GPS測(cè)量技術(shù)在高層建筑施工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

饒 蓮 烏魯木齊職業(yè)大學(xué)講師

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），屬于實(shí)用性較強(qiáng)的定位系統(tǒng)，由接收機(jī)、監(jiān)控站及空間衛(wèi)星等組成，對(duì)全球范圍用戶信息加以了解的同時(shí)可以提供精度較高的三維坐標(biāo)。測(cè)量高層建筑時(shí)應(yīng)用GPS 測(cè)量技術(shù)，處理效果較好，有助于確保測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性。

1 GPS測(cè)量技術(shù)概述

1.1 GPS測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)

1.1.1 精度高特點(diǎn)

采用GPS 測(cè)量技術(shù)，不會(huì)受到天氣因素、環(huán)境因素的影響，可在較短時(shí)間獲得相關(guān)建筑坐標(biāo)信息，確保獲取相關(guān)信息的準(zhǔn)確性[1]。

1.1.2 節(jié)省時(shí)間特點(diǎn)

采用GPS 測(cè)量技術(shù)，不需與測(cè)站間通視就可以確定坐標(biāo)點(diǎn)，能有效節(jié)省時(shí)間。

1.1.3 測(cè)量時(shí)間短特點(diǎn)

采用GPS 測(cè)量技術(shù)，一般測(cè)量時(shí)間在25 min 左右，動(dòng)態(tài)定位數(shù)秒即可完成，利于減少實(shí)際測(cè)量時(shí)間。

1.1.4 操作簡(jiǎn)便特點(diǎn)

采用GPS 測(cè)量技術(shù)，測(cè)量天線高，設(shè)置開機(jī)相關(guān)參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)自主測(cè)量、記錄的效果。

1.1.5 GPS衛(wèi)星數(shù)量多

GPS 衛(wèi)星的數(shù)量較多，而且可達(dá)到分布均勻的要求，使得建筑信息測(cè)量不會(huì)受到外界因素的影響。

1.2 GPS測(cè)量技術(shù)工作原理

20 世紀(jì)70 年代國(guó)外研制了衛(wèi)星導(dǎo)向定位系統(tǒng)，可做好用戶設(shè)備、地面監(jiān)測(cè)站及空間衛(wèi)星等銜接工作，將GPS 技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的效果較佳[2]。以衛(wèi)星高速運(yùn)轉(zhuǎn)瞬間位置為主，將其當(dāng)作起算數(shù)據(jù)、借助空間距離交匯方法的作用，及時(shí)獲取相關(guān)待測(cè)電三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息。此外，參照全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范、國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及全球系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范等，合理運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)，發(fā)揮其最大的應(yīng)用價(jià)值。

1.3 主要測(cè)量任務(wù)

業(yè)主、施工企業(yè)或上級(jí)部門需下達(dá)相關(guān)技術(shù)文件，如測(cè)量合同及任務(wù)，作為非常強(qiáng)的指令存在明確的測(cè)量要求，對(duì)于密度、精度及任務(wù)范圍等均提出具體規(guī)定，同時(shí)對(duì)資料上交時(shí)間、任務(wù)完成指標(biāo)均需提出相關(guān)規(guī)定。高層建筑施工過(guò)程中應(yīng)用GPS測(cè)量技術(shù)，能結(jié)合測(cè)量任務(wù)書內(nèi)容明確經(jīng)濟(jì)、精度、密度等相關(guān)指標(biāo)和情況，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探工作、規(guī)程內(nèi)容，詳細(xì)說(shuō)明不同位置點(diǎn)連接方法、測(cè)量評(píng)論及時(shí)間等，從而使得測(cè)量數(shù)據(jù)的精度得到有效保障。

2 GPS測(cè)量技術(shù)在高層建筑施工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 圖形設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

利用GPS 測(cè)量技術(shù)進(jìn)行高層建筑圖形設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮建筑施工的具體需要、測(cè)量經(jīng)費(fèi)、時(shí)間、接受設(shè)備和設(shè)備數(shù)量等相關(guān)情況。當(dāng)前，GPS 圖形設(shè)計(jì)涉及三角形、環(huán)形及混合形等，可以確保集合的強(qiáng)度、降低測(cè)量工作量。高層建筑施工測(cè)量中GPS 網(wǎng)圖形主要應(yīng)用的是三角形網(wǎng)，原因是三角形網(wǎng)由三角形邊、非同步獨(dú)立觀測(cè)邊所構(gòu)成，在可靠性及結(jié)構(gòu)性方面優(yōu)勢(shì)突出。

但是三角形網(wǎng)觀測(cè)工作量非常大，特別是在接收機(jī)數(shù)量較少的條件下，觀測(cè)時(shí)間加長(zhǎng)、觀測(cè)量加大。如果條件允許，建議使用混合網(wǎng)，因?yàn)榛旌暇W(wǎng)可確保網(wǎng)幾何強(qiáng)度、提高網(wǎng)的可靠性，并且能有效降低外作業(yè)的工作量和成本，維護(hù)建設(shè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。環(huán)形網(wǎng)由多個(gè)存在多條獨(dú)立觀測(cè)邊的閉合環(huán)構(gòu)成，環(huán)形網(wǎng)與靜電大地測(cè)量導(dǎo)線網(wǎng)比較相近，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小于三角形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。環(huán)形網(wǎng)主要優(yōu)勢(shì)是觀測(cè)量小、可以自檢，但是非直接觀測(cè)基線邊精度，觀測(cè)邊低且臨近點(diǎn)基線精度無(wú)法達(dá)到均勻分布的要求。

需要注意的是，附合線路環(huán)形網(wǎng)兩端點(diǎn)間向量精度高，而且附合線路涉及基線邊數(shù)，不能超出限值。星形網(wǎng)幾何圖形比較簡(jiǎn)單，能夠?qū)呴g加以觀測(cè)，而且不會(huì)構(gòu)成閉合圖形，但是檢驗(yàn)、觀測(cè)粗差能力不佳。星形網(wǎng)需使用2 臺(tái)儀器作業(yè)，測(cè)定點(diǎn)位坐標(biāo)WGS-84，各點(diǎn)坐標(biāo)均需進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換處理。

與此同時(shí)，GPS 測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)布置期間不易遭受建筑物內(nèi)、外位置因素的影響，測(cè)量網(wǎng)連接形式多元化，如點(diǎn)、網(wǎng)、邊、點(diǎn)邊混合等連接形式[3-4]。實(shí)行圖形設(shè)計(jì)相關(guān)需要注意準(zhǔn)確把握常規(guī)測(cè)量需要，尤其是在測(cè)量點(diǎn)布置的過(guò)程中，應(yīng)考慮測(cè)量點(diǎn)通視性、測(cè)量位置通視性，確保不同測(cè)量點(diǎn)通視方向數(shù)量≥3 個(gè)。

此外，應(yīng)以原城市坐標(biāo)系統(tǒng)為核心，嚴(yán)格控制工作量，利用不同的測(cè)量網(wǎng)點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程可借助GPS 測(cè)量網(wǎng)布置、非同步獨(dú)立觀測(cè)技術(shù)的作用處理，從而形成閉環(huán)網(wǎng)和附合線路。另外，GPS 測(cè)量能獲取GPS基線向量，要求在進(jìn)行GPS 網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)用坐標(biāo)系統(tǒng)、起算數(shù)據(jù)確定GPS網(wǎng)基準(zhǔn)。

2.2 精度設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

精度作為GPS 測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，設(shè)計(jì)值大小關(guān)系到設(shè)計(jì)計(jì)劃布置、實(shí)施效果。針對(duì)此，要求在高層建筑施工過(guò)程中結(jié)合實(shí)際需要、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，進(jìn)行精度設(shè)計(jì)，找到GPS 弦長(zhǎng)的誤差，再以σ表示GPS 基線等效距離誤差/弦長(zhǎng)誤差（mm），以a、b、d 分別表示GPS 極限進(jìn)度固定誤差（mm）、GPS 接收機(jī)誤差（ppm·D）、相鄰點(diǎn)距離（km）。一般條件下，高層建筑GPS 測(cè)量時(shí)相鄰點(diǎn)距離保持＜0.18 km。

2.3 GPS網(wǎng)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

高層建筑施工時(shí)需遵循國(guó)家坐標(biāo)系/地方獨(dú)立坐標(biāo)系進(jìn)行測(cè)量，以便獲取測(cè)量過(guò)程基線向量。針對(duì)此，要求進(jìn)行GPS 網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)階段確定坐標(biāo)系統(tǒng)、收集起算數(shù)據(jù)，GPS 基準(zhǔn)由尺度、方位、位置等構(gòu)成，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)及時(shí)找到網(wǎng)位置中存在的基準(zhǔn)問(wèn)題。另外，選取不同地方控制點(diǎn)、起算數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)作以坐標(biāo)轉(zhuǎn)變及時(shí)計(jì)算出GPS地面坐標(biāo)系坐標(biāo)。一般需結(jié)合被測(cè)地區(qū)地形結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)分布狀況，將聯(lián)測(cè)點(diǎn)控制在3個(gè)以內(nèi)，GPS 網(wǎng)重合原城市等級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)/國(guó)家電網(wǎng)，建議以長(zhǎng)方形表示，以確保坐標(biāo)更加均勻、降低誤差[5]。

3 GPS測(cè)量技術(shù)在高層建筑施工中的應(yīng)用要點(diǎn)

以某大廈為例，總建筑面積在50 萬(wàn)m2左右，塔樓面積在30 萬(wàn)m2左右，地上、地下層數(shù)分別為160、4 層，高度約為700 m。建筑工程將酒店、商務(wù)、住宅、娛樂(lè)和購(gòu)物等融為一體，為獲得最佳建筑預(yù)期應(yīng)用效果，使用平面為Y 形結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土束筒結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)束筒結(jié)構(gòu)，尤其為鋼筋混凝土束筒結(jié)構(gòu)，建筑高度不斷增長(zhǎng)，為螺旋收分的狀態(tài)，建筑抗風(fēng)性能較好。

通過(guò)對(duì)該高層建筑工程測(cè)量難點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在以下測(cè)量難點(diǎn)：①塔樓結(jié)構(gòu)為高、纖細(xì)的狀態(tài)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，溫度增加8 ℃左右、塔樓混凝土結(jié)構(gòu)5 h 偏移12 cm，即偏移2.2 cm/h 左右，而這也是造成測(cè)量誤差的基本原因，無(wú)法確保測(cè)量的準(zhǔn)確性；②測(cè)量工作量非常大，為防止工期發(fā)生延誤問(wèn)題，可使用液壓自動(dòng)爬升模板進(jìn)行施工，布置220 個(gè)參照點(diǎn)，提高內(nèi)控法測(cè)量的性能。這說(shuō)明通過(guò)開發(fā)工程測(cè)量系統(tǒng)能達(dá)到參照點(diǎn)布設(shè)要求，準(zhǔn)確測(cè)量建筑相關(guān)數(shù)據(jù)信息，防止受到環(huán)境因素的影響。

該高層建筑施工場(chǎng)地占地面積較大、視野較佳，通過(guò)外控的方式進(jìn)行平面控制傳遞處理。樓層數(shù)量不斷增長(zhǎng)，塔樓會(huì)在多方面因素下產(chǎn)生偏移問(wèn)題，這時(shí)則不能確保測(cè)量的進(jìn)度。但如果樓層超過(guò)20 層，因受到模板系統(tǒng)因素影響，使得現(xiàn)場(chǎng)參照點(diǎn)觀察難度加大，尤其為通視惡化情況下不建議使用外控法處理。這個(gè)過(guò)程可使用GPS 技術(shù)定位、測(cè)量控制點(diǎn)位置，從而為測(cè)量放樣工作打下良好的基礎(chǔ)。究其原因，與使用GPS 測(cè)量技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量有關(guān)，有利于對(duì)相關(guān)控制點(diǎn)進(jìn)行修正處理，及時(shí)獲得準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，確定基礎(chǔ)空間坐標(biāo)，再制定相應(yīng)的測(cè)量方案。并且根據(jù)國(guó)家、測(cè)繪行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在高層建筑施工定位測(cè)量中運(yùn)用GPS 測(cè)量技術(shù)，有助于使得工程各道工序順利實(shí)施，建議在部分樓層實(shí)行基準(zhǔn)傳遞，對(duì)常規(guī)測(cè)量方法結(jié)果加以校核處理，以便符合建設(shè)企業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。

4 結(jié)語(yǔ)

高層建筑施工階段采用GPS 測(cè)量技術(shù)非常關(guān)鍵，可充分發(fā)揮出該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，如精度高、節(jié)省時(shí)間、操作簡(jiǎn)便、GPS 衛(wèi)星數(shù)量多等。針對(duì)此，建議在高層建筑施工中應(yīng)用GPS 測(cè)量技術(shù)，進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)、GPS 網(wǎng)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)等，旨在有效改善以往測(cè)量技術(shù)的不足，發(fā)揮出該項(xiàng)技術(shù)的最大應(yīng)用作用。