王国伟
天津市建筑科学研究院有限公司 天津市 300193
摘要：介绍了GNSS技术应用于高层/超高层建筑施工三维测控技术的具体操作方案，分析了与传统测量手段的对比优势，并进行了精度计算,测量结果满足相关建筑测量规范，从而论证了GNSS技术应用于高层/超高层建筑施工三维测控具有广泛的应用前景.
关键词：高层建筑；三维测控；测量精度
随着超高层建筑的不断出现，对施工技术和质量控制的要求也越来越高，常规建筑施工所没有的矛盾和难题也逐渐暴露出来，如何在温差、日照、风载等外界环境因素影响下迅速、准确地完成平面轴线控制、高程传递，已成为影响高层/超高层建筑施工的首要因素。如何保证高层建筑垂直度符合规范要求？如何利用高新科技手段和方法来进一步提高施工水平和施工质量是摆在科研和工程技术人员面前急需解决的关键问题。
1、高层/超高层建筑施工传统测控方法
高层/超高层建筑的显著特点就是绝对高度“高”，一般建筑工程施工测量中利用经纬仪 技术建立施工控制网的常规方法，因为高度过高，照准仰角过大引起测量误差影响偏大而无 法采用。再者，施工周围高层建筑密集、施工场地狭窄等复杂的施工环境也给测控工作带来 很大挑战。
目前，高层/超高层建筑施工测量利用激光垂准仪将施工测量基准点竖直向上传递。随着塔体的升高，日照、地球自转、风力、温差等多种动态因素的影响将逐渐加强，致使塔体处于偏摆动状态，即塔体围绕塔体主垂线，以日为周期沿准椭圆做周期性运动，且高度越高，椭圆越大；风力对塔体影响的规律为沿风向做前后摆动，振幅随高度和风力的变化而变化。目前施工测量普遍采用分段控制的方法，设立转换层，转换层之间距离大约在 40~50 米，利用激光垂准仪将施工基准向上传递（如图 1）。
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图 1 转换层示意图
上述传统测控方法的主要缺陷有：1）要求在任何情况下必须保持通视孔畅通，无法消除 随着建筑物高度增加而出现的由于温度、日照、风荷载作用引起的施测困难；2）逐层传递过 程中存在误差积累，甚至造成不同施工层间施工基准的不一致。
2、GNSS 进行高层建筑施工测控的优越性
GNSS定位技术不受气候条件和通视条件的限制，可在任何恶劣条件下进行定位，能够有效保证施工进度。GNSS 能够实时、连续地确定建筑物的三维空间位置，进而确定建筑物的摆动周期和摆动规律。GNSS 具有施测速度快、劳动强度小、自动化程度高的优点，最重要的是不会产生误差积累。
3、GNSS 进行高层/超高层建筑施工测控方案
针对高层/超高层施工传统测控方法存在的工作过程繁琐、效率低、精度难尽人意等诸多 问题，我们努力探索一种优质、高精度、高效率的超高层建筑施工测控方法。利用 GNSS 进行高层/超高层建筑施工测控方案示意如图 2 示，其设计目标如下：
充分利用 IGS 监测站、天津 CORS 站点、天津二等水准点，在施工建筑周边（5km 内）维持稳定、可靠、高精度的平面和高程基准，确定施工控制基准点坐标；
(1)利用 GNSS 定位技术，将施工基准以水平 5mm、高程 1cm 的精度传递到各施工楼层， 确定施工楼层的放样基准点坐标，指导施工楼层的放样测量；
(2)通过施工楼层的放样基准点坐标确定激光垂准仪投射点平面位置，做到 GNSS 测控成果与激光垂准仪投射成果的相互检核；
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图 2 利用 GNSS 进行高层/超高层建筑三维测控方案示意图
其中，BJFS 站为距离天津最近的 IGS 永久监测站，可将施工控制网与 IGS 全球监测网相联系，检核施工控制网基准点的稳定性；天津 CORS 站主要用来精确测量施工控制基准点（A、B、
C、D）的位置并监测和评估控制网基准点的稳定性；天津二等水准点通过与施工控制基准点的水准测量，建立大地高与正常高的转换关系；施工控制基准点 A、B、C 和 D 布设在施工建筑周边，通视条件好，并且容易保存； 楼层放样基准点 Ei、Fi、Gi（i 为楼层号）在各施工楼层分别布设，不同楼层的布设位置可以不同，它们的三维坐标可以通过与施工控制基准 点或天津 CORS 站点的联测获取，同时 Ei、Fi、Gi 之间的相对位置关系可通过常规测量（钢尺、全站仪）精确测定，作为 GNSS 测量的检核；激光垂准仪投射点 Ji（i 为楼层编号）（实际工作中可能有多个），其坐标可通过放样基准点(Ei、Fi、Gi)精确测量，实现 GNSS 定位与激光投射的相互检核。
4、施工控制基准点的布设与维护
高层/超高层建筑施工一般周期较长，周边环境复杂，选取稳定可靠、能够较长时间保存 且符合 GNSS 观测条件的基准点是利用 GNSS 进行施工测控的前提和基础。施工控制基准点的选取须符合以下条件：
(1)在施工建筑周边均匀分布，距施工建筑最好在 5km 以内，最远不超过 10km；
(2)基准点稳定，并能长期保存；
(3)视野开阔，适合 GNSS 观测；
(4)保持 GNSS 接收机与站点的对应性（每次测量 A 点（包括其它点）上安置的接收机为同一台接收机），且保持相同的天线指向；
(5)站点配备强制对中装置；
(6)施工控制基准点最少 3 个；
5、放样基准点的测量
放样基准点（Ei、Fi、Gi）的测量始终采用固定杆长的垂准杆式测地型双频 GPS 接收机， 如图 3 示。各放样基准点需同步观测，观测时长不少于 1 小时。对于底层（第一层）应延长观测时间，最好 24 小时，并将利用 GNSS 获取的放样基准点坐标转换到天津 90 坐标，并与该施工建筑规划坐标进行比较，若偏差较大，应停止施工并查明原因，若偏差不大，以 GNSS 测量的放样基准点坐标为准。
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对于高层/超高层放样基准点的测量，可以在观测时安置风速传感器（如图 4 示），通过测量风速掌握高层建筑的摆动状态，辅助更加科学、合理的选择观测时段，保证测量的精度和可靠性。
6、激光垂准仪投射点的检核
利用激光垂准仪投射、通过设置转换层的方法是目前高程/超高层建筑施工采用的普遍方法。完成施工层放样基准点的精确定位后，可利用全站仪等精密工程测量仪器确定激光垂准仪投射点的位置，实现 GNSS 技术与传统激光垂直仪投射技术的相互检核。
7、测量精度分析
GNSS实时单/双频精密定位平台能够实现水平 5mm、高程0.010m 的实时动态精密定位。图 5 为对某短基线一天的实测单频 GPS 数据的实时动态定位误差序列，其在东、北、天方向的外符合精度分别为 0.002m、0.003m 和 0.006m。基于 GNSS 的高层/超高层建筑施工三维测控技术完全能够满足高层/超高层建筑施工测控的精度要求。
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8、结束语
全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）具有全球性、全天候、高精度、高效率等特点，能够实时连续地确定用户在三维空间的位置、速度、加速度信息，在卫星导航、测量定位、形变监测等诸多领域取得广泛应用。作为一种全新的定位手段， GNSS定位技术以精度高、速度快、全天候、无需通视、点位不受限制、无误差积累、可同时提供平面和高程的三维位置信息等优越特性，为众多的工程技术人员所认同。因此，开展基于 GNSS 的高层/超高层建筑施工三维测控技术，具有广泛的工程应用前景。
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