关于GPS在高层建筑测量中应用

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摘要：本文论述了高层建筑施工gps网设计的依据，探讨了高层建筑施工GPS网的精度设计、图形设计方法，还介绍了GPS技术应用于高层建筑施工的情况。

关键词：高层建筑；施工；GPS；测量；设计

1、现阶段高层建筑常规测量方法

现阶段高层建筑常规测量方法常用的有以下几种：

1.1线锤铅直投测法

该法是比较古老的传统方法，具有设备简单、操作简便的特点，但是精度较低，施测时容易受气候、风等因素影响。在超高层建筑施工中无法应用。

1.2 经纬仪斜投测法

该法特点是，在外部环境条件较好的情况下，精度较高，能满足一般高层建筑施工竖向允许偏差的要求，操作较简便，施测速度较快。但也有以下局限：

1）因投测倾角不宜大于45o，以免引起误差过大的限制，要求控制点必须远离建筑物，对超高层建筑物及周围日益密集、狭窄的施工场地来讲，很难满足施测要求。

2）施测工作及精度受气候影响较大，不宜在风、雨、雾天等不良气候条件下作业。

1.3 激光测量法及经纬天顶仪、天底仪竖向投测法

这几种方法都具有测量精度高、方法简便、施测速度快的优点，适用于采用普通方法受到限制的施测环境中。是现阶段高层建筑常用方法，但也要求在任何情况下必须保持通视孔畅通，同时也无法消除随着建筑物高度增加而出现由于温度、日照、风荷载作用引起的施测困难。超高层建筑与高层建筑相比，高度更高，由于高耸结构昼夜和季节性的温差、日照、大地潮、风荷载对结构造成的竖向高度变化、侧向挠曲、扭转、摆动等已不可忽视。由以上可见，常规建筑的测量方法在超高层建筑中应用已经较难满足规范要求。

2、GPS原理与特点

2.1GPS定位原理

GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。如图1所示，在待 测点Q设置GPS接收机，在某一时刻tk同时接收到3颗（或3颗以上）卫星S1、S2、S3所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离ρ1、ρ2、ρ3。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标（Xj，Yj，Zj），j＝1，2，3，从而由公式解算出Q点的三维坐标（X，Y，Z）：

2.2GPS测量的特点

相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：①测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50 km的基线上，其相对定位精度可达1×10－6，在大于1 000 km的基线上可达1×10－8。②测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。③观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20 min左右，动态相对定位仅需几秒钟。④仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。⑤全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。⑥提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。

3.测量的精度设计

各类GPS网的精度设计主要取决于网的用途。城市或工程GPS网按相邻两点的平均距离和精度划分为二、三、四等和一、二级。由于高层建筑的GPS网中相邻测点的距离大多小于1Km，因此，该测量属于二级，其GPS相邻点间弦长精度用下式表示

式中ó―GPS基线向量的弦长中误差（mm），亦即等效距离误差；

α―GPS接收机标称精度中的固定误差≤15mm;

GPS接收机标称精度中的比例误差系数≤20（ppm D ）;

d―GPS网中相邻点间的距离（km）＜1km.

精度标准是GPS网技术设计的一个重要量，其大小将直接影响到GPS网的布设方案、观测计划以及观测数据的处理方法。一般情况下，当边长小200m时，边长中误差应小于20mm。在高层建筑施工中，精度标准的确定要根据用户的实际需要及人力、物力、财力情况合理设计，也可根据建设部门已有的生产规程和作业经验适当掌握。

4.高层建筑施工测量GPS网的图形设计

GPS网的图形设计虽然主要决于用户的要求，但是有关经费、时间和人力的消耗以及所要接收设备的类型、数量和后勤保障条件等，也都与网的设计有关。由于高层建筑测设工作量往往十分巨大，对此应当充分加以顾及，以及在满足用户要求的条件下尽量减少消耗。

1）GPS网的图形设计原则

2）GPS网一般应通过非同步独立观测边构成若干个闭合环（三角形，多边形）或附合线路，以增加检核条作，提高网的可靠性

3）GPS网点应尽量与原有地面控制网点相重重合。重合点一般不应少于3个(不足时应联测)且在网中应分布均匀，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。

4）GPS网点应考虑与水准点相重合，而非重合点一般应根据要求以水准测量方法（或相当精度的方法）进行联测，或在网中布设一定密度的水准联测点，以便为大地水准面的研究提供资料。

5）为了便于观测水准联测，GPS网点一般庆设在视野开阔和容易达到的地方。高层一般均位于城市闹市区，建筑物密集，且市政设施众多，因此，布置网点时要特别注意。

高层建筑施工测量的GPS网图形形式主要采用的是三角形网或环形网。当然，在条件允许时，也可采用三角形网与环形网构成的混合网。混合网既能保证网的几何强度，提高网的可靠指标，又能减少外作业工作量，减低工程成本，是GPS工程测量首先应考虑的图形形式。图3所示三台接收机的观测方案共10个同步三角形，2个异步环，6条复测基线边，总基线数为29条，独立基线数为20条，多余基线数为8条，必要基线数为12条。由图3显示，该图线呈封闭状，可靠指标大为提高，外作业工作量也比环形网有所减少。

5.GPS测量技术的优越性

GPS测量技术不受气候条件的限制，可在任何恶劣天气下进行定位，因此可以全天候的进行实时观测，解决了常规测量技术难题，在传统的测量方法中，测站间相互通视一直是测量学的难题，常因通视而影响施工布置和施工工期。GPS测量技术测站之间无需通视，这使选点更加灵活方便，不需要改变施工布置，从而可保证施工进度。GPS测量技术观测率高，采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30分钟左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短GPS定位精度高。除此之外，GPS技术在动态物体的定位方面比较擅长，建筑物摆动周期和摆动规律用传统方法是无法解决的，但采用GPS技术却很容易实现。

6.结论及尚待解决的难题

由于在超高层建筑施工中应用定位技术有着传统方法所以无法比拟的优越性，同时在理论上也具有可行性。因此，采用全球卫星定位系统加计算机自动记录、自动分析、自动控制技术来测定建筑物摆动周期和摆动规律，从而得出真实修正值，以保证大厦的垂直度，不失为超高层建筑垂直度控制的新方法。从技术的角度来看，应用加计算机系统监控超高层建筑施工还存在有以下技术难题：

1）尚需开发顾及建筑施工特点的专用软件和监控温度、风向、日照变化的仪器，加深对上述变

化规律的认识，以期对施工生产起到有效的指导作用。

2）如何在计算机分析软件处理过程中，过滤掉由于交叉施工而引起的偶然变位，比如混凝土

倾倒荷载作用、混凝土的振捣力、钢结构构件吊装等。

3）如何采取有效措施加快数据采集、处理工作，以保证施工工作快速顺利进行。

4）如何采取措施防止由于城市密集建筑群以及电磁波等对接受信号的阻碍和影响。

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