迪拜塔广场测量施工方案(fusion数据系统)

FUSION数据系统在迪拜塔测量中的应用
Joël VAN CRANENBROECK, Belgium
Douglas McL HAYES, Dubai
Ian R SPARKS, Australia
关键词：数据处理系统GPS接收器高精倾角仪方型调节器FUSION数据
摘要：
近几年来，超高层建筑施工已引起大家的浓厚兴趣。

对于这些超高层建筑建设过程也渐渐为人所知。

强大的外力作用（比如，风压，阳光的单侧照射，以及其他单侧的荷载）导致这些建筑倾斜。

因此这对我们的施工也提出了挑战。

1 导言INTRODUCTION
1.1 概述Overview
迪拜塔位于阿联酋，她建成后总高度将超过800m。

由于建筑高而细，因此施工过程中受到风荷载，塔吊荷载，施工顺序以及其他因素的影响而摆动。

竖向结构采用爬模系统，建筑平面为蝶型，所以需要设置更多的控制点。

施工工程中建筑不断摆动，因此有必要开发一个可以提供有效的控制点并可以使用的测量系统。

预测的位移分析已经完成，并将可以传送施工精确定位的系统安装在模板顶层。

有限的计算结果虽是可以利用的，但是监测需要精确完成。

1.2 建筑的移动Building Movements
根据不同的构成，建筑的移动可分为三类。

1.2.1 长周期的运动（Long Period Movements）
这类运动一般周期为一周到6个月。

◆筏板（或基础）不均匀沉降。

随着筏板基础上荷载的增加，筏板不断的沉降。

如果沉降不均匀，将导致塔楼结构的相应的倾斜。

◆筏板变形。

随着施工进展，塔楼中心的荷载不断加大，筏板变形也逐渐加强。

筏板的变形也就影响着结构的垂直状态。

◆施工顺序。

施工循环流水，每层的施工进度在5-7天。

这将导
致整个建筑的重心在垂直轴上相应移动。

见图3。

◆建筑设计。

随着工程进度，施工到不同楼层，建筑物的重心不断上升，并偏移最后理论上的设计垂直轴。

◆混凝土徐变和收缩。

竖向结构长期缓慢的细微的徐变和收缩，导致塔楼重心在一个较长时间内少量的偏移摆动。

偏移的总量将取决于各个楼层的情况。

1.2.2 每天的运动Daily Movements
以下这些因素导致塔楼每天24小时不断的运动。

◆光照的影响。

光照的一面遇热膨胀，而相对的面则不然。

这样建筑顶端将背离太阳变形。

光照影响的数学模型表明，6小时内温度差10℃ 800m高的建筑顶端将偏移150mm。

这样就等于，每小时在水平方向偏移25mm。

因此每天对模板的控制影响最大的是光照的影响。

1.2.3 动态的运动Dynamic Movements
以下一些因素使塔楼摆动的周期在10秒到15分钟。

◆建筑物谐振。

根据该项目的结构工程师提供的信息，建筑物运动的在两个轴上（X、Y轴）自然周期为10-11秒，如果每0.5秒记录一次定位数据，那末30分钟记录的数据形状就象一个不规则的椭圆。

如果风速加大这个椭圆“形状”也随之加大。

◆风压力。

风压将使建筑重心移动。

移动的数量取决于风速，风向和结构方面的因素。

◆塔吊荷载。

当塔吊提升或卸下负重，这都会加剧建筑物的运动范围。

这类移动在5-15分钟内自由移动。

当定位测量开始时有必要
停止塔吊的使用，以减少塔楼自由偏移对定位测量的影响。

荷载以及其他因素将使塔楼偏移理论竖向轴线，建筑本身的谐振也将使建筑物不断偏移到回复之间不断振荡。

测量系统必须考虑，允许施工过程进行，并保证因塔楼在不断运动而进行的测量工作的误差在允许范围内。

1.3 模板系统Formwork System
每次混凝土浇注所用的模板是由一系列许多单体组成，每个都需要控制。

每层设置了240个模板系统的控制点。

采用传统的测量方法，通过穿透楼板将初始的楼层控制点投测到施工的作业面，已经不实用了。

这个项目采用后方交会法（Resection）作为测量控制的主要程序。

1.4 初始测量（Initial Surveys）
工程开始在现场周围精确的设置6个永久的测量依据点。

这些点用“I”型钢柱，深入到地下15m，钢柱周围混凝土包围。

在钢柱顶部浇注一个柱帽，以提供一个坚固的工作平台。

这些控制桩用于所有的初始测量，并且是以后监测工作的依据点。

1.4.1 下部楼层Lower Levels
由于模板需要大量的控制点，因此发展一种方法仅需要一次测量即可实现控制是很有必要的。

建筑物坚固的部分是混凝土，所以要在其顶部新浇混凝土表面上做标记。

总站设备也搭在混凝土上，采用外部台架上的标记进行后方交会法定位。

设在顶部表面的标记通过交会定位控制来确定。

精度与标记计算相匹配。

当模板上升到上一楼层时，这些标记偏移主要的工作平台，甚至进了混凝土。

模板后面的调节器可以根据标记进行重新定位。

从地面到20层可以采用外控法进行控制。

由于从塔楼基础到上部只有100-150m的距离，垂直度观测证实塔楼没有运动。

筏板测量数据也显示，没有因为细微的沉降导致塔楼倾斜。

因此直接用此方法进行模板测量校准是可行的。

1.4.2 上部楼层Upper Levels
由于施工不断进行，建筑物不断升高，如1.2中所述的各种作用力的综合影响，建筑物开始运动，并且运动方向是任意的。

20层以上在现场采用外控法，已经越来越困难。

离现场距离最近的建筑也超过500m，因此也不可借用。

在此阶段，有必要采用一种新的交会法和测量系统，要求其能纠正建筑物摆动所带来的偏差。

也有必要安装一种工具以鉴别在任何长时间内建筑物最终的摆动情况，以及判定塔楼在某个方向永久的偏移，以便想法去抵消。

2 核心筒测量系统（CORE WALL SURVEY SYSTEM）
结构的运动为精确测量带来一些麻烦。

理论上讲，我们必需准确的及刻的掌握建筑物竖轴偏离设计竖轴有多远，我们需要确认仪器的
坐标精确。

然而在很短时间在两者之间确定的一个“折中的”（mean）位置就可以提供了一个合适的解决办法。

2.1 设备定位确定（Instrument Position Determination）
在上部楼层，我们常用GPS静态模式进行测量控制。

在顶部楼层的模板上最少需要安装3个GPS天线接收器。

可倾斜的环型棱镜放置在每个天线下。

TPS（Total Station instrument）放在混凝土上，要使其与GPS之间通视。

这样，GPS和TPS组成测量系统。

图1：GPS和环型棱镜装置
静态GPS模型，卫星信号数据每1小时接收和记录一次。

在此期间，TPS可用于测量GPS天线下棱镜的一系列的角度和距离。

然后，TPS测量放置在新浇混凝土上的参照标志。

因此，这些参照点即可用于控制模板。

如1.4.1所述。

观测完成之后，数据传回办公室进行处理。

GPS天线定位的计算，处理数据，通过AT504天线和莱卡GPS Spider软件不断返回正在运行的GPS基站莱卡GPS GRX1200。

Original: After completion of observations, data is returned to the office for processing. Computation of GPS antenna positions is carried out, processed against data from a Continuously Operating GPS Reference Station Leica GPS GRX1200 Pro with AT504 chokering antenna and Leica GPS Spider software, using Leica Geo Office software (LGO).
图2：连续操作基准站
用直方交会法计算出TPS定位。

最后转换成WGS84三维坐标。

TPS 坐标与当地坐标系统交会，做好所有标准的基准点（reference
mark）。

这些步骤形成该项目测量装置和基准点的坐标。

一般多采用经纬仪作为双向轴线的测量，它要求能通视。

为减少观测过程因未对准观测对象的影响，自从开始使用这类设备起，现在还在沿用传统的操作程序。

今天，已经考虑内置补偿器和特殊的固件，以纠正因未对准而造成的错误。

但是，补偿器操作范围是有限的，通常在弧度的6’左右。

操作者需将主轴粗略调准，使气泡（bubble）在刻度线内。

此时，如果补偿器在可调整的范围之外，必须手动重新对准（realign）。

当我们认为不断变化的行为完全作为建筑的主轴，而不去校准本机的重力方向，这个过程对于熟练的操作者来说完全不合时宜的。

排除这些限制，很有必要认为这些装置是局部的三维轴系统。

根据观测（方向和距离），坐标计算是一致的，但是必须转换GPS天线定义的参考系（reference frame）。

当我们使用一个单一的总站时，错误地将简单的三维转换认为是类似的转换或赫尔默特转换。

图3：GPS主动控制点（GPS active control points）
2.2 建筑物校准测定（Building Alignment Determination）
核心筒测量系统（CWSS）采用NIVEL200双轴精确测角以精确判定塔楼在竖向调准。

斜角器测量倾角范围在±0.2″。

角度测量可应用于测算从筏板往上的倾角读数的垂直距离，以提供一个计算图表代替结构在平面Ｘ和Ｙ方向的倾斜。

总共8个精确倾角仪构成一个网络，即塔楼大约每20层作为一个施工阶段。

每个装置固定在核心筒中央墙内的盒子内，以免临时的干扰。

当倾角仪起初安装好时，他们将根据该层的测量控制从筏板基础往上垂直观测以进行校准。

一系列的观测将为建筑在X和Y方向的偏移提供一个及时的折中的位移值，并将用于以后的读数，输出结果将反映塔楼在该层的调整值与竖轴的关系。

倾角仪将通过RS-485电缆与局域网测量办公室运行的Leica GeoMoS软件的专用电脑联系起来。

图4: 倾角仪与电脑连接
2.3 核心筒测量系统（Core Wall Survey System）
GPS基站，GPS接收器，圆形棱镜的天线，以及总站与精确倾角仪网络连接，这四个测量元素就组成了完整的Fusion数据系统。

图5:Fusion数据系统
3 精度（PRECISION）
在CWSS系统中可能出现的差错检验指出，模板顺着结构垂直偏差数列进行校准，精度在±15mm。

识别塔楼长期的运动也是可能的，在任意一个假定的方向>20mm。

4 分析（ANALYSIS）
测量监测将提供筏板基础的沉降和变形信息，这些信息可用于精确判定塔楼在某一层的由于这些因素的影响而产生的偏移。

类似的方法可以测量核心筒和柱的收缩和徐变，用以推导塔楼运动的构成。

建筑动态模型已经发展，在任何指定的楼层导出施工过程、建筑物的设计以及光照作用的影响已经成为可能。

比如，在控制测量阶段，如果塔吊停止工作，仅仅保持建筑物不确知因素而产生的运动，那就归于风的作用了。

气象站应建在塔楼的三个地方，温度、风速、方向等数据应该持续连贯。

如果需要采取纠错措施的话，分析将预先显示在给定方向的长期运动。

NIVEL200网络片段系统（Nivel200 Network segment）可以用于塔楼施工期间和结构完成后的结构变形观测的管理。

所有信息的综合可以提供一个完整的结构管理系统。

5 结论（CONCLUSIONS）
GPS测量技术、自动总站、倾角仪以及数学模型，为世界最高建筑的结构施工垂直度控制提供了手段。

并提供了建筑物运动的大量的宝贵数据。

这仅仅是迪拜塔建设的开始，到最后顺利的完工还有很长的路要走。

我们知道，其他要素对Fusion数据系统也有一些影响，需要在过程中不断去解决。