施工放样的任务是把图纸上已设计好的各种工程建筑物、构筑物,按照设计的位置(平面位置和高程)和要求标定到相应的地面上,作为施工的依据。如果放样出错且没有及时纠正,将会造成极大的损失。由此可见,工程测量工作者责任重大,应该采取有效措施杜绝工作中的一切错误,并保证施工所需的精度。
施工测量与工程类型及施工方法有着密切的联系,施工测量人员必须了解设计内容、性质及其对测量工作的精度要求,必须熟悉图纸,了解施工程序和方法,及时掌握施工现场的变动情况,与施工密切配合。放样前,测量人员首先要熟悉建筑物的总体布置图和细部结构设计图,找出主要轴线和主要点的设计位置以及各部件之间的几何关系,结合现场条件、控制点的分布和现有的仪器设备,确定放样方法。
施工放样前,应建立健全的测量组织和检查制度,应认真核对设计图纸,对施工现场进行认真细致的踏勘,根据实际情况编制测设方案、计算测设数据、编制测设详图等。对施工测量所使用的仪器、工具应进行严格的检验和校正,以确保放样的质量。施工测量工作中,应强化对放样点的检验与校核工作(包括外业检核和内业检核),做到准确无误。
工程建筑物平面位置放样常用的方法有极坐标法、直角坐标法、方向线交会法、角度交会法、GNSS-RTK法等。大多数方法的基本操作都是长度和角度的放样。高程的放样通常采用水准测量方法。
与测定点位的工作相比较,尽管在放样工作中采用相同的仪器,但是同一性质的误差对两种工作的结果影响并不相同。例如,放样一个水平角,全站仪需要在角的顶点上对中整平,从而会产生一个对中误差 e ,这一误差对结果的影响是完全不同的。如图1.3.1所示,测定水平角时,对中误差 e 使角度的顶点由 A 点移动到 A′ 点,因而测得的角度为 α′ ,而不是正确的 α 值,显然有 α′ - α = δ 2 + δ 1 。
图1.3.1 对中误差对角度测量的影响
图1.3.2 对中误差对角度放样的影响
一般情况下,角度测量时,仪器对中误差直接影响实测的角值。如图1.3.2所示,放样角度为 α 时,对中误差 e 同样使角度的顶点由 A 点移动到 A′ 点,但此时是由在 A′ 点的仪器瞄准固定点 B 后,测设已知角值 α 的仪器对中误差并不影响放样的角值,但它影响待定边的方向,使欲放样的边 AP 变成了 A′P′ 的位置。
工程建筑物的建筑限差是指建筑物竣工后实际位置相对于设计位置的极限偏差。通常,建筑限差的大小取决于建筑物的大小、建筑材料、用途和施工方法等因素。按精度要求的高低排列为:钢结构>钢筋混凝土结构>毛石混凝土结构>土石方工程。按施工方法分,预制件装配式的方法较现场浇筑式的精度要求高,钢结构用高强度螺栓连接的比用电焊连接的精度要求高,高层建筑的精度要求高于低层建筑。例如,水利工程施工中,钢筋混凝土工程较土石方工程的精度要求高,而金属结构物的安装精度要求则更高。对于一般工程,混凝土柱、梁、墙的施工允许总误差为10~30mm;对高层建筑物轴线的倾斜度要求高于1/1000~1/2000;钢结构施工的总误差随施工方法不同,允许误差在1~8mm;土石方的施工误差允许达10cm;对特殊要求的工程项目,其设计图纸都有明确的限差要求。
对于相当多的工程,施工规范中没有具体的测量精度的规定,而是仅规定了建筑限差,这时先要在测量、施工、预制件装配等方面之间进行误差分配,然后才能知道测量工作应具有怎样的精度。假设工程允许的总误差为 M 、允许测量工作的误差为 m 1 、允许施工产生的误差为 m 2 、允许预制件装配产生的误差为 m 3 (如果还有其他重要的误差因素,则再增加项数),若假定各工种产生的误差相互独立,根据误差传播定律,则有:
式中,只有 M 是已知的, m 1 、 m 2 、 m 3 均是待定量。在精度分配处理中,一般先采用“等影响原则”,即各分项误差均为相等值,最后把计算结果与实际作业条件对照。
根据等影响原则,则有:
由此求得的误差是分配给测量工作的最大允许误差,通常把它当作测量的极限误差来处理,从而根据它来制订测量方案。在实际工作中,常需结合具体条件或凭借经验对误差分配进行调整,确保误差分配合理。
建筑限差应按不同的结构形式和用途,遵循现行标准和规范执行,如《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204—2015)等。另外,对于有特殊要求的工程,应根据设计的要求,确定其测量放样精度。
水平角度放样又称为水平方向放样,是在一个已知方向的端点上设站,以该方向为起始方向,按设计角度放样出另一个方向。角度放样根据不同的精度要求分为一般放样法和归化法放样。一般放样法是仅放样角度、距离及高程等相关数据而无多余检查项的一种方法。归化法放样是为了提高放样的精度,在放样过程中,先放样一个点作为过渡点(埋设临时桩),然后测量该过渡点与已知点之间的关系(边长、夹角、高差等),把测算得的值与设计值比较得出差数,最后从过渡点出发修正该差数,把放样点归化到更精确的位置上去。
如图1.3.3所示, O 和 A 为相互通视的已知点,欲在 O 点放样角 β 得到另一方向 OB ,使得∠ AOB = β 。具体步骤如下:
①在 O 点安置经纬仪,以正镜位置照准 A 方向,水平度盘配置接近零,并精确读数(设为 α 1 )。
②顺时针转动照准部,使度盘读数为( α 1 + β ),在此方向线上距离 O 点 S (大小可根据实际情况确定)处确定一点 B′ 。
③倒镜照准 A 方向,精确读取水平度盘读数(设为∠ α 2 ),顺时针转动照准部,使度盘读数为( α 2 + β ),在视线方向上距 O 点 S 处确定一点 B″ 。
④取 B′ 和 B″ 的中点 B ,则 OB 即为待放样方向。
一般放样法适用于精度要求不高的角度(方向)放样。
图1.3.3 一般放样法放样角度
图1.3.4 归化法放样角度
当放样的角度(方向)精度要求较高时,可采取归化法放样。即将一般放样法放样的 B′ 点(这里它可用一个镜位获得)作为过渡目标,再精确测量∠ AOB′ 的值,比较其与正确值 β 的差值,并根据这一差值进行改正,如图1.3.4所示。具体步骤如下:
①用一般放样法放样出 B′ 点,精确测量∠ AOB′ ,得到其测量值为 β′ 。
②计算差值Δ β = β - β′ ,若Δ β <0,应该向外归化该角度, B′ 点的规化值为:
其中, ρ =206265″。
③在 B′ 点上沿 OB′ 的垂线方向,向外(向内)量取 Δ BB′ 值,得到 B 点,则 OB 的方向即为放样方向。
为检验该角的正确性,可以精确测量∠ AOB 。若不满足精度要求,应进一步改化。
在一些特殊的工程施工和安装测量项目中,需要进行短边角度和方位测量。由于测量现场条件的限制,控制点间的边长一般很短,通常只有几米至十几米的距离。对于这样短的边长,要保证角度测量和方位传递的精度,必须采取一些特殊的测量手段和方法。
短边测角受系统误差和偶然误差的影响。偶然误差主要受观测过程中人为因素、环境条件等偶然因素的影响;系统误差主要有仪器和目标对中误差、望远镜调焦误差、经纬仪垂直轴倾斜误差等。对于短边测角来说,系统误差所占比重较大。
(1)对中误差的影响
对于短边测角,对中误差的影响包括仪器对中误差和目标偏心误差两项。设仪器对中误差的大小为 e 0 ,目标偏心误差的大小为 e A 、 e B ,测角的边长为 S A 、 S B ,所测角值为 β ,则对中误差产生的测角中误差 m 1 和目标偏心误差产生的测角中误差 m 2 分别为:
常用的对中方法有垂球对中、对中杆对中、光学对中器对中、强制对中等方法。一般来说,垂球对中误差为2~3mm,对中杆对中误差为1mm左右,经过严格检校的光学对中器对中误差为0.5mm左右,采用固定螺丝的强制对中精度最高,为0.1mm左右。
(2)望远镜的调焦误差
在短边情况下观测目标,不同观测方向望远镜的调焦是不可避免的。望远镜的调焦误差是指在观测过程中,因调节望远镜物镜焦距而引起的望远镜照准轴的变动给测角带来的误差。减弱望远镜调焦误差的措施为:在短边测角作业前,应检查望远镜运行的正确性,观测时调焦操作一定要注意用力均匀,可采用盘左、盘右对一个目标测完后再观测下一个目标的方法。
(3)垂直轴倾斜误差
由于边长较短,仪器与目标点之间的垂直角可能很大。因此,垂直轴倾斜误差的影响不可忽略,由垂直轴倾斜误差引起的测角误差为:
式中, i v 为垂直轴在水平轴方向(横向)上的倾斜量, α 为观测目标点的垂直角。
可见,Δ v 不能通过盘左、盘右取中数的方法来消除,因此,在观测结果中应加入垂直轴倾斜改正,或在各测回之间重新整平仪器,使 i v 呈现偶然性。在仪器设计上,新型电子经纬仪增加了一个液面传感器以测定垂直轴在两个方向(纵向和横向)上的倾斜量,对垂直轴倾斜误差进行自动改正,一般称为双轴补偿功能。但在使用前应对补偿器性能和指标进行检测。
(4)照准标志
在短边条件下,照准标志和照明条件是非常重要的,好的照准标志有利于加快工作速度和提高瞄准精度。好的照准标志应满足下列要求:
①形状和大小便于精确瞄准;
②没有测量相位差;
③反差大,亮度好;
④目标的图案或实体中心轴应与机械轴重合,没有偏心差,且易于对中。当然,对中要求是针对可装卸式照准标志的,如觇牌等。目前,这类标志大多通过基座安装在对中点上,以提高目标精度。
实际上,水平距离放样就是从地面一已知点开始,沿已知方向测设出给定的水平距离以定出第二个端点的工作。根据测设的精度要求不同,可分为一般测设方法和精密测设方法。水平距离放样可采用钢尺、光电测距仪、电子全站仪等。
(1)一般方法
在地面上,由已知点 A 开始,沿给定方向,用钢尺量出已知水平距离 D 定出 B 点。为便于校核和提高精度,在起点 A 处改变读数,按同法量已知距离 D 定出 B′ 点。由于量距有误差, B′ 与 B 两点一般不重合,其相对误差在允许范围内时,则取 B 与 B′ 的中点作为最终位置。
(2)精密方法
当水平距离的测设精度要求较高时,在用钢尺测设的水平距离上应加上尺长、温度和高差3项改正,但改正数的符号与精确量距时的符号相反。
式中, D 读 为待测设的水平距离(真实水平距离), D 设 为设计长度, l 0 为钢尺的名义长度,Δ l 为钢尺尺长改正数, α 为钢尺的膨胀系数, t m 为测设时的温度, t 0 为钢尺鉴定时的标准温度, h 为线段两端点的高差。
如果坡度不大, D′ 读 可以用 D 设 替代;若坡度较大,先以 D 设 代入公式(1.3.8)计算 D′ 读 的近似值,再以 D′ 读 的近似值代入公式进行精确计算。
水平距离精密放样分为以下5个步骤:
①将经纬仪安置在 A 点上,并标定出给定直线 AB 的方向,沿该方向概量并在地面上打下尺段桩和终点桩,桩顶刻上十字标志;
②用水准仪测定各相邻桩桩顶间的高差;
③按精密丈量的方法先量出每段的距离,并加尺长改正、温度改正和高差改正,计算每段的水平长度及各段长度之和,其最后结果为 D 读 ;
④用已知应测设的水平距离 D 设 减去 D 读 得余长Δ D ;
⑤根据Δ D 在地面上测设余长段,并在终点桩上作出 B 点的标记。此时, A 、 B 点间的真实水平距离就是待测设的水平距离 D 设 ,放样结束。如 B 点不在终点桩上,应另打终点桩并标记出 B 点。
为进行检核,通常应再放样一次。若两次放样之差在允许范围内,取平均位置作为终点 B 的最后位置。
全站仪有距离放样功能,因此,使用全站仪放样水平距离的方法很简单。具体步骤如下:
①安置全站仪于 A 点,照准放样方向。
②用目估方法确定概略位置并安置反光镜,并使反光镜在目标方向线上,测量仪器与反光镜之间的平距 D′ 。当 D′ 与要测设的距离 D 相等时,则标定反光镜所在位置,放样结束。当 D′ 与要测设的距离 D 不相等时,则根据其差值前后移动反光镜并测距,直到 D′ 与 D 相等为止。
③若需归化放样,则在上一步骤的基础上对标定的点位进行精确距离测量,利用测量结果与要测设的距离进行比较获得其差值,再根据差值对标定点进行改正。
使用测距仪放样长度时,仪器的测程一般应不小于待放样距离的1.5倍。待放样的长度应在测距仪的最佳测程范围内,仪器的标称精度计算的测距误差应小于该长度放样的允许值。距离观测值应加入气象改正、加常数改正、乘常数改正。气象改正应根据实际测出的气温、气压和大气湿度等气象要素计算。
设计图纸所表示的工程建筑物的形状和大小,常通过其特征点表示出来,如矩形建筑物的4个角点、线形建筑的转折点等。测量放样通常是在待建的场地上标定这些特征点的位置。因此,点位放样是建筑物放样的基础。
目前,坐标法放样的主要方法有极坐标法[采用经纬仪+钢尺(或测距仪)放样法]、全站仪坐标法、直角坐标法、GNSS-RTK法。
极坐标法放样点位时,应有两个以上的控制点,且待定点坐标已知,通过距离和角度的放样来得到待定点。极坐标放样的基本元素为角度和距离。
如图1.3.5所示,设 A 、 B 为已知控制点, P 为待放样点。极坐标法放样的两个元素 β 和 S 由 A 、 B 、 P 3点的坐标反算求得。
图1.3.5 极坐标法放样
在 A 点上架设经纬仪,放样角度 β ,在放样出的方向上标定一个 P′ 点,再从 A 出发沿 AP′ 方向放样距离 S ,即得待定点 P 的位置,用木桩在实地标出其位置。
极坐标法放样点 P ,其误差 M P 有3个来源:一是控制点的误差 M 控 ,二是放样误差 M 放 ,三是标定误差 M 标 。根据误差传播定律,则有:
实际工程中,主要是要求工程各部分的相对位置关系,而且一般情况下控制点误差对放样精度的影响很小,因此, M 控 一般不予考虑。标定误差是标定 P 点位置时产生的误差,其大小随标定的方法和仔细程度而异,一般为估算值。
放样误差主要来源于对中误差、角度放样误差和长度放样误差。
(1)对中误差对极坐标法放样点位的影响 m 1
如图1.3.5所示, A 为测站控制点, O 为后视方向控制点。设仪器的对中误差为 e ,它在两坐标轴方向的分量分别为 e x > e y 。对中误差的存在将使放样点 P 由正确的位置而移至 P′ 。 PP′ 可视为 P′P″ 、 P″P 的矢量合成。 P″P 与误差 e 大小相等,方向相同。
(2)角度放样误差对极坐标法放样点位的影响 m 2
(3)长度放样误差对极坐标法放样点位的影响 m 3
长度放样误差对极坐标法放样点位的影响与其自身相等。一般认为,当采用钢尺量距时, m 3 = μ × S ( μ 为钢尺单位长度的误差)。采用电磁波测距仪测距时, m 3 = a + b × S (其中, a 为测距的固定误差, b 为比例误差系数)。
所以,极坐标法放样过程中产生的误差为:
采用极坐标法放样时,需要事先计算放样元素,而放样元素的计算要根据仪器架设位置而定。有时,现场仪器的架设位置会有变化,这时不得不重新计算放样元素。全站仪坐标放样法充分利用了全站仪测角、测距和计算一体化的特点,只要知道待放样点的坐标,不需事先计算放样元素,就可以在现场放样,而且还可实现点的三维放样。全站仪坐标放样法精度高、速度快,是目前生产实践中广泛应用的方法。
图1.3.6 极坐标法放样
如图1.3.6所示,全站仪架设在已知点 A 上,只要输入测站点 A 、后视点 B 以及待放样点 P 的坐标,瞄准后视点定向,则仪器可将测站与后视的方位角设置在该方向上;然后按下放样键,仪器自动在屏幕上用左右箭头提示,将仪器往左或右旋转,按照提示转动仪器使其到达设计方向线上;在该方向线上测设距离,仪器自动提示棱镜需要前后移动的距离,按照提示前后移动棱镜,直到放样出设计的距离,便完成该点位的放样。若需要放样下一个点位,只要重新输入或调用待放样点的坐标,按照前述方法进行放样即可。
用全站仪放样点位时,应事先输入气象要素,即现场的温度和气压,仪器会自动在测距结果中进行气象改正。全站仪坐标放样法实际就是极坐标法放样,放样点位的精度按极坐标法放样精度计算。
利用全站仪还可实现点的三维坐标放样,此时需事先准确量取仪器高和反射棱镜高。设 A 为测站点, B 为测量点, P 点相对于测站点的三维坐标为:
式中, X O 、 Y O 、 H O 为设站点三维坐标, X P 、 Y P 、 H O 为棱镜所在点的3维坐标, S OP 为斜距, Z 为天顶距角度, α OP 为坐标方位角(水平方向值), i 、 v 为仪器高和棱镜高, k 为大气折光系数, R 为地球曲率半径。
利用全站仪测量完毕后,上述计算结果立即显示在全站仪的显示屏上。测量人员可以根据该结果移动反射棱镜的位置,从而得到待放样点。
直角坐标法放样点位一般在已经布设建筑方格网或直角坐标系统的工业厂区或厂房里比较常用,而且方法也比较简单。如图1.3.7所示, A 、 O 、 B 为建筑方格网的3个控制桩,1、2、3、4点为建筑物的4个角点。直角坐标法放样该建筑物1、2点的具体步骤如下:
①根据建筑物的设计总平面图和控制点资料计算出1、2点与直线 OB 的距离 x 1 、 x 2 以及与直线 OA 的距离 y 1 、 y 2 。
②在 O 点安置经纬仪,照准 A 方向,放样距离 x 1 、 x 2 ,得到 a 、 b 两点。
③分别在 a 点 b 点安置经纬仪,照准 A 点方向,放样90°,在得到的两个方向上分别放样距离 y 1 、 y 2 ,得1、2点。
④如需归化放样,则每一步骤均应首先归化放样方向,再放样边长。
如图1.3.7所示,以1点为例,放样1点需经过两个阶段:一是直线定线,放样距离 x 1 ;二是放样90°的直角方向,再放样距离 y 1 。其误差包括直线定线放样距离 x 1 的误差、标定 y 1 点的误差、在 a 点极坐标法放样1点(放样90°的直角和距离 y 1 )的误差、标定1点的误差。各项误差参照极坐标法放样的精度计算即可。
图1.3.7 直角坐标法放样
GNSS-RTK技术能够实时地提供在任意坐标系中的三维坐标数据,是目前实时、准确确定待测点位置的最佳方式。在公路工程的中线、边线等测量工作中,施工坐标系采用基准站模式较为普遍。GNSS-RTK的作业方法和作业流程分为以下4个步骤。
测量工作进行前,首先要收集测区的控制点资料,包括控制点的坐标、等级、中央子午线、坐标系等。
GNSS-RTK采用WGS-84坐标系,而各种工程测量和定位是在当地坐标或国家坐标系上进行的,因此,坐标转换工作十分重要。坐标转换的必要条件为:3个以上的大地点分别有WGS-84地心坐标、北京54坐标或当地坐标。
计算转换参数时,注意两点:一是已知点最好选在测区四周及中心,均匀分布,这样能有效控制测区。如果选在测区的一端,应计算出满足给定精度的控制范围,切忌从一端无限制地向另一端外推。二是为了提高精度,可利用最小二乘法选3个以上的点求解转换参数。为检验转换参数的精度和正确性,还可以选用几个点不参加计算,而是代入公式起检验作用,经过检验满足要求的转换参数认为是可靠的。
根据GNSS实时动态差分软件的要求,应输入下列参数:当地坐标系(如北京54坐标系)的椭球参数、长轴和偏心率,中央子午线,测区西南角和东北角的大致经纬度,测区坐标系间的转换参数。根据测量工程的要求,可输入放样点的设计坐标,以便野外实时放样。
将基准站GNSS接收机安置在参考点上,将设置的参数读入GNSS接收机。基准站GNSS接收机在跟踪GNSS卫星信号的同时,通过数据发射电台将其测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态等信息发送出去。流动站接收机在跟踪GNSS卫星信号的同时,接收来自基准站的数据,进行处理后获得流动站的指定坐标系下的三维坐标,并在流动站的手控器上实时显示。接收机可将实时位置与设计值相比较,指导放样。
GNSS测出的高程是以参考椭球面作为高程起算面的大地高,而工程测量采用的是以大地水准面或似大地水准面为起算面的正高或正常高,两者有时存在较大差异。
点位平面位置的放样方法,除坐标法放样以外,还有距离交会法、角度交会法、方向线交会法、自由设站法等。
如图1.3.8所示, A 、 B 为两已知点, P 为待放样点。首先根据已知点和待定点的坐标计算放样元素 S 1 、 S 2 ,然后在现场分别以两已知点 A 、 B 为圆心,用钢尺以相应的距离为半径作圆弧,两弧线的交点即为待定点的位置。使用该法放样时,待定点与两已知点的距离 S 1 和 S 2 一般不宜超过一尺段之长,而且地形要平坦。
图1.3.8 距离交会法
图1.3.9 距离交会法误差椭圆
距离交会法的误差椭圆如图1.3.9所示。由图1.3.9可知, Δ 1 = m S 1 、 Δ 2 = m S 2 、 θ = γ ,则放样点的点位精度为:
角度交会法又称方向交会法、前方交会法,在量距不方便的场合常用该方法放样。如图1.3.10所示, A 、 B 为两已知点, P 为待放样点,放样元素是两个交会角 β 1 和 β 2 ,它们可按已知点的坐标和待定点的设计坐标算得。现场放样时,在两个已知点 A 、 B 上架设两台经纬仪,分别放样相应的角度。两台经纬仪视线的交点即为待放样点 P 的平面位置。
图1.3.10 角度交会法
图1.3.11 角度交会法
设两角度的放样精度相同,均为 m β 。对于角度交会法,误差椭圆如图1.3.11所示。由图1.3.11可知, ,则放样点的点位精度为:
方向线交会法常用于矩形厂房柱列中心的确定,一般是在厂房矩形控制网线上设置距离指示桩的条件下采用此法。如图1.3.12所示,1、2、3、…、1′、2′、3′…和Ⅰ、Ⅱ、Ⅰ′、Ⅱ′为厂房矩形控制网上的距离指示桩。 K 点为设定的柱子中心点。主要步骤为:
①先在1和Ⅰ点安置经纬仪,瞄1′和Ⅰ′,用1—1′和Ⅰ—Ⅰ′两方向线交会出点 K ,确定出柱子中心。
②在 K 点周围的1—1′和Ⅰ—Ⅰ′方向线上,确定 e 、 f 、 m 、 h 4个点,钉木桩确定控制桩位置,以恢复 K 点处挖基础时破坏的 K 点位置。
图1.3.12 方向线交会法
自由设站的原理是在周围有两个或两个以上且分布良好的控制点的条件下,可自由地选择便于设站的位置安置全站仪,通过对控制点测角、测边,可以确定设站点的平面坐标。通过自由设站确定测站点坐标后,便可以很方便地放样其附近点的坐标。
图1.3.13 自由设站法
其基本原理如图1.3.13所示, xOy 为施工坐标系, I 为控制点, P 为自由设站时的测站点, x′Py′ 是以 P 为原点、以仪器度盘零方向为 x′ 轴的局部坐标系, α 0 为 x 轴与 x′ 轴方向的夹角。当在 P 点上观测到 I 点的距离和水平方向后,即可得出 P 点在 x′Py′ 坐标系中的坐标:
式中, S I 为测站点 P 至控制点 I 的距离; α 1 为测站点观测控制点 I 的水平方向值。利用坐标转换原理可得:
式中, k 为边长比例系数,令 c = k ×cos α 0 , d = k ×sin α 0 ,代入式(1.3.19)得:
式中, x I 、 y I 为控制点 I 的坐标值; x P 、 y P 为测站点 P 的坐标值; x I 、 y I 、 x′ I 、 y′ I 均为已知数。为求出式(1.3.20)中的4个未知数 c 、 d 、 x P 、 y P ,需要对两个或以上的控制点进行方向和距离的观测。
由上述原理看出,利用该法测定测站点 P 的坐标时,为提高精度,应观测两个或两个以上的控制点。利用自由设站定位法进行放样时,确定测站点的坐标仅仅是第一步,第二步是利用全站仪坐标法放样点位。
归化法放样的思路是采用直接放样法确定实地标志(初步位置),对初步位置进行精密测量,求出初步位置与设计位置的偏差,然后根据偏差进行归化改正。该过程可以进行几次,配合精密量具和微调装置,能高精度地放样点位。
在归化改正的过程中,距离一般很短,有时还要配合精密量具和微调装置,其误差可以忽略。所以,归化法放样点位的精度主要取决于对初步放样位置测量的精度。
如图1.3.14所示,设 A 、 B 为已知点, P 为待定点。在放样时,先用角度交会法进行初步放样,得到初步点位(过渡点) P′ ,然后对水平角∠ P′AB = α 和∠ P′BA = β ,进行精密观测,利用式(1.3.20)计算 P′ 的精确坐标。
根据 P 点的设计坐标求坐标差:Δ X = X P - X P′ ,Δ Y = Y P - Y P′ 。当坐标差较小时,可绘制归化图纸用图解法由 P′ 点求 P 点位置,如图1.3.14所示。其方法是在图纸上适当位置绘制出 P′ ,画出直线 AP′ 或 BP′ ,根据 AP 或 BP 的坐标方位角在 P′ 点上画出 X 轴和 Y 轴的方向,根据坐标差Δ X 、Δ Y 的大小和正负在图纸上确定 P 点位置。在实地上利用此规划图纸,使图上 P′ 点与实地 P′ 点的位置一致,使图上 AP′ (或 BP′ )方向与实地 AP′ (或 BP′ )方向一致,图上 P 点位置就是实地 P 的位置。
图1.3.14 归化法放样点位
图1.3.15 轴线交会法放样
如图1.3.14所示, A 、 B 为已知点, P 为待放样点。先用直接放样法进行初步放样,得到初步放样点 P′ ,然后对 AP′ 和 BP′ 的距离进行精密测量,得准确距离 D′ AP 、 D′ BP ,再计算数据。
①根据已知 P 、 A 、 B 点的坐标,反算 AP 、 BP 边的边长。
②根据测得的 D′ AP 、 D′ BP 和计算出的 D AP 、 D BP 计算Δ D A 、Δ D B 。
③按照归化方法绘制图纸,再利用此归化图纸在实地上得到 P 的点位。
在水利枢纽工程建设中,当坝轴线(或坝轴线的平行线)已包括在施工控制网中或已与控制网联测后,则可在轴线上的 P 点(图1.3.15)安置经纬仪,对轴线两侧的平面控制点 M 、 N 来测定夹角 α 1 和 α 2 ,进而计算 P 点的坐标。
①由 M 点求得:
②由 N 点求得:
③取两组结果的平均值即为 P 点的坐标:
采用轴线交会法放样时,先在轴线上确定待放样点的初步位置(过渡点) P ,然后按前述方法进行观测并计算过渡点的坐标,与待放样点的设计坐标进行比较求得坐标差,最后根据坐标差进行改正。
正倒镜投点法是利用相似三角形的原理找出仪器偏离已知方向线的距离,然后将仪器移至已知方向线上。如图1.3.16所示, AB 为已知方向线, O′ 为仪器首次安置位置(过渡点)。当仪器无误差时,仪器后视 A ,倒转望远镜前视时,十字丝交点不位于 B 点,而是位于其附近的 B′ 点,量取 BB′ 距离后,即可根据 AB 、 AO 的长度求出仪器偏离方向线 AB 的距离 OO′ = AO × BB′ ,将仪器由 O′ 向方向线 AB 移动 OO′ ,即可将仪器安置在已知方向线上。
实际工作中,仪器存在着视准轴不垂直于横轴、横轴不垂直于纵轴等误差,所以应盘左、盘右分别投点并取中(图1.3.16)。另外,由于 AO 的距离不能精确确定,因此求得的 OO′ 的距离也是近似值,将仪器由 O′ 向直线 AB 移动时的方向无法准确把握。为克服以上困难,实际操作过程中往往采用逐渐趋近的方法多次重复投点改正,直至得到的 O 点满足精度要求为止。
图1.3.16 正倒镜投点
图1.3.17 归化法改正点
在某些情况下,若设站点至两端点的距离已知,如图1.3.17所示, AO = a , BO = b ,这时只需在 O′ 点上安置仪器,测量角度 β ,即可计算出仪器偏离方向线 AB 的距离 δ 。
施工控制网的作用是限制施工放样时测量误差的累积,使整个建筑区的建筑物在平面和高程方向正确衔接,以便对工程总体布置和施工定位起到宏观控制作用,也便于不同作业区同时施工。在高精度的施工放样中,控制点通常采用带有强制对中盘的观测墩,通过构网联测平差后,求出各控制点的坐标。同样,也可以将控制点与放样点(初步确定其点位)一起构网联测,经平差后,求得各放样点初步位置的归化量,再将其归化到设计位置。
在工程建筑施工中,常需要放样设计所指定的高程。例如,挖基坑时,要求放样坑底设计高程;高层建筑物施工时,需要放样基础面的高程、各层楼板的高程及平整度等。
如图1.3.18所示,地面有水准点 A ,其高程已知,设为 H A ;待定点 B 的设计高程为 H B ,要求在 B 点木桩上标定出 H B 的高度。在 A 、 B 之间安置水准仪,后视水准点 A 上水准尺的读数,设为 a ,待放样点上水准尺的读数 b 可由下式计算得出:
b =( H A + a )- H B (1.3.28)
在 B 点地面上打下一个木桩,将水准尺紧靠木桩侧面上下移动,直到尺上读数为 b ,沿尺底画一道横线,即为高程 H B 的位置。
图1.3.18 水准仪法
在施工放样工作中,常会遇见待放样的高程 H B 高于仪器视线的情况。例如,地下隧道、巷道施工中,放样隧道、巷道的顶部高程时,应把水准尺底向上倒立在高程点上,即用“倒尺”法放样。如图1.3.19所示, A 为水准点,设其已知高程为 H A , B 为待放样高程的位置,其设计高程为 H B ,这时后视水准尺的读数 b 应按下式计算:
b=H B -( H A +a )(1.3.29)
将水准尺紧靠木桩侧面上下移动,直到尺上读数为 b 为止,标志尺底的位置。
图1.3.19 “倒尺”法放样
当放样的高程点与水准点之间的高差很大时(如向深基坑或高楼传递高程时),仅靠水准尺无法完成高程传递任务,此时可以用悬挂钢尺代替水准尺。悬挂钢尺时,零刻划端朝下,并在下端挂一个质量相当于钢尺检定时拉力的重锤,在地面上和坑内各安置一次水准仪。如图1.3.20所示,设地面安置仪器时对 A 点尺上的读数为 a 1 ,对钢尺的读数为 b 1 ,在坑内安置仪器时对钢尺的读数为 a 2 ,则对 B 点尺上的读数 b 2 为:
b 2 =H A +a 1 -( b 1 -a 2 ) -H B (1.3.30)
将水准尺紧靠 B 点木桩侧面上下移动,直到尺上读数为 b 2 为止,标志尺底的位置。
标志放样出的高程位置可以用在木桩侧面画线的方法,也可以用逐渐打入木桩的方法。当对高程放样精度要求较高时,宜在待放样高程处埋设高度可调整标志,如图1.3.21所示。放样时,调节螺杆可使标志顶端精确地升降,一直到标志顶面高程达到设计标高时为止,然后旋紧螺母以限制螺杆的升降。为更加牢固,往往还需采用点焊等方法使螺杆不能再升降。
图1.3.20 基坑高程传递
图1.3.21 高程可调整标志
对一些高低起伏较大的工程放样,如大型体育馆的网架、桥梁构件、厂房及机场屋架等,用水准仪放样就比较困难,这时可用全站仪无仪器高作业法直接放样高程。
如图1.3.22所示,为放样 B 目标点的高程,在 O 处架设全站仪,后视已知点 A (设目标高为 v ,当目标采用反射片时, v =0),测得 O 与 A 的平距 S 1 和垂直角 α 1 ,从而计算 O 点全站仪中心的高程为:
H O =H A +v- Δ h 1 (1.3.31)
然后测得 O 与 B 的距离 S 2 和垂直角 α 2 ,并顾及式(1.3.31),从而计算 B 点的高程为:
H B =H O +Δ h 2 -v=H A -Δ h 1 +Δ h 2 (1.3.32)
将测得的 H B 与设计值比较,指挥并放样出设计高程。从式(1.3.32)可以看出,此方法不需要测定仪器高,因此用无仪器高作业法同样具有很高的放样精度。
图1.3.22 全站仪无仪器高作业法
必须指出,当测站与目标点之间的距离超过150m时,以上高差就应该考虑大气折光和地球曲率的影响。
式中, S 为水平距离, α 为垂直角, k 为大气垂直折光系数, R 为地球曲率半径。
抄平测量是在场地平整、基础施工和结构安装中,在一定区域内的许多点上给出相同的高程,如图1.3.23所示。
图1.3.23 抄平测量
①通过已知高程点在 A 点木桩上放样出相应的设计高程,做出标记。
②在距各抄平点距离均匀的位置安置水准仪,在 A 点的标记处立水准尺,读取读数。
③在多个待抄平点 B 、 C 、 D ……处立尺并上下移动,使读数均等于则尺底高程与 A 点标记处的高程相等,做出标记。
由于放样时是单向的,而且水准仪距各点距离不相等,存在 i 角误差的影响,因此在放样前,应对水准仪进行严格的检验校正。
在管线、道路放样时,经常会有斜坡放样工作。如图1.3.24所示,在 A 点的设计高程为 H A ,欲在实地 A 、 B 、 C 、 D 等点的木桩上放样高程,使其形成坡度为 i 的坡度线,可采用两种方法。
图1.3.24 水准仪放样坡度线
①如图1.3.24所示,根据附近的水准点在 A 点的木桩上放样设计高程 H A 。
②在 A 点安置水准仪,量取仪器高度 m ,计算视线高程 H i 。
③管线和道路施工中,在一段距离内其坡度是相同的,相邻等间距控制桩之间的高差是相等的,即 h 1 、 h 2 、 h 3 ……之间是等差关系,先计算 A 、 B 间的高差 h 1 = i × S AB 。
④分别在 B 、 C 、 D 等点靠木桩侧面立水准尺,使尺的读数分别为 m + h 1 、 m +2 h 1 、 m +3 h 1 ……直至坡度变化点(距离过远需要换站)。此时,各点的尺底连线即为待放样坡度线。
①如图1.3.25所示,根据附近的水准点在 A 点的木桩上放样设计高程。
图1.3.25 经纬仪放样坡度线
②在 A 点安置经纬仪,量取仪器高照准线路方向,使竖直角为设计坡度线 i ,此时仪器视线与设计坡度线一致。
③一般情况下,当坡度较小时,可认为坡度等于倾角,即tan δ = i 或 δ = i × ρ 。
④分别在 B 、 C 、 D ……各点靠木桩侧面立水准尺,使经纬仪横丝读数均为 m ,在尺底部做标记,则标记位置的连线即为待放样坡度线。
⑤为消除经纬仪竖盘指标差,保证放样坡度的准确性,可倒镜重复步骤③,取两次标记的中间位置,定出坡度线。
GNSS-RTK法测量可以直接得到以参考椭球面为起算面的大地高,而我国所采用的高程是相对于(似)大地水准面的正常高。二者的关系为:
H=h+N (1.3.34)
式中, H 为大地高, h 为正常高, N 为大地水准面差距或高程异常。
利用GNSS-RTK定位技术能够简捷、精确地获得所测点位的平面位置和大地高,但由于没有一个具有相应精度高分辨率的似大地水准面模型,致使GNSS大地高到GNSS正常高的转换中精度严重降低。对此,采用似大地水准面使GNSS大地高通过数学模型直接转换为具有厘米精度的正常高,来代替传统水准作业模式,以提高工作效率。
建造高层建筑、铁塔、烟囱、地下铁道竖井等建筑物时,需要保证建筑物的垂直度,因此就需要放样铅垂线。目前,铅垂线的放样多采用3种方式。
该方法是将通常所用的经纬仪(全站仪或激光经纬仪)卸下目镜,装上弯管目镜,望远镜的视线就可以指向天顶,如图1.3.26所示。实际操作时,通常使照准部每旋转90°向上投一点,这样就可得到4个对称点,取其中点为最终结果,就可提高投点精度。这种方法由于可利用现有仪器,只需配一个弯管目镜即可实现,因此目前在高层建筑施工中用得较多。
光学铅垂仪是专门用于放样铅垂线的仪器。图1.3.27(a)所示为日本sokkia公司的PD3型铅垂仪,它有两个相互垂直的水准管用于整平仪器,仪器可以向上或向下作垂直投影。因此,有上下两个目镜和上下两个物镜,垂直投影铅垂线的精度为1/40000。光学铅垂仪还有很多种品牌和型号,精度为1/30000~1/200000,如瑞士Leica公司的型号为WILD NZL、WILD ZL。
图1.3.26 经纬仪+弯管目镜
图1.3.27 光学铅垂仪和激光铅垂仪
除光学铅垂仪以外,目前还有高精度的激光铅垂仪。图1.3.27(b)所示为日本sokkia公司的LV1型激光铅垂仪。该仪器可以同时向上或向下发射垂直激光,使用者可以很直观地找到它的垂直投影点,垂直投影铅垂线的精度为1/30000。激光铅垂仪还有很多种品牌和型号,表1.3.1所示为我国几种常见激光铅垂仪的性能指标。
表1.1 我国几种常见激光铅垂仪的性能指标