1、超高层建筑平面控制网设计、引测与检核 杨海龙 贾宇 陈刚 韩冰 孙国旭 中国建筑第八工程局有限公司天津分公司 摘 要： 随着社会的不断发展和进步, 在各城市的超高层工程已屡见不鲜。超高层已经成为代表一个地区经济和科技高度发展的地标性建筑。主要以天津周大福金融中心为载体, 介绍了超高层建筑在各施工阶段的平面控制网的布设、引测和检核方法, 超高层建筑中每个施工阶段都对测量点位的精度有着超高的要求, 正确的测量方法是保证超高层顺利完工的关键所在。关键词： 高层建筑; 测量; 平面控制网; 布设; 引测; 检核; 作者简介：杨海龙, 工程师, E-mail:收稿日期：2017-07-06基金：中建八局
2、科技资助 (2014-01) Design, Guiding Measurement and Check of Horizontal Control Network in Super Tall BuildingYANG Hailong JIA Yu CHEN Gang HAN Bing SUN Guoxu China Construction Eighth Engineering Division Co., Ltd. (Tianjin) ; Abstract： With the continuous development and progress of the society, many c
3、ities have seen a variety of super tall building projects. Super tall building has become the landmark representing the high development of a regions economy and science and technology. This paper mainly takes Tianjin CTF Financial Center project as the carrier to introduce the layout, guiding measu
4、rement and check of horizontal control network in the construction stages of super tall buildings. Every construction stage of super tall building has a high requirement on the accuracy of the measurement points. Therefore, correct measuring method is the key to ensure the successful construction of
5、 super tall building.Keyword： tall buildings; measurement; horizontal control network; layout; guiding measurement; check; Received： 2017-07-061 工程概况天津周大福金融中心总建筑面积 39 万 m (地下 98 370m) , 地上结构 100 层, 高 530m, 为天津滨海第一高楼, 是集办公、酒店式公寓、酒店等众多业态于一体的综合性建筑。塔楼结构采用“钢筋混凝土框架核心筒+钢外框体系”。核心筒设计复杂多样, 筒内插有钢板、钢骨柱, 平面形状随竖向
6、结构攀升不断变化, 墙体截面逐渐内缩, 层高、墙体厚度、墙体内劲性钢构位置变化多样。外框结构由角框柱、边框柱、斜撑柱、钢梁、3 道带状桁架、帽桁架、塔冠钢结构和筒外压型钢板组合楼面组成。其中, 柱在竖向结构先后经历“钢管混凝土柱劲性柱纯钢柱”的变化过程。核心筒分为钢结构、竖向墙体和筒内水平结构3 个施工面, 按照“不等高同步攀升”原则施工, 钢结构先行、土建跟随, 核心筒墙体先行、水平结构紧随的原则, 核心筒墙体采用智能顶升平台的方法施工。地下室为 4 层框架结构, 基坑支护体系采用“支护桩+5 道环梁支撑”;土方分 6 步开挖, 开挖深度约 23m, 基坑支护体系采用“地下连续墙围护+4 道
7、混凝土内支撑”。2 超高层建筑控制网布设原则控制网根据“先整体后局部, 先控制后碎部, 高级控制低级”的原则进行布设, 首先根据测绘部门提供的控制点, 在场区外布设永久控制网, 作为整个工程所有测量控制网的基准;其次为了便于场区内施工测量, 要在场区内布设场区控制网;最后在建筑物主体结构竖向施工时, 布设塔楼轴线内控网, 其布网形式及用途如表 1 所示。3 超高层建筑各阶段控制网布设、引测及检核3.1 进场初期及地下施工阶段控制网布设、引测及检核表 1 各级控制网布设形式及用途 Table 1 The layout type and application of different contr
8、ol networks 下载原表 进场初期主要是对测绘院提供的控制点进行交接, 复测点位精度是否满足施工需求, 因测绘部门提供的控制点一般不能长期保存, 而且在数量上也不能满足施工需要, 所以要根据原始点位进行联测、加密, 布设首级控制网。3.1.1 首级控制网布设、引测及检核3.1.1. 1 首级控制网选点及网形设计注意事项1) 超高层建筑因其工程浩大、施工期长, 所以首先要保证控制网的基准点可以长期保存, 一般可以打深埋桩作为控制点埋石, 若施工条件不允许, 在基坑变形影响范围以外的区域, 可选择沉降稳定的区域人工做混凝土围护桩来埋石。2) 点位要尽量环绕整个场区, 这样布设的网形精度比较
9、高。3) 如果场区周围有高大建筑物, 尽量将点位布设在高楼顶端, 便于塔楼施工阶段的监测及控制网检核使用。4) 选点时要保证网形中至少有 2 条不相邻边点位可以通视, 以便可以作为附合导线的起算边, 向场区内引测二级控制网。5) 选点时需考虑点位处卫星信号是否满足要求, 附近是否有电磁信号干扰, 以满足控制网静态观测需要。3.1.1. 2 首级控制网的引测方法先采用“一步法”对原有控制点进行坐标系匹配并检查点位精度, 剔除精度最弱的点, 之后采用静态观测布设三角网联测首级控制网。3.1.1. 3 首级控制网校核首级控制网在每次引测二级控制网之前进行一次检核, 以保证导线测量起算数据的准确性,
10、其检核方法与其联测方法一致, 将导线起算边的数据作为已知点进行静态观测, 将其他控制点的测量数据与原始数据做比较, 若平差后发现所有点位坐标相差较大, 则需要请测绘部门重新校核点位坐标;若只有部分点位坐标偏差较大, 则根据精度较高的其他点位, 采用全站仪导线测量法进行闭合检验, 并调整点位坐标值。天津周大福金融中心项目首级控制网布设形式如图 1所示。图 1 天津周大福金融中心项目首级控制网布设及联测示意 Fig.1 Layout and connection surveying of the first class control network 下载原图3.1.2 二级控制网布设、引测及检核
11、地下施工阶段, 为了将场区外的坐标系统引测到场区内, 以便于围护结构及地下结构的测量放线, 在场区内要布设加密点, 采用导线测量的方法进行引测形成二级平面控制网。为提高测量精度控制网采用附合导线形式引测, 不允许采用闭合导线形式测量。3.1.2. 1 二级平面控制网选点及网形设计注意事项根据施工总平面布置图选取合适的点位, 在进行现场踏勘后确定点位的最终位置, 选点时应注意以下几点。1) 为保证首级控制点能长期使用, 场区控制点尽量布设在土质稳固安全的地方, 埋设地方避开室外管线施工作业面。2) 为减少放样误差, 避免短边控制长边, 控制点间距离应大致相等且大于放样点到设站点距离。3) 为便于
12、设站定向, 选点位置保证相邻控制点间通视良好不受旁光折射影响, 场区平面控制网布设成环形, 使控制点能环顾场区。4) 根据 GB500262007工程测量规范中关于导线边长及角度观测的相关规定, 考虑网形及边长满足规范要求布设点位。综合以上几点要素, 场区控制网布置如图 2 所示。3.1.2. 2 二级平面控制网引测二级平面控制网加密测量以首级控制网的 G4 点和深埋点 2 为导线起始边, 采用三等导线测量精度联测场区内 4 个平面控制点, 测设到首级控制网 G2 点和深埋点 1 为终止边形成附合导线, 其观测路线如图 3 所示。图 2 二级控制网点位布置示意 Fig.2 The point
13、position layout of the second class control network 下载原图图 3 二级平面控制网引测示意 Fig.3 Guiding measurement of the second class plan control network 下载原图3.1.2. 3 二级平面控制网检核如何确定二级控制网的各控制点是否变动, 采用多余观测的方法进行检核。当采用二级控制网点进行设站定向后, 观测另一个相邻控制点的坐标作为多余观测数据, 若发现观测的控制点坐标值偏差较大 (5mm) , 则需要对二级控制网进行检核。二级控制网的检核与引测方法一致, 需要注意的是,
14、在采用导线测量法进行检核之前, 要先对首级控制网的导线起算边进行检核, 以保证起算数据的准确性。最后, 根据导线测量数据进行精密平差计算出各点位坐标, 对原始坐标进行改正。3.2 塔楼主体施工阶段控制网布设、引测及检核3.2.1 轴线控制网布设注意事项一般高层建筑施工时轴线控制网布设成内控网, 将控制点直接引测到水平楼板上, 即可为上层结构提供定位基准线。但是超高层建筑由于其独特的施工工艺, 核心筒一般都采用顶模或者爬模施工, 竖向结构施工进度领先水平结构, 所以不能采用常规方法布网, 其轴线控制网布设时要考虑以下几个方面。3.2.1. 1 点位布设位置选择为便于墙体模板控制线的引测、标定及控
15、制网检核, 控制点的接收装置要安置在核心筒外墙壁上, 所以选择控制点位置时不要距离外墙过远。同时, 还要考虑在基准层引测点位时可以有足够空间架设仪器, 因此选择距核心筒结构外墙200300mm 为理想距离区间。3.2.1. 2 控制网使用功能布设的控制网要满足土建及钢结构施工可同时使用, 钢结构的 H 型钢及剪力墙钢板要先于混凝土墙体施工, 钢结构施工定位时为便于观测, 要将控制点尽量引测到平台顶部, 所以选择点位时既要考虑向上传递时避开钢梁也要与平台设计人员沟通好躲避平台支撑桁架。3.2.1. 3 控制网网形控制网中相邻各点要保持通视以便于校核距离, 控制网形要尽量与核心筒外框形状保持一致,
16、 便于校核网形和控制墙体截面几何形状。当核心筒外墙几何形状不规则时, 在筒内要加密一个轴线控制网以便于控制网引测、校核以及核心筒内部的墙体定位使用。3.2.1. 4 保证测量系统的统一性, 多网合一为保证主体结构、二次结构、幕墙、机电安装、精装修等各分项工程的施工顺利交接, 各施工队伍应尽量使用同一个控制网, 因预留洞口控制点不易标识, 所以根据塔楼土建控制网要在筒外尽量靠近楼结构边缘外放矩形控制网, 供后续施工队伍使用。3.2.1. 5 网形转换原则上控制网应由首层布设, 保持网形一致一直引测至顶层, 但是因为核心筒墙体不断内缩, 外墙形状不断变化, 网形要随之不断转换, 而且受外界不利因素
17、影响和仪器自身精度的限制, 为保证投点精度每次引测高度不能过高, 所以控制网在竖向传递过程中要阶段性传递, 并且网形要多次进行转换。为保证测量控制网的可追溯性, 以便于网形的检核和纠偏, 至少要保证网形有一条边可以一直传递到结构封底, 作为检核控制网的基准边。综合以上 5 点, 仔细研究各楼层结构及建筑平面图, 初步确定控制点位置, 将初选的控制点位置放入 BIM 模型中并用竖向铅垂线标记出控制网各点位的竖向位置, 在模型中分阶段观察点位在竖向传递过程中是否有阻挡, 再进行细部调整确定最终点位。塔楼结构施工时要布设 2 个轴线控制网, 一个控制网是为塔楼的核心筒墙体施工定位使用, 另一个控制网
18、是为塔楼的外框钢结构、幕墙、精装修及机电安装等分项工程提供轴线控制网。二者布设顺序是先布设外框钢结构和幕墙等施工需要的外围控制网, 再根据外围控制网放样出核心筒墙体定位控制网。3.2.2 塔楼外筒轴线控制网布设外筒的轴线控制网主要有 2 个用处: (1) 为塔楼的外框钢结构、幕墙、精装修及机电安装等分项工程提供轴线控制网; (2) 引测核心筒轴线控制网。所以, 外筒轴线控制网布设要注意以下几方面。3.2.2. 1 网形选择首先, 外筒控制网作为其他后续施工队伍测量定位的基准网, 网形一定要简洁、规则, 以便于各队伍对网形进行检核。3.2.2. 2 点位选择外筒控制网作为核心筒轴线控制网的引测基
19、准, 点位应尽量布设在核心筒的外阳角周围, 点位间保持通视, 并保证点位可以竖向引测不受钢梁阻挡。3.2.2. 3 网形转换由于塔楼竖向结构逐渐内缩, 布设在首层的控制点不能一直传递到顶层, 所以当塔楼外筒收缩到一定范围时, 必须改变控制点位置, 网形不变控制网整体内缩, 以保证点位能竖向传递。3.2.2. 4 确立基准边由于超高层的自重+荷载以及混凝土形变等自身变形和日照、风振等外界不利因素的影响, 会影响布设在首层结构的控制网的网形及点位精度, 为此要确立控制网的一条可以通视的边作为基准边, 当发现网形变动时, 采用闭合导线测量的方法对其进行调整。综合以上 4 点, 外筒首层控制网布设如图
20、 4 所示。图 4 塔楼外筒首层平面控制网布设示意 (单位:m) Fig.4 Layout of the plan control network in the first floor (unit:m) 下载原图其他各楼层布设的网形与首层相同, 只是在塔楼外轮廓内收时, 相应地使控制网也内缩, 这里不重复介绍。3.2.3 核心筒轴线控制网布设核心筒布设轴线控制网主要考虑以下几点因素: (1) 墙体施工工艺; (2) 墙体水平截面变化; (3) 墙体厚度变化; (4) 如何合理控制网形的引测高度来选择控制网的转换层。综合以上几点来确定控制网的网形、控制点的位置, 轴线控制在竖向传递过程中的检核层
21、和转换层的位置。3.2.3. 1 如何确定网形核心筒是塔楼施工的关键部位, 核心筒轴线控制网的主要作用是为墙体施工时模板定位提供基准线, 所以控制点的数量要满足可以为内墙和外墙定位提供基准。另外, 因塔楼竖向施工可视为一个独立结构, 所以核心筒控制网除了定位轴线的作用外, 还要在竖向施工过程中可以控制核心筒的截面几何形状。因此, 控制网的点位数量要满足施工需要, 同时网形还要简洁、规则, 以便于传递和检核。3.2.3. 2 如何确定控制网位置核心筒内部有电梯井, 筒内有很多中空区域, 在筒内布设点位、引测点位时有高空坠物的危险, 而且筒内光线不好, 墙体结构较多, 若在筒内布设控制网, 相邻点
22、位间不易通视, 不利于网形的检核。所以考虑以上几点, 将核心筒控制网布设在筒外比较利于施工测量引线及网形的传递和检核, 因为墙体采用顶升平台施工, 墙体控制线直接投点后要引测到墙体上, 所以距外墙皮不能太远。根据以上两点可以初步确定控制网的形状和位置, 下面根据天津周大福金融中心项目的具体情况来说明, 核心筒控制网是在水平结构到零层板时进行布设, 塔楼核心筒的形状共经历 6 次变化, 具体变化过程如图 5 所示。图 5 墙体水平截面变化示意 Fig.5 The change of horizontal section 下载原图核心筒剪力墙厚度在 2 400350mm, 其中外墙厚度有 2 40
23、0, 1 700, 1 500, 1 450, 1 350, 1 250, 1 050, 900, 800mm 等。核心筒沿竖向高度外墙厚度变化7 次, 具体内容如表 2 所示。表 2 核心筒剪力墙外墙厚度变化情况 Table 2 The thickness variation of the exterior wall of shear wall 下载原表 表 3 核心筒剪力墙外墙厚度随截面变化情况 Table 3 The thickness variation with cross section variation for the exterior wall of shear wall 下
24、载原表 由以上资料可以总结出核心筒墙体厚度在不同截面阶段的变化情况, 如表 3 所示。核心筒竖向施工时轴线控制网主要是为了定位墙体模板, 墙体厚度变化时顶升平台的挂架操作如下:外墙外侧架体按照墙厚 1 250mm 设置, 在底部墙厚1 250mm 的楼层, 挂架向外移动, 在 4 个角部增加活动走道板连接。外墙外侧挂架上的翻板按照最小墙厚 900mm 设置, 当墙厚900mm 时, 翻板倾斜靠在模板上。随着墙厚的减小, 模板高度范围及以下范围内的翻板逐渐放平。由上述方法可以看出, 当墙体变薄时外墙外侧架体要向内侧移动, 因为外墙外侧挂架的翻板在墙体合模时才放平, 而且墙厚900mm 时还是倾斜
25、靠在模板上, 所以墙体模板控制线要投射在外墙外侧架体上翻板以外的区域, 根据设计的架体结构电子版, 首层控制网使控制线偏离核心筒外墙 1.2m 距离为宜。最终, 确定核心筒控制网的形状及点位分布位置如图 6 所示。在核心筒的各大角布设控制点有 2 个作用: (1) 控制墙体大角垂直度; (2) 控制核心筒的截面几何形状。在 1F43F 核心筒控制网布设时, 增加了 1 条十字线是为了便于筒内墙体定位时进行引线。3.2.3. 3 如何确定控制网竖向引测的楼层限差按照工程测量规范相关规定, 建筑物总高 H150m, 轴线投测精度30mm, 本项目采用的激光铅垂仪竖向投点标称精度为 1/400 00
26、0, 为目前国内最高精度的铅垂仪。经过多次实践证明, 在投点高度 100m 范围内, 无外界条件干扰的情况下, 投点成像清晰, 对投测的 4 个点位形成的矩形, 采用闭合导线测量检核, 最大点位偏差为 3mm。但是实际施工过程中, 特别是结构高度达到 200m 以上时, 由于外界不利因素及结构自身变形的影响, 对投点精度造成很大误差。本工程从 3 种工况进行计算分析结构的变形位移, 本结构施工过程模拟计算选取各种荷载的不同组合, 如表 4 所示。表 4 荷载组合 Table 4 Load combination 下载原表 为尽量避免外界不利因素的影响, 点位引测一般在凌晨或傍晚, 避开日照强风
27、、大型机械振动等不利外界因素影响, 根据计算书显示, 在不考虑风荷载及地震荷载的影响下建筑物在工况 1 及工况 2 下每步施工变形值如表 5, 6 所示。表 5 工况 1 建筑物各步变形值 Table 5 The deformation value in every step under condition 1 下载原表 表 6 工况 2 建筑物各步变形值 Table 6 The deformation value in every step under condition 2 下载原表 图 6 1F97F 核心筒平面控制网布设示意 (单位:m) Fig.6 Layout of plan co
28、ntrol network of core tube at floor 197 (unit:m) 下载原图如表 5, 6 所示, 在工况 1 下, 在考虑 y 向风载时, 建筑物结构楼层差12 层时, 建筑物 x 方向最大位移为 25mm 左右;工况 2 下, 在考虑 x 向风载时, 结构楼层差16 层时, 建筑物 y 方向最大位移在 25mm 左右。综合以上变形差值, 所以点位投测检核的楼层差以14 层最为适宜。3.2.3. 4 如何确定控制网竖向引测的转换层位置因为核心筒墙体截面随着竖向结构的升高不断内缩, 核心筒外墙截面及结构形状分别在 13 层、33 层、43 层、73 层发生变化,
29、所以还要根据墙体和筒外楼板的施工进度确定核心筒控制网的转换层。塔楼地上结构分筒体竖向、筒外钢框、水平结构 3 部分进行施工, 筒体竖向领先筒外钢框 5 层、筒外钢框领先压型钢板结构 2 层、压型钢板领先水平混凝土结构 4 层。如图 7 所示。最终根据施工进度安排和之前确定的控制网竖向引测的楼层限差, 确定核心筒检核层及转换层布置如表 7 所示。3.2.4 轴线控制网引测超高层核心筒墙体模板控制线的引测主要包括 3 方面: (1) 首层控制网的引测; (2) 轴线控制点竖向传递; (3) 楼层控制网形的转换。3.2.4. 1 首层控制网引测首层控制网是保证塔楼测量定位精度的基础, 所以对首层轴线
30、控制网必须保证两点: (1) 为确保塔楼与地下结构及裙房的定位统一性, 必须先确保控制点位坐标的统一性; (2) 为保证核心筒的几何形状, 必须确保网形几何形状准确。首层控制网采用二级场区控制网进行引测, 先采用全站仪用极坐标放样的方法放样首层控制网的 4 个控制点 N1N4, 根据放样出的控制网, 以 N1N2 作为基准边, 采用全站仪测角量边的方法调整几何图形, 最后精确调整点位, 具体测量步骤如下。图 7 塔楼竖向施工工序示意 Fig.7 Vertical construction process of tower building 下载原图表 7 核心筒控制网转换层和检核层楼层分布 Table 7 Floor distribution of check layer and transfer layer of control network for core tube 下载原表 1) 根据设计的内控制点位置, 在定位电子版提取控制点坐标。2) 根据场区平面控制网的 T1, W1 作为已知点设站、定向, 采用极坐标放样的方法定位出塔楼首层控制网的 4 个控制点 N1N4。
