吉大13春《测量学》第十一章高层建筑物施工测量
吉大13春《测量学》第十一章高层建筑物施工测量（一）、高层建筑物的轴线投测
高层建筑物施工测量中的主要问题是控制竖向偏差，也就是各层轴线如何精确地向上引测的问题。《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定》中指出：竖向误差在本层内不得超过5mm，全楼的累积误差不得超过20mm。
高层建筑物轴线的投测，一般分为经纬仪引桩投测法和激光铅垂仪投测法两种，下面分别介绍这两种方法。
1、经纬仪引桩投测法
(1)选择中心轴线
(2)向上投测中心轴线
(3)增设轴线引桩
当楼房逐渐增高，而轴线控制桩距建筑物又较近时，望远镜的仰角较大，操作不便，投测精度将随仰角的增大而降低。为此，要将原中心轴线控制桩引测到更远的安全地方，或者附近大楼的屋顶上。
(4)注意事项
经纬仪一定要经过严格检校才能使用，尤其是照准部水准管轴应严格垂直于竖轴，作业时要仔细整平。
为了减小外界条件(如日照和大风等)的不利影响，投测工作在阴天及无风天气进行为宜。
2、激光铅垂仪投测法
为了把建筑物的平面定位轴线投测至各层上去，每条轴线至少需要两个投测点。根据梁、柱的结构尺寸，投测点距轴线500—800mm为宜。
为了使激光束能从底层投测到各层楼板上，在每层楼板的投测点处，需要预留孔洞，洞曰大小一般在300×300mm左右。
（二）、高层建筑物的高程传递
首层墙体砌到1．5m高后，用水准仪在内墙面上测设一条“十50”的水平线，作为首层地面施工及室内装修的标高依据。以后每砌高一层，就从楼梯问用钢尺从下层的“十50”标高线，向上量出层高，测出上一楼层的“十50”标高线。根据情况也可用吊钢尺法向上传递高程。
激光定位技术在施工测量中的应用
激光定位仪器主要由氦氖激光器和发射望远镜构成。这种仪器提供了一条空间可见的红色激光束。该光束发散角很小，可成为理想的定位基准线。如果配以光电接收装置，不仅可以提高精度，还可在机械化自动化施工中进行动态导向定位。基于这些优点，所以激光定位仪器得到了迅速发展，相继出现了多种激光定位仪器。
下面介绍几种典型激光定位仪器及其应用。
（一）、激光定位仪器
1、激光水准仪
使用激光水准仪时，首先按水准仪的操作方法安置，整平仪器，并瞄准目标。然后接好激光电源，开启电源开关，待激光器正常起辉后，将工作电流调至5mA左右，这时将有强的激光输出，在目标上得到明亮的红色光斑。
2、激光经纬仪
光学经纬仪上，组成激光经纬仪。激光附件由激光目镜、光导管、氯氖激光器和激光电源组成。换装激光盼件比较简便，只要取下标准目镜，换上激光目镜，再将激光器和激光电源分别装在三脚架的两条腿上即可。这时通过光导管就将激光束导入望远镜发射系统。这种激光附件还可以装在该厂N2和N3型水准仪上，组成激光水准仪。
这种激光装置由于使用光导管作为光线传递，重量轻且便于随望远镜转动瞄准任意目标，还可通过望远镜目镜直接瞄准或观察激光光斑。
3、激光铅垂仪
激光铅垂仪是一种专用的铅直定位仪器，适用于高烟筒、高塔架和高层建筑的铅直定位测量。
将仪器对中、整平后，接通激光电源，起辉激光器，便可铅直发射激光束。
4、激光平面仪
激光平面仪主要由激光准直器、转镜扫描装置、安乎机构和电源等部件组成。激光准直器竖直地安置在仪器内。激光束沿五角棱镜旋转轴入射时，出射光束为水平光束；当五角棱镜在电机驱动下水平旋转时，出射光束成为激光平面，可以同时测定扫描范围内任意点的高程。
（二）、激光定位仪器的应用
激光定位仪器可以提供可见的空间基准线或基准面，施工人员可主动地进行定位工作，它具有直观、精确、高效率等优点，尤其在明暗或夜间作业更显示其优越性。如把光电接收靶和白控装置装在一起，还可实现动态定位或自动导向。
1、利用激光水准仪为自动化顶管施工进行动态导向
目前一些大型管道施工，经常采用自动化顶管施工技术，不仅减少了劳动强度，还可以加快掘进速度，是一种先进的施工技术。将激光水准仪安置在工作坑内，按照水准仪操作方法，调整好激光束的方向和坡度，用激光束监测顶管的掘进方向。在掘进机头上装置光电接收靶和自控装置。当掘进方向出现偏位时，光电接收靶便给出偏差信号，并通过液压纠偏装置自动调整机头方向，继续掘进。
2、激光铅垂仪用于高层建筑物的铅直定位
高层建筑的施工，可采用激光铅垂仪向上投测地面控制点。首先将激光铅垂仪安置在地面控制点上，进行严格对中，整平，接通激光电源，起辉激光器，即可发射出铅宜激光基准线，在楼板的预留孔上放置绘有坐标网的接收靶，激光光斑所指示的位置，即为地面控制点的铅直投影位置。
3、利用激光平面仪进行建筑装饰
使用时，自动安平激光平面仪安置在三脚架—上，调节基座螺旋使圆水准器居中(即仪器粗平)，将激光电源开关拨至ON，几秒钟后即自动产生激光水平面。此时，手持受光器在持测面上上下移动，当受光板接收到的水平面激光束的光信号高(或低)于所选择的受光感应灵敏度，液晶显示屏上则显示出指示受光器移动方向的提示符“↑”或“↓”)，按提示符移动受光器，当接收的光信号正好处于预选的灵敏范围内，则液晶显示屏上显示出一条水平面位置指示线“一”。此时即可用记号笔沿光器右侧上的凹槽(即水平面指示线“一”位置)在待测面上作出标记。
4、近景摄影测量系统
摄影测量系统在工业测量中的应用一般称为近景摄影测量、非地形摄影测量等。它经历了从模拟、解析到数字的变革，硬件也从胶片/干板相机发展到数字相机。摄影测量系统的生产厂家和产品很多，如美国GSI公司、挪威Metronor公司、德国的Aicon公司和Gom公司等，产品一般分为单台相机的脱机测量系统、多台相机的联机测量系统以及摄影基线固定的整体式测量系统等几类。
（1）、测量原理
近景摄影测量原理如图4-1所示，通过二台高分辨率的相机对被测物同时拍摄，得到物体的2个二维影像，经计算机图像匹配处理后得到精确的三维坐标。二维影像在像平面坐标系中是二维坐标值，但在摄影测量坐标系中可以利用摄影焦距参数将像点坐标转换成目标点的二个角度观测值，因而测量原理和经纬仪测量系统是一致的。由于各相机之间无法象经纬仪一样实现精确互瞄，通常采用光束法平差定向技术。它是通过不同位置的相机对多个目标同时测量产生了多余观测量，从而可以解算出相机间的位置和姿态关系。
（2）、系统构成
对静态目标而言，脱机测量系统可采用单台数字相机（图4-2），在二个或多个位置对被测物进行拍摄，然后将图像输入计算机即可进行图像处理，这是一种比较经济的配置。为了提高图像匹配的精度和速度，需要在物体上贴标志，一般采用特制的回光反射标志（Retro Reflective Target，见图4-3），以便于标志点的识别和自动提取；或者采用投点器，可以大批量投点，而且标志无厚度，是非常好的测量辅助工具。
联机测量系统
多台相机联机测量可以实时得到待测点的三维坐标，如图4-4所示，可以采用投点器投点，也可以通过特制的探棒（也称为光笔，见图4-5）作为测量标志，其探头和三坐标机的测头类似，探棒上有一些可以发光的标志，由于发光标志点到探头的几何关系是确定的，因此通过对发光点的测量即可求得探头点的坐标。一般在探棒上还有测量按钮，可同时启动标志点发光和数码相机拍摄，因此实现了测量过程的自动化，并且解决了光学测量设备需要对目标点的照明问题。
固定基线摄影测量系统
为了保证定向的精度，有些公司推出了固定摄影基线的产品，如图4-5所示，将相机固定在一个水平或垂直装置上，保证它们的相对位置关系不发生变化，这种系统就相当于一台摄影坐标测量机，测量时可省去定向时间，但测量范围易受固定基线的限制。
（3）、提高系统精度的措施
摄影测量系统的精度主要取决于相机的精度。相机一般分为格网量测相机、量测相机、半量测相机和非量测相机四类，其精度依次递减。要想获得高精度，可以选择高分辨率、高精度的专业型量测相机，如INCA相机（图4-7）和CRC2相机（图4-8），但价格昂贵；对于非量测相机，可以通过误差补偿的方法来消除相机的系统误差（如镜头的畸变差等），从而提高测量精度和分辨率，目前这种方法比较多见。
系统精度除了相机本身的精度及系统误差补偿方法外，也取决于相机间的定向精度，这一点与经纬仪测量系统完全一样，实践中需要优化相机的设站位置，增加基准尺测量的个数。
（4）、系统的应用
摄影测量系统特别适合于动态物体的快速坐标测量，操作方便，对现场环境几乎无任何要求，这是其他测量系统所无法比拟的，尤其适合于天线工作姿态下的测量。和经纬仪测量系统相比，其拍摄位置选择比较容易，不需要专门建造测量墩，相应节省了时间和费用。数字摄影测量系统的测量相对精度一般在1/10万左右，由于摄影比例尺的关系，测量范围一般比较小，这是它的一个不足之处。
如果选择大幅面长焦距胶片相机，例如CRC1相机，它是大幅面（23 cm ´ 23 cm）、长焦距（23 cm以上）、平度达 ± 1 mm的承片框、配备后方投影格网标志和环形近轴闪光光源的格网量测摄影机，再加上Autoset-2视频扫描单像坐标量测仪（测点精度为 ± 0.5 mm，每秒种测2点），就可以实现在500 m上获得 ± 1 mm左右的点位精度（1/50万），甚至达到1/100万，这是数字摄影测量系统不可企及的。
美国GSI公司在20世纪60年代最先将摄影测量技术用于天线测量，迄今已完成几百套天线的测量。美国Arecibo望远镜的工作频率由600 MHz提高到10 GHz，全站仪的测量精度已经不能满足要求，为此GSI采用了摄影测量的方法对其进行测量，所选相机就是CRC1相机，坐标分量的测量精度为 ± 0.25 mm，最后得到调整后的表面精度优于 ± 2 mm。
5、三维激光扫描测量方法
三维激光扫描测量技术是近几年来发展起来的一项高新技术，利用这一先进技术，要快速获取特定目标的立体模型。与传统的激光测距技术即点对点的距离测量不同，无合作目标激光扫描技术的发展，为人们在空间信息的获取方面提供了全新的技术手段，使人们从传统的人工单点数据获取变为连续自动获取数据，提高了观测的精度和速度。
三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪和系统软件组成，其工作目标就是快速、方便、准确地获取近距离静态物体的空间三维模型，以便对模型进行进一步的分析和数据处理。其应用与摄影测量大致相同，但激光扫描系统具有精度高，测量方式更加灵活、方便的特点，因此三维激光扫描可更精密地用来测量古建筑和珍贵文物的三维模型。根据实际工作的应用需要，由模型可以生成断面图、投影图、等值线图等，并可将模型以Auto CAD和Microstation的格式输出。
（1）、激光扫描采样
三维激光扫描仪的工作过程，实际上就是一个不断重复的数据采集和处理过程，它通过具有一定分辨率的空间点所组成的点云图来表达系统对目标物体表面的采样结果。
三维激光扫描仪所得到的原始观测数据主要是：
（1）根据2个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值得到的激光束的水平方向值和竖直方向值；
（2）根据脉冲激光传播的时间而计算得到的仪器到扫描点的距离值；
（3）扫描点的反射强度等。前2种数据用来计算扫描点的三维坐标值，扫描点的反射强度则用来给反射点匹配颜色。
（2）、模型生成及坐标匹配
在任意一幅点云图中扫描点间的相对位置关系是正确的，而不同点云图间点的相对位置关系的正确与否，则取决于它们是否处于同一个坐标系下。大多数情况下，一幅扫描点云图无法建立物体的整个模型，因此，如何将多幅点云图精确地“装配”在一起，处于同一个坐标系下，是要解决的问题。目前采用的方法称之为坐标匹配。坐标匹配是在扫描区域中设置控制点或控制靶标，从而使得相邻的扫描点云图上有三个以上的同名控制点或控制靶标。通过控制点的强制符合，可以将相邻的扫描点云图统一到同一个坐标系中。
（3）、三维激光扫描与近景摄影测量的区别
（a）原始数据格式不同。扫描所得到的数据是由带有三维坐标的点所组成的点云，可以直接在点云中进行空间量测，而摄影测量所得到的数据是影像照片，单独的一幅影像照片则无法进行空间量测。
（b）拼合各测站间数据的方式不同。扫描系统采用坐标匹配方式，而摄影测量则采用相对定向和绝对定向方式。
（c）测量精度不同。采用激光扫描直接测量得到的测点精度高于摄影测量中的解析点，且精度分布均匀。
（d）外界环境的要求不同。激光扫描在白天和黑夜都可以工作，光亮度和温度对于扫描没有影响，而摄影测量的要求相对地要高一些（如高温会产生影像变形，夜晚无法进行摄影等）。
（e）模型建立方式不同。在扫描系统中可以直接进行，而在摄影测量中，则首先需要用特定的软件进行相片间的匹配处理。
（f）对实物材质的获取方式不同。扫描系统由反射强度来匹配与真实色彩相类似的颜色或从数码影像中获取，在模型上加贴定制的材料；而摄影测量则根据影像照片直接获得真实的色彩。
（4）、激光扫描仪应用实例
如图12-20为徕卡公司的Cyra三维激光扫描系统扫描仪最大测距范围为200米，单点位置测量精度为66mm。扫描速率为1列/秒（采样率为1000点/列）或2列/秒（采样率为200点/列）。扫描密度为每行、每列最多可达1000点。如图12-21为采用Cyra三维激光扫描系统对清华大学二校门扫描测量所建立的模型图（扫描中采用测站数为4，标靶个数为6）。
竣工总平面图的编绘
竣工总平面图是设计总平面图在施工后实际情况的全面反映，所以设计总平面图不能完全代替竣工总平面图。编绘竣工总平面图的目的在于：（1）在施工过程中可能由于设 计时没有考虑到的问题而使设计有所变更，这种临时变更设计的情况必须通过测量反映到竣工总平面图上；(2)它将便于日后进行各种设施的维修工作，特别是地下管道等隐蔽工程的检查和维修工作；(3)为企业的扩建提供了原有各项建筑物、构筑物、地上和地下各种管线及交通线路的坐标、高程等资料。
新建的企业竣工总平面图的编绘，最好是随着工程的陆续竣工相继进行编绘。一面竣工，一面利用竣工测量成果编绘竣工总平面图。如发现地下管线的位置有问题，可及时到现场变对，使竣工图能真实反映实际情况。边竣工边编绘的优点是：当企业全部竣工时，竣工总平面图也大部分编制完成；既可作为交工验收的资料，又可大大减少实测工作量，从而节约了人力和物力。
竣工总平面图的编绘，包括室外实测和室内资料编结两方面的内容。
（一）、竣工测量
在每一个单项工程完成后，必须由施工单位进行竣工测量。提出工程的竣工测量成果。其内容包括以下各方面：
1、工业厂房及一般建筑物
包括房角坐标，各种管线进出口的位置和高程；并附房屋编号、结构层数、面积和竣工时间等资料。
2、铁路和公路
包括起止点、转折点、交叉点的坐标，曲线元素，桥涵等构筑物的位置和高程。
3、地下管网
寄并、转折点的坐标，井益、井底、沟槽和管顶等的高程；并附注管道及官井的编号、名称、管径、管材、间距、坡度和流向。
4、架空管网
包括转折点、结点、交叉点的坐标，‘支架间距，基础面高程。
5、其它
竣工测量完成后，应提交完整的资料，包括工程的名称，施工依据，施工成果，作为编绘竣工总平面图的依据。
（二）、竣工总平面图的编绘
竣工总平面图上应包括建筑方格网点，水准点、厂房、辅助设施、生活福利设施、架空及地下管线、铁路等建筑物或构筑物的坐标和高程，以及厂区内空地和未建区的地形。有关建筑物、构筑物的符号应与设计图例相同，有关地形图的图例应使用国家地形图图式符号。
厂区地上和地下所有建筑物、构筑物绘在一张竣工总平面图上时，如果线条过于密集而不醒目，则可采用分类编图。如综合竣工总平面图，交通运输竣工总平面图和管线竣工总平面图等等。比例尺—般采用1：1000。 如不能清楚地表示某些特别密集的地区，也可局部采用1：500的比例尺。
如果施工的单位较多，多次转手，造成竣工测量资料不全，图面不完整或与现场情况不符时，只好进行实地施测，这样绘出的平面图，称为实测竣工总平面图。
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