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國家體育場(chǎng)鋼結構施工測量技術(shù)研究與實(shí)踐

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    龍正武 秦長(cháng)利 林久林 邱德隆 楊俊峰 萬(wàn)里程

    摘 要：國家體育場(chǎng)（鳥(niǎo)巢）鋼結構外形奇特、形體巨大、結構復雜，施工測量難度大，本文結合工程實(shí)踐介紹了控制測量、鋼構件組裝測量和高空拼裝定位測量等的基本內容和方法，供從事施工測量和相關(guān)技術(shù)人員參考。
    關(guān)鍵詞：控制測量；胎架測量；高空拼裝定位
    1工程概況
    國家體育場(chǎng)是2008年第二十九奧運會(huì )主會(huì )場(chǎng)。它由鋼結構組件相互支撐，形成網(wǎng)格狀構架，土紅色的碗狀體育場(chǎng)看臺隱身其中，外觀(guān)看上去就仿若樹(shù)枝編織成的鳥(niǎo)巢。
    國家體育場(chǎng)建筑作品不僅外形奇特，而且形體巨大、結構復雜。其鋼結構水平投影面形狀為一個(gè)橢圓形，橢圓形的主桁架柱軸線(xiàn)長(cháng)軸（南北方向）長(cháng)333米，短軸（東西方向）長(cháng)266米。其屋頂呈東、西高（約69米），南、北低（約41米高）的馬鞍形。國家體育場(chǎng)鋼結構由24個(gè)主桁架柱、24榀主桁架梁、16架內環(huán)立體桁架梁及立面次結構、屋面次結構、樓梯、馬道和天溝等構件組成；最高的桁架柱高度約為69米，最低的桁架柱高度約為41米，屋面桁架梁的高度為12米。
    國家體育場(chǎng)鋼結構的構件形狀復雜，變化多樣，不論是地面拼裝還是安裝定位，測量工作都十分煩瑣和困難。同時(shí)由于施工場(chǎng)地狹小，場(chǎng)地中的大形施工設備、運輸車(chē)輛和重型起重機械的頻繁運行。都給測量工作帶來(lái)了很多的困難。
    根據國家體育場(chǎng)鋼結構工程的施工工藝和施工步驟，施工測量工作主要有：控制測量、構件現場(chǎng)拼裝測量、桁架柱和桁架梁安裝定位測量、次結構的安裝定位測量、支撐塔架卸載變形監測等。
    2控制測量
    2.1平面和高程控制測量
    控制測量是最基礎的和最重要的施工測量工作。由于施工場(chǎng)地狹小、復雜，在施工控制測量設計中，測量控制點(diǎn)的密度、精度、位置和使用是否方便等都至關(guān)重要，是重點(diǎn)考慮的因素。如果測量控制點(diǎn)的密度低，數量少，就不能全面、精確地控制整個(gè)工程，還會(huì )因為控制點(diǎn)離構件定位點(diǎn)距離較遠或需要進(jìn)行加密控制點(diǎn)使定位誤差較大；如果控制點(diǎn)密度過(guò)高，點(diǎn)數太不僅增加了測量工作量還會(huì )造成控制網(wǎng)邊長(cháng)較短，形成短邊控制長(cháng)邊這樣不利的觀(guān)測條件。同時(shí)控制點(diǎn)還必須避開(kāi)電纜等地下管線(xiàn)、構件拼裝作業(yè)區，又要盡量遠離吊車(chē)等大型施工機械的運行路線(xiàn)。經(jīng)過(guò)踏勘并結合施工場(chǎng)地布置圖和國家體育場(chǎng)的結構形狀，布設了以前期4個(gè)GPS點(diǎn)、體育場(chǎng)中心點(diǎn)作為已知點(diǎn)，由12個(gè)導線(xiàn)點(diǎn)（外圍8個(gè)，內場(chǎng)所4個(gè)）組成的平面和高程鋼結構施工控制網(wǎng)（見(jiàn)圖1）。為了提高控制網(wǎng)精度，消除儀器和覘板的對中誤差，12個(gè)導線(xiàn)點(diǎn)都采用強制對中點(diǎn)的方式設置（見(jiàn)圖2、和圖3）。

    平面導線(xiàn)網(wǎng)的外業(yè)觀(guān)測采用Leica2003全站儀按三等導線(xiàn)的技術(shù)要求進(jìn)行觀(guān)測；內業(yè)用嚴密平差軟件進(jìn)行平差。平差后控制點(diǎn)的平面點(diǎn)位中誤差和點(diǎn)間中誤差都小于3mm；高程導線(xiàn)采用NA2水準儀和銦鋼水準尺觀(guān)測，平差后高程控制點(diǎn)點(diǎn)位中誤差和點(diǎn)間中誤差都小于1mm。
    2.2控制網(wǎng)的保護
    為了保證在施工全過(guò)程中測量控制網(wǎng)的保存和穩定，控制點(diǎn)埋設在凍土層以下，現澆1.2×1.2米混凝土標石基礎，同時(shí)砌筑保護墻并標示醒目明顯標記。由于保護措施得當，這些控制點(diǎn)除一個(gè)因成府路施工而遷址外，至今保存完好，雖受到大型施工機械的干擾，但未受到明顯影響，經(jīng)檢測控制點(diǎn)各次成果較差均小于4mm。
    2.3控制網(wǎng)的復測
    為監測控制網(wǎng)穩定狀況，同時(shí)保證觀(guān)測精度一致，平面和高程控制網(wǎng)每三個(gè)月進(jìn)行一次復測，每次復測使用和初測時(shí)的同一臺儀器，同一個(gè)人用同樣的方法，按同樣的技術(shù)要求觀(guān)測；內業(yè)用同樣的方法進(jìn)行平差。取得了非常好的觀(guān)測效果，對控制網(wǎng)的穩定情況掌握準確，為施工測量工作提供了可靠保障。
    3構件現場(chǎng)組裝測量
    3.1胎架形式及建立
    受運輸條件和加工廠(chǎng)房條件的限制，鋼結構施工采用在工廠(chǎng)加工成較小的拼裝構件，再在現場(chǎng)將小的拼裝構件在胎架上拼裝成大的按裝構件，然后再進(jìn)行吊裝。因此，現場(chǎng)拼裝測量的構件多，工作量非常大，主要可分為桁架柱（包括桁架柱柱腳）拼裝測量、桁架梁拼裝測量、次結構拼裝測量、樓梯拼裝測量等。因為每一個(gè)構件不僅形狀奇特，各個(gè)構件的大小、形狀、結構各不相同，需要在不同的胎架上進(jìn)行拼裝，拼裝測量的第一步就是根據不同構件的大小、形狀和結構作胎架測量并建立起不同形狀的胎架，然后才能在胎架上進(jìn)行拼裝。（見(jiàn)圖4、圖5、圖6）


    由于構件體積超大，形狀不規則，胎架一般都高達十多米；而高度達40米～70米的桁架柱這樣的垂直安裝的構件，不能按其所在設計位置和狀態(tài)來(lái)拼裝，需要將其水平放置，這種情況下胎架就長(cháng)達40多米～70多米。（見(jiàn)圖7、圖8）

    3.2胎架和拼裝測量
    拼裝前先要依據所拼裝的按裝構件的設計坐標建立拼裝控制網(wǎng)。選擇所拼裝構件上兩個(gè)相距較遠的（端口或牛腿）角點(diǎn)，按他們的平面設計坐標精確地設置在地面上，以此為依據建立胎架和拼裝測量控制網(wǎng)（點(diǎn)）
    傳統的施工測量都是根據結構的軸線(xiàn)來(lái)進(jìn)行加工、拼裝、放樣和安裝定位，國家體育場(chǎng)鋼結構圖紙雖然給出了軸線(xiàn)，但只是理論上的，位于箱形管件的中心，因為構件的形狀非常復雜和奇特，其表面幾乎都不是平面而是一個(gè)個(gè)扭曲面，無(wú)法將其軸線(xiàn)投影或布設到構件的某一個(gè)表面上，也就無(wú)法根據軸線(xiàn)來(lái)進(jìn)行對接拼裝，只能根據圖紙上給出的構件端口（或牛腿）四個(gè)角點(diǎn)的坐標來(lái)進(jìn)行拼裝。拼裝時(shí)依據端口或牛腿的角點(diǎn)坐標在胎架上三維定位并多次調整，直到實(shí)測三維坐標符合規范和設計要求。
    設計圖紙上給出的構件端口（或牛腳）角點(diǎn)的是在設計位置和狀態(tài)下的，有些安裝構件象桁架柱和肩部次結構等，則應進(jìn)行坐標轉換，轉換成便于在地面上建立胎架和進(jìn)行拼裝的坐標系，再依據轉換后的坐標建立胎架和進(jìn)行拼裝，這項工作須要在電腦上用轉換構件的模型的方法平實(shí)現。
    每一個(gè)安裝構件都要和它周邊的幾個(gè)構件進(jìn)行對接，一個(gè)安裝構件上有一個(gè)端口或牛腿的拼裝精度低都會(huì )影響到它和周邊構件的對接，也會(huì )使后續安裝的構件不能順利對接，給整個(gè)工程的安裝帶來(lái)不利影響。因此在拼裝時(shí)都是多次反復進(jìn)行調整，直到符合設計和規范要求。
    4構件高空安裝定位測量
    4.1定位測量基本要求和方法
    和拼裝測量一樣，除桁架柱柱腳外，安裝定位測量也不能利用構件的軸線(xiàn)來(lái)進(jìn)行定位，而只能依據安裝構件上端口或牛腿角點(diǎn)的坐標，用三維坐標定位的方法來(lái)安裝定位。
    整個(gè)鋼結構工程是由柱腳、桁架柱、次結構柱、桁架梁通過(guò)牛腿和腹桿等相互連接成一個(gè)整體，一個(gè)安裝構件的定位是否精確，是否符合規范和設計要求，直接影響周邊構件的安裝，也會(huì )間接影響到其他部位構件的安裝?？芍^牽一發(fā)而動(dòng)全身。
    安裝構件的安裝定位測量主要有柱腳（包括桁架柱柱腳和次結構柱柱腳）安裝定位測量、桁架柱安裝定位測量、次結構柱（包括排水柱、樓梯柱）安裝定位測量、桁架梁安裝定位測量。各類(lèi)構件的大小、形狀和定位條件都不一樣，雖然都用三維坐標定位，在具體的操作方法上還是不完全一樣的（見(jiàn)圖9、圖10、圖11）。


    4.2柱腳定位測量
    柱腳是整個(gè)鋼結構式工程中最基礎的部位，其他的柱、梁等都是從這個(gè)基礎上來(lái)進(jìn)行安裝的。其安裝質(zhì)量的好壞，精度的高低不僅影響后續構件的安裝精度，可能還會(huì )影響到后續安裝工作的順利進(jìn)行。柱腳頂面上雖然可以設置軸線(xiàn)，但軸線(xiàn)長(cháng)度較短，只有兩米左右，安裝時(shí)如軸線(xiàn)的方向偏稍微大一點(diǎn)，就會(huì )影響桁架柱上部連接桁架梁的4個(gè)牛腿的軸線(xiàn)產(chǎn)生方向偏差，在后續安裝桁架梁時(shí)會(huì )使其軸線(xiàn)的方向偏差越來(lái)越大，每榀桁架梁都長(cháng)達100多米，嚴重的可能性會(huì )出現失之毫厘差之千里的現象，影響到鋼結構工程的合攏，輕則會(huì )使桁架梁出現較大的側彎，也會(huì )影響其他構件的安裝。對此測量、安裝人員在安裝時(shí)一次又一次地觀(guān)測，一毫米一毫米地調整，將軸線(xiàn)點(diǎn)偏差調整到3毫米以下。為桁架柱、桁架梁的安裝及鋼結構工程的順利合攏打下了良好的基礎。
    4.3桁架柱定位測量
    24個(gè)桁架柱的高度在40米到67米之間，由棱形內柱和一個(gè)兩個(gè)外柱通過(guò)腹桿連接構成，每個(gè)桁架柱分兩段起吊安裝，最重的安裝構件重達360多噸。其特點(diǎn)是高度高，上大下小，牛腿和端口多。有的端口與桁架梁對接，還有的是與立面和肩部的次結構連接。它的安裝定位測量主要是調整棱形內柱的垂直度、牛腿和端口的位置符合要求 ，以便于和其他構件對接。
    由于桁架柱是分兩段安裝，安裝定位測量也相應分兩次進(jìn)行。用檢查棱形內柱兩相鄰棱線(xiàn)的垂直度來(lái)對內柱進(jìn)行調整。在內柱兩對角線(xiàn)方向上架設儀器，瞄準棱線(xiàn)上、下端調整到其偏差小于千分之一柱高并小于35毫米。同時(shí)轉動(dòng)柱體調整牛腿的方向到設計方向，并測量牛腿角點(diǎn)的三維坐標并調整到符合設計要求。
    立面次結構柱（包括排水柱、樓梯柱）都是傾斜的，不能用軸線(xiàn)而只能通過(guò)端口角點(diǎn)坐標來(lái)安裝定位，也不能直接用垂直度的指標來(lái)檢查和衡量次結構柱的安裝精度和質(zhì)量。參照直柱的傾斜度規定，我們用次結構柱頂端口角點(diǎn)平面坐標偏差來(lái)衡量其安裝精度和質(zhì)量，用位移矢量35毫米這一指標來(lái)控制。
    4.4屋面主桁架梁定位測量
    國家體育場(chǎng)鋼結構式工程的屋面是由24榀主桁架梁相互交叉形成一個(gè)格網(wǎng)狀，中間開(kāi)口，主桁架梁上、下弦之間高度達12米多，桁架梁之間還有次結構式相連。整個(gè)屋面桁架梁共分成182段安裝，雖然每個(gè)安裝構件的重量比桁架柱輕，但牛腿多，既要保證桁架梁軸線(xiàn)位置和桁架梁的垂直度符合規范要求，又要使桁架梁上、下弦兩邊的牛腿精確定位，以便后續安裝時(shí)能與次結構順利對接要求接口的焊縫偏差不能大于3毫米。安裝一段桁架梁并要達到上面的要求需要測量的安裝人員反復觀(guān)測、調整。司鏡人員則要在50米～60米高的地方反復測量各個(gè)端口（或牛腿）位置，直到構件安裝精度符合規范要求。
    鋼結構桁架梁結構面沒(méi)有一個(gè)是平面，無(wú)法在桁架梁件構面上設置軸線(xiàn)或軸線(xiàn)點(diǎn)，也就不能用軸線(xiàn)來(lái)定位并控制、檢查軸線(xiàn)偏差。經(jīng)過(guò)仔細分析和認真研究，我們認為雖然軸線(xiàn)位于桁架梁上、下弦的中心，是虛擬的，也不能投影到某一個(gè)結構面上。但上、下弦兩端端口角點(diǎn)與軸線(xiàn)有固定的幾何關(guān)系，他們之間是絕對相關(guān)的關(guān)系。我們不僅可以用角點(diǎn)坐標來(lái)定位，還可以用角點(diǎn)的坐標偏差計算出該端口的軸線(xiàn)位置偏差。端口角點(diǎn)的標高偏差就是軸線(xiàn)的標高偏差，而將角點(diǎn)的平面坐標偏差通過(guò)計算，分解成一個(gè)垂直于軸線(xiàn)的分矢量和一個(gè)平行于軸線(xiàn)的分矢量，觀(guān)測后現場(chǎng)計算、調整。這樣解決了桁架梁軸線(xiàn)偏差的控制和檢查問(wèn)題。
    5結束語(yǔ)
    在國家體育場(chǎng)鋼結構工程的施工測量中，一些新技術(shù)、新方法和高精度的測量?jì)x器得到了廣泛的應用，如在電腦中用轉換三維模型的方法來(lái)實(shí)現鋼結構安裝構件的坐標變換，以便于在地面建立胎架和拼裝構件，按過(guò)去用手工計算的方法來(lái)作三維坐標變換是不可想象的。另外，在國家體育場(chǎng)施工測量中還應用衛星定位系統、激光跟蹤儀、激光掃描儀、智能全站儀及數字水準儀等，對快速建立高精度大型工程三維控制網(wǎng)的方法和精度、對精密空間放樣測設技術(shù)的精度和方法、對大型或特殊工程設施的空間形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)或準實(shí)時(shí)的精確檢測和完整記錄以及動(dòng)態(tài)與靜態(tài)變形監測等進(jìn)行研究，都取得了良好成果。 這些新技術(shù)、新方法的廣泛應用不僅提高了施工質(zhì)量和進(jìn)度，也體現了“科技奧運”、“數字奧運”的理念和宗旨。

    參考文獻
    [1] 中華人民共和國國家標準，工程測量規范（GB50026-93）
    [2] 北京市標準，建筑工程施工測量規程（DBJ01-21-95）
    [3] 北京城建集團企業(yè)標準，國家體育場(chǎng)鋼結構工程施工質(zhì)量驗收標準（QB/GJJT-GTCG-2005）
    [4] 北京城建集團國家體育場(chǎng)工程總承包部，國家體育場(chǎng)鋼結構施工控制測量實(shí)施方案，2005，8
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