超高层钢结构测量仪器综合应用技术

庄会云 王沁怡 倪 超 杨玲玲 王长彬

北京市机械施工集团有限公司 北京 102628

随着社会发展和科技进步，超高层钢结构建筑层出不穷，外形设计越来越新颖复杂，施工难度越来越大，并且钢结构受外界环境的影响较大，极易产生变形，因此其测量技术也面临着很大挑战。

目前在超高层钢结构施工领域使用的测量仪器主要有全站仪、铅直仪、测量机器人、实时差分定位（RTK）、三维激光扫描仪等。这些仪器因功能、精度不同，分别适用于不同的测量环节[1-9]。本文将结合这些仪器的特点详细阐述如何综合利用才能更好地发挥它们的功能。

1 各施工阶段应用仪器简介

在构件安装阶段普遍采用的测量方法是坐标控制法，即观测构件关键特征点的三维坐标来确保安装精度，使用的仪器主要是全站仪。当进行变形观测时，如需要连续观测，还会采取测量机器人和RTK辅助观测。施工现场环境一般比较复杂，通视条件较差，当向上进行导线测量时，有时会因观测失误等原因而出现较大的误差，此时可以用RTK进行快速复核，及时发现并纠正这些误差。当需要检查构件外形尺寸和结构合拢精度时，可以使用三维激光扫描仪。测量机器人、RTK、三维激光扫描仪价格都比较昂贵，需要技术人员充分了解它们的性能，并据此制订合理的测量方案，充分发挥各自的优点，做到优势互补，提高施工效率，这样才能真正达到物有所值。

2 仪器特点分析对比

全站仪、测量机器人、RTK、三维激光扫描仪的特点分述如下：

1）全站仪。优点：价格便宜，能精确测量关键特征点三维坐标，准备工作时间短。缺点：需要通视和光照条件，容易出现累积误差，测程较短。精度：有棱镜测距精度±（2＋2×10－6D） mm（D为测量距离）；无棱镜测距精度±（3＋2×10－6D） mm；有棱镜测角精度2″。

2）测量机器人。优点：能自动精确测量观测点三维坐标，能自动寻找观测点位置，测量效率高。缺点：价格较贵，需要通视条件，测程较短。精度：测距精度±（0.5＋1×10－6D） mm；自动找准精度为200 m处1 mm；测角精度0.5″。

3）RTK。优点：能实时测量观测点三维坐标，不需要光学通视，雨雾、暗夜均可进行测量，没有累积误差，测距长。缺点：价格较贵，易受四周建筑物、植被等因素影响产生多路径效应、电磁波干扰等影响定位速度和精度，受仪器体积及精度的限制不能用于关键特征点的测量，高大建筑物对接收机视野的限制等。精度：静态平面精度±（2.5＋0.5×10－6D） mm；静态高程精度±（5＋0.5×10－6D） mm；RTK平面精度±（8＋1×10－6D） mm；RTK高程精度±（15＋1×10－6D） mm。

4）三维激光扫描仪。优点：可以在任何通视的位置以点云的形式扫描出构件外形，扫描结果可用于构件预拼装。缺点：价格较贵，需要通视条件，不能测量单个关键特征点，无法获得构件实际空间坐标，精度受构件外观和环境对比度的影响较大。精度：测距精度3.5 mm；测角精度6″。

3 主要测量内容及对精度的要求

根据超高层钢结构施工的特点，主要测量内容及对精度的要求如下：测量控制网的测设和复核，精度±1 mm；构件地面小拼单元尺寸控制，精度±3 mm；对结构变形进行持续的观测，精度±2 mm；构件外形尺寸检测，精度±2 mm；构件安装精确定位，精度±1 mm；结构合拢精度的控制，精度±3 mm。

4 测量仪器综合应用技术

4.1 RTK和全站仪联合作业

RTK技术是以载波相位动态实时差分原理为基础的实时测量技术，相较于以往的GPS测量方法，具有实时性、高精度的特点，是GPS测量技术发展的重要突破。RTK测量一般包括一个基站和若干个流动站，当基站和流动站同时接收到4颗及以上卫星的信号时，流动站即可得到厘米级的定位结果。

这样的成果对于土建结构施工来说可以满足精度要求，但对于钢结构的定位精度而言偏差仍较大。在构件拼装、安装过程中，流动站的外形尺寸相较于棱镜、反射片而言显得非常大，不能贴合到特征点的位置，因此RTK不适合用于钢构件安装时的空间定位测量，但可以利用其便捷、实时、无累积误差的定位功能用于测量控制网的测设和复核。

在用全站仪和激光铅直仪向上部结构投射轴线控制点和标高控制点时，有时会因为人员疏忽、仪器故障等原因产生错误，此时可以把RTK架设到已测设完成的控制点位置，测定该点的空间坐标，并和理论坐标进行对比，当偏差较大时应用全站仪重新进行测设。

在平面控制网测设中，可以先使用RTK定位出控制点的大致位置，之后用全站仪和棱镜精确定位控制点，这样可以提高测设的效率。

RTK测定的是WGS-84坐标系的坐标，需经坐标系转换换算到现场的施工坐标系中。而坐标系转换精度受到现场校正点平面布置、数量、自身精度的影响，因此校正点的连线应尽可能把整个施工现场包含在内，这样在校正点连线的内部进行测量，精度较高。高程坐标系转换通过拟合的方式进行，但校正点数量要比平面坐标系多，可适当增加校正点提高拟合精度。校正点的精度要经过平差后使用。

4.2 三维激光扫描仪和全站仪联合作业

超高层钢结构施工对构件外形尺寸特别是节点尺寸、构件小拼单元尺寸、结构安装及合拢精度的要求非常高，需要有高效的技术措施来保障这些检测工作。当需要检测独立的点坐标时，可以使用全站仪进行测量，当需要对构件或结构的面、体特征进行检测时，可以使用三维激光扫描仪来完成。三维激光扫描仪测距原理有相位式和脉冲式2类，由于钢结构安装对精度要求非常高，因此选择相位式三维激光扫描仪。

由于扫描仪自身特性的影响，当扫描仪与构件距离较远、扫描角度较大时，构件有较多的类似区域时，以及构件表面颜色较浅、与环境对比度反差较小时，扫描过程中就会出现噪声强度较高，扫描精度下降的现象，构件表面特征点如螺栓孔、构件外轮廓在后期模型处理中不能清晰地显示出来，直接影响后期多站点点云数据的拼接。拼接时应具备从点云数据中精确提取单点坐标的能力，此时需要在关键特征点位置设置磁性标靶或球形标靶以提高扫描精度，并用全站仪复测标靶的坐标，标靶数不能少于3个，并且不能在同一条直线上。把点云数据导入软件建立模型后，以全站仪复测的坐标为基准，通过坐标系转换，把模型引入现场施工坐标系中，这样可以和构件自身设计模型、相邻其他构件模型进行拟合，完成尺寸检测和合拢精度检测。

4.3 测量机器人和RTK联合作业

超高层钢结构施工中需要进行大量的变形观测工作，主要包括压缩变形、焊接收缩变形及累积变形，另外还有在温度、日照、风力、塔吊作业等环境因素作用下的变形。这些工作需要长时间持续进行。

从配件成本大小、量程大小、累积误差、测量精度角度考虑，在进行压缩变形、焊接收缩变形及累积变形观测时，适合使用测量机器人进行观测。测量机器人相较于全站仪具有无与伦比的优势，它是一种集自动辨识目标、自动照准、自动测距测角、自动跟踪目标、自动记录于一体的测量平台，非常适合用于需要进行频繁重复观测的施工部位。观测时只需在满足通视的条件下，在关键特征点放置棱镜或反射片，以既有的测量控制点为后视即可随时掌握变形值。

当观测结构整体外形在外界因素作用下的变形时，重要的是掌握变形随时间推移的趋势，对精度的要求不是特别高，只需要在现有仪器精度基础上的概略值。因此非常适合用RTK进行观测，RTK没有累积误差的产生，根据需要可以放置在楼层合适的位置，并且可以沿高度方向设置多层设备。

5 结语

在超高层钢结构施工过程中测量工作覆盖面很广，体量极大，任务非常繁重，前后道工序配合紧密，因此最大限度地提高测量效率将对缩短工期、节约成本起到至关重要的作用。

本文结合在超高层钢结构施工中实际应用经验和工作特点，在详细阐述4种测量仪器的功能、测量精度以及适用场景的基础上，提出了仪器之间如何相互配合进行综合测量，以便充分发挥仪器的特长，最大限度地提高测量效率的方法。同时也为相关人员根据不同场合、不同任务、不同情况编制相应的测量方案提供了参考。