空间管桁架结构的测量校正技术

空间管桁架结构的测量校正技术
1前言
管桁架结构因其独特的流线形美感及受力的合理性更是被推崇备至，一些大跨度、特大跨度的空间管桁架钢结构孕育而生。

近期最负盛名的当属有着“金陵红”美誉的十运会主会场一一***奥林匹克主体育场钢屋盖，该赛场钢屋盖拱桁架堪称“世界第一斜拱”（两根拱架跨度360.06m,弧线长度415m,成45°倾斜），宛如两条飘带，飘扬长空。

管桁架结构被发挥到了及至，可以说是中国传统建筑风格与现代高新技术的完美结合之一，为人所津津乐道。

（见图1）
新颖独特的构造和复杂的结构类型给钢结构施工的现场测量与校正工作提出了更高的要求，钢结构安装早已打破简单的“横平竖直”的校正格局，传统测量已无法满足现代钢结构的安装需要。

硬件上，随着现代科技的迅猛发展，电子仪器已占据了工程测量的主导地位，全站仪加计算机在工程测量中的成熟运用及高精度仪器的研发，无论从精度或成熟程度上都足以满足现代工程的建设。

硬件上的完备给现代测量工作奠定了坚实的基础，但仅此是远远不够的。

施工现场的测量需服务于现场施工，如何科学合理的运用测量理论，将传统测量与现代技术的有效结合，满足施工需要，这些都是需要不断研究和总结的。

2空间管桁架结构的现场测量与校正
2.1 管桁架测校的前期准备
好的开始就等于成功了一半。

前期准备的充分与否密切关系到后序测量校工作的开展。

工作包括：控制点的布设、结构控制点的选取及管桁架预拼装的检验。

2.1.1 施工控制点的布设
空间管桁架钢结构工程，施工测量控制网既要满足前期施工轴线的放样，还要兼顾后序
图1***奥林匹克体育主体育场效果图 图2***国际网球中心主赛场效果图
管桁架的校正。

所以，此类工程控制网的建立需长远考虑，布设的控制点能够覆盖整个屋盖系统，且贯穿于钢结构施工始末。

众所周知”站的高，才能看的远”，至高点测量，视野开阔、通视最佳。

但在实际工作中，屋盖均覆盖于构筑物上方，至高点观测几乎不太可能，这就要求在建筑物内部选择控制点位，建立所需的三维体系施工测量控制网。

高程控制网为空间一维体系，受通视影响较小，水准控制点选取易于作业且前后视距离大致相等的点位即可。

平面控制网控制点位的布设：实地勘察、熟悉作业环境，充分利用现场内视野开阔的至高建筑物（构筑物）；了解施工流程、进程，对临时支撑系统及自身结构吊装完毕后阻碍通视的影响，预见性的足够考虑;运用三维模型作理论捕捉、实地拟对，遵循“以避开临时支撑和临时设施、自身结构并保证多方向通视为准”的原则。

为便于操作，平面控制点同作高程控制点，三维体系同时建立。

这里主要介绍用于结构校正的控制点的布设，对控制网的施测过程就不作说明了。

实例1：“***”大拱安装校正用施工控制网。

由图3可知，东主看台的三个控制点El、E2、E3是为西大拱安装校正特设立的，如此设立的原因是位于西主看台的屋盖支撑体系为。

580和脚手架稳定，以及结构本身因素，对通视影响较大，光靠一点无法进行完全覆盖，三点恰可满足。

结构的空间定位，全站仪需紧跟吊装，受通视影响临时转点，时间上不允许，三点布设，若一方受阻可迅速转移。

且三控点均能与两主控点通视S"、N#彼此校核、补偿。

这样既保证了结构安装的精度与进度，乂体现出现场测量的特点一一切实为主线吊装服务。

实例2：“网球中心”施工控制网。

（见图4）主赛场外三点Ml、M2、M3为首级控制网，场内四点N5、N6、N7、N8为钢结构施工用测量控制网，四控点可对整个屋盖系统实现全覆盖，赛场中心区域开阔，通视情况良好，任一一点均可与其余三点进行观测，互核。

从以上两实例可以看出控制点位选择的原则是“以避开临时支撑、自身结构并保证多方向通视为准”，适应施工的测量精度、密度、进度，切实为主线服务,呈现现场测量的特性，且适宜直角坐标法放样。

时间跨度大，注重控制网的定期复核点位保护。

图3**奥体-施工控制网图4网球中心•施工控制网
2.1.2构件测点的选取
构件（校正）测点的选择要具代表性，能够准确、客观、完全地反映出结构的安装形态和安装精度。

点位可选择在结构曲率变化处（林*大拱即为各分段接口处），亦可选取结构特征点（如网球中心钢环梁为环梁上平面机械传动装置节点板中心）。

点位数量以结构的形态、强度及温度影响和预变形力影响综合分析，统筹取定（视结构特殊性可适当增加点位）。

控制点的坐标值可充分利用CAD软件辅助确保点位取值精度。

2.1.3管桁架（地面）预拼装的检验
对于跨度大且形式特殊的管桁架结构必须采取预拼装的施工方法，这样方能保证结构高空整体安装精度。

预拼装的优劣将直接影响到后续结构安装的精度,乃至总体吊装进度，必须严格验收、慎重对待。

钢结构预拼装验收流程：钢结构制作单位完成自检（合格后）一拼装资料上交至钢结构承包单位（完成二次自检，无误后）一资料上报监理单位（验收合格、签字）一钢结构下胎架，进行结构吊装
这里值得提一提的是预拼装和结构安装中的一个最关键问题一一“对接”。

进行过预拼的分段事先已在地面完成对接，安装中对接并无大碍。

但由于场地限制等原因，不可能完成整体预拼，这样若未进行预拼的前后分段势必在接头时发生错边现象。

这里以“***”和“网球中心”为例，是怎样处理该问题的。

（1）***大拱场内外对接。

这是***大拱安装的一个难点，由于无法进行预拼,
大拱四弦杆的对位惟有依靠监测加以控制。

利用全站仪和微棱镜的组合先对场外大拱分段（先吊）实施全程跟踪监控，分别记取杆件拼装到位时、焊接完成后的变化值及成型后的实际偏差值，并记录下焊接顺序；场内大拱拼装以实测数据为指导，依照场外拼装程序予以还原，使场内外大拱线形趋于吻合，偏位缩小至最小，达到最优状态。

（图5、6、7）
关键点可简述为：全程跟踪监控、明确焊接顺序、实测值为指导。

（2）网球中心钢环梁预拼装。

环梁预拼装区可拼装分段9段（两单元+1段）,“+1段”（第9分段）于第8段完成预拼，待1〜4段吊装完毕，将第9分段就
至原先第一分段处，作为后续环梁分段拼装依据，依此循序，共计就位3次，完成所有32段环梁的预拼装，确保了钢环梁预拼始终连贯，对接精确。

（图8）
2.2管桁架测量与校正
2.2.1 测校方法的简述
现场测校作业既要考虑测量，乂要考虑现场施工。

因此，管桁架形式不同,校正的方法也有所区别。

特殊的如“***”、“网球中心”，这种钢桁架均空间结构,
图5**奥体-大拱场外预拼装
图8网球中心钢环梁预拼装 图6**奥体•大拱场内预拼装 图7**奥体・场内外大拱对接
前者的桁架曲线在空间变化，后者呈空间环闭体系，传统校正手段操作十分困难且精度难以保证，选择采用（全站仪）空间三维定位，结构校正高效、便捷、准确。

对于简单的管桁架结构是完全可以采用传统测量设备和校正手段的，先期（校正）基线放线完成后，安装阶段使用经纬仪和水平仪就可从容应对，如复旦视觉艺术学院的钢拱架即是如此。

虽然跨度也达到了108nl，但校正相当简单。

利用水平仪、经纬仪即可完成拱架的三维定位。

（图9）
图9**视觉艺术学院钢桁架组图
2.2.2测校状态的分析
校正状态可分为两种：空载校正和带载校正。

空载校正：结构在自由状态（自重）下，校正到位。

这种状态下校正最精确,校正结果即最终精确定位，不会再发生变化。

但实际上，从吊装的进度和精度角度上考虑，钢桁架分段取定往往较重，少则五六十吨，重则过百吨，空载条件下校正十分困难，不切实际。

带载校正：吊装过程中同步进行结构校正，即边吊边校。

此种校正操作便利,但荷载释放后（即松钩后）存在一定变化，不过可以通过一定的过程监测，作事先预留、加以弥补。

施工测量即为主线吊装提供切实有效的服务，为此出于便捷施工的目的，实际操作中采用带载状态下校正，管桁架的测校探讨也由此展开。

既然是带载校正，校正吨位的选取将十分重要，合理与否关系到实际安装。

选择满载，操作轻松，但变数过大不易控制；反之，选择过轻，操作费力，带载校
正失去实际意义。

吨位选择的恰到好处，需要反复观察、总结与实践。

一般在前几段的安装中就要做好全程性的跟踪观测，以累计经验为主要目的，以备日后的校正任务。

首根以满载为起始，10T为一单元逐步释放（松构）,记录下各阶段桁架的变化情况（各定位点变化），包括校毕固定时（措施加固，松钩）、松钩后、焊接成型后的变化，绘出趋势，把握规律。

“网球中心”工程中，经过对第一~四段环梁吊钩松至20T时、松钩后、焊接成型后的变化，
取定40广30T最为有利（分段重60T）,此吨位时利于校正，变化易掌控，可以充分预见。

“***”拱桁架也是如此，40T~30T（重60T,最重段除外）。

2.2.3误差问题的处理
钢桁架的安装必定会带有制作和拼装上的误差，如何消除这种先天影响，是在安装中给予全额消除，还是“原位”安装？这个问题在“***”大拱和“网球中心”环梁的实践中得到了解答。

以“网球中心”为例，在第一区（四段）环梁安装过程中，尝试安装中消除制作和拼装误差，但效果不佳。

一区为一套旋转系统即一整体，一区内四分段相互关联，由于地面已预拼装，即使一段精确校正到位，若其余分段同向偏差尚可,其中一段反向偏差即产生连锁反应，导致后序环梁的对接和定位困难。

因此，将原则定为“依据拼装数据，反向基本准循、同向适时纠偏”的，在这两个工程中也得到了印证。

这点同时体现了“预拼装检验的重要性”。

2.2.4测校坐标系统的确立
众所周之，在大地坐标系中，纵轴为南北向，横轴为东西向，坐标值取定也是以此建立的。

但在实际校正中如此确立，十分不利现场操作，结构本身往往并不正方向（正北）布置，可能是斜向走位，也可能是渐变的（环形结构），这样就不易明确结构朝向。

所以，为了便于操作、工人易懂、直观反映（偏位方向），需要将坐标系进行转换。

下面引入“***”和“网球中心”，介绍一下在这两个工程中是如何实施的。

1）“***”东西两大拱均为（正）南北跨向，
平面外有一定弧度，但通过模型观察，在小范围,内角度影响可忽略不计，所以，仍可认为是正方》\
向即在纵（南北）轴上。

为此，坐标体系不作变\
动，校正偏差值直接以东、南、西、北形式实数1
报偏即可。

事先需做好交底工作，现场工人要明确建筑物东、南、西、北四个朝向，以免混淆。

作为拱架校正依据，分段处定位点理论坐标都是事先提供，也是必定提供的。

但尽此是远不够的，正如之前所说：钢桁架的安装必定会带有制作和拼装上的误差，因此，这一理论点位是永远无法找到，也是不可能校正到位的。

仅凭此理论坐标值不足以满足现场所需，往往是X校正到位了，Y、Z发生偏移；Y、Z到位了，X乂偏了，反反复复折腾数回，却始终达不到最佳状态。

虽然，我国先行规范规定跨度L>60m的桁架允许偏差50mm，依据此项规定单凭理论值校正也可做到，但结果常是“刚好”，效率上更是大打折扣。

若转换坐标系，情况便能改观。

为此，实际操作中运用了一项单向消除法即沿长度方向（南北）消除。

内业在模型图上捕捉出各分段接口处正负（伸长或缩短）100mm处，以10mm为界，共计21组数据（含理论值）。

这样做的好处：一是，保证大拱始终落在其理论弧线上；二是，误差只存在于长度方向（允许范围内），在合拢段一并予以消除。

（2）“网球中心”钢环梁实际校正作
业中采用了一种“径环向报偏”的形式报偏
差。

将环梁作径环分隔，以径向、环向的形式
报偏差，即场内、场内和向前、向后（顶推方
向为前）。

实际操作：测得实际定位点位（偏位）坐标
X、Y,将其换算至径环两向
图11网球中心钢环梁模型并简易绘制偏位图。

绘偏位图的用意在于明确环向偏位方向，X、Y向与径、环向合力矢量方向相同，算得偏位数据后，由图可直接看出偏位方向，不易搞混。

径向偏位数据=（X:+Y:）1/2-理论半径值（如内环：48.000m）；
环向偏位数据={[（△父+/\丫2）”于]-△颂"（偏位方向视图上方向）
2.2.5测校步序的确立
测校步序可示为粗校、精校，分两步走，可改善作业效率。

粗校：借助相关辅助手段使结构在吊装过程中就已可基本到位，比如：事先放样出桁架的径向投影线，在精校前利用经纬仪架设于投影线上对其进行定位；乂如，在桁架预拼时，画出分段接口处对合线，安装中先以对合线定位等等。

精校：粗校到位后，使用全站仪对管桁架进行测量，获得实际三维X、Y、Z偏差值，实施精确定位纠偏。

校正到位后，条件允许情况，可用粗校手段复核。

2. 3管桁架测校的控制措施
影响校正的因素无外乎：吊机松钩后的变化，焊接应力结构应自重产生挠度变形及支撑压缩变形，温度等。

结构形式不同，影响也各不相同，怎样解决？从哲学角度上讲，任何事物都有其规律性，只要把握规律、找出共性、抓住个性，事实就是，便能化繁为简，问题也随之迎刃而解了。

控制归根结底可归纳为三个“勤”字，”勤观测、勤总结，勤实践”，数据指导施工，勤加观察之后，找出变化趋势，以实测数据作为余量预留的依据，施加必要的控制措施，预见性的准备。

下面介绍两种测量校正作业中控制结构空间位移的辅助手段，这同样也是工程测量技术中的一部分。

1）运用杠杆原理控制位移
“网球中心”钢环梁逐段安装作业中，由于环梁
场内悬臂长，结构始终存在一个向内倾覆力。

校正中着
重观测前沿（96m 内环梁）倾覆变化，支撑脚（滑移
脚）为高分子华龙板，压缩1mm,转至前悬沿口就达
8mm ，倾覆力臂I ：8。

为此，试图在外环梁上施加约
束（悬挂压铁）， 利用杠杆原理来控制环梁向场内的倾覆，辅助校正，效果颇加。

2）合拢段的安装；合拢是管桁架安装的最后一道工序，也是善终的一环。

合拢段安装的好坏即是管桁架测校工作的最终呈现。

由于此类管桁架的跨度都过大，且施工周期长，温差对桁
架变形的影响较大，按常规施工方法，则拱桁架在中间位置势
必出现错口或尺寸偏差现象，无法合拢。

所以桁架合拢段的安
装必须采取整、散结合的方法,即部分杆件根据现场测量的实
际尺寸进行下料、切割相贯口及坡口，高空进行散装。

同时，
为避免温度应力对桁架产生的不利影响，桁架上预留两个合拢
口，合拢口处的杆件点焊固定并预留一定的收缩余量,待温度
达到20℃~25℃时，再将合拢口焊接好。

在气温低于20c 的时
节，采取清晨取值安装、午时焊接收图14网球中心钢环梁合
拢口。

合拢要注重时机性的掌控。

图12网球中心钢环梁杠杆法校正 图13**奥体大拱合拢
2.4管桁架测校的配套设备及辅助手段
1） Lecia ・MINI 微棱镜；
Lecia-MINI 微棱镜为一可拆卸、360°翻转棱镜（棱镜常数+17.5mm ）。

4根配套300mm 高可拆卸对中杆，可根据现场实际需要接高、缩短，亦或倒搁置（MINI 棱镜上下均有螺孔），较圆棱镜机动性高，运用灵活，驾轻就熟后对于轴线放样作业效率大幅提升。

（图15）
2）辅助设备；校正工具
这里介绍几种曾在工程中使用过，且非常行之有效的校正工具一一“拉马”、“手板葫芦”、油泵（即千斤顶）和“神仙葫芦”。

“油泵”和“神仙葫芦”是钢结构安装中常用到的工具，为人所熟悉，不作详述。

“手板葫芦”是船厂里使用较多的一种装配工具，但在钢结构安装工程中使用甚少，在现场拼装作业中广泛使用。

这种工具在“网球中心”工程中曾予以借鉴，大为减轻了现场工人的工作强度，事半功倍。

“拉马”这词或许很陌生，它曾在“***”工程中使用，其优点是高效、轻携、作用力大等（见图16）。

大拱对接，一人即可负责一段口，有效降低人工成本，实现了经济效益。

3结束语
时代在进步，科技在发展。

更高、更大、更新的结构必将还会出现，钢结构施工测量校正技术势必将紧跟时代脚步，不断发展、优化与完善。

GPS 卫星定位技术的成熟和无限，使测量变得更加简易，不受场地所限，不论何时何地；无棱镜全站仪的问世，若精度问题可以得以解决，操作将变得更安全、更快捷。

与之随行的测量技术还需要不断去探索、研究和总结，以此满足不断日新月异的结构安装。

图15MINI 系列微棱镜 图16拉马示息图
反力架/拉马。