mm、6.92 mm和7.16 mm。

根据表2—表4中不同高度层的3次BDS/GPS组合定位的复核结果，将每个点的N，E方向误差先求点位误差，再将C1、C3的点位误差求平均，得到外控法观测投点在标高为190.04 m、270.16 m和280.05 m引起的平面点位误差降低到2.87 mm、6.42 mm和6.72 mm。这一误差影响，不仅低于表2—表4中对应的GPS单系统定位的平面点位误差，更是显著低于内控法逐层投点法因投点所引起的误差。而且内控法传递基准随着建筑高度的不断增高，误差影响越来越明显；而GNSS外控法在不同高度层时的点位误差相对稳定，且精度较高。因此，采用BDS/GPS组合定位应用于超高层建筑物的施工测量基准传递，具有很好的前景。