011第十一章洞体精密测量方案

第十一章洞体精密测量方案1.施工测量准备1.1本工程测量重点难点序号内容1按施工先后顺序需建立洞外施工测量控制网和洞内检测与安装测量控制网，两个控制网基准需高精度统一，对控制测量精度要求高。2风洞总周长达400余米，风洞内中间部位的测量传递累积误差控制要求高，需采取有效的降低误差对策，采取更为精细的、全面的、动态的施工精度控制系统方法。3风洞各连接部段截面形式不同、变化多样，而且结构复杂，相接段需保证平滑过渡，给施工测量放线工作提出了更高精度的要求。4风洞施工公差控制要素多，如同轴度、表面平整度、阶差与间隙、截面尺寸等，需对所有关键节点进行空中三维精密定位，测设的坐标数据量大，计算过程繁琐。5所有的混凝土/钢结构接口必须按照图纸要求制作并定位准确，需严格控制测量误差。6施工测量过程为：混凝土模板粗定位模板整体定位精度检测施工过程监控测量施工完成后的精度检测，该过程均为现场进行，测量定位放线必须跟踪作业，测量作业时间长、精度高、还需保证实时性。7风洞工程精度要求高主要是成型后洞体内型面的精度要求高，需采取有效的施工测量手段和成型后的精度检测手段，为更好地同时把控成型前后的精度指标，必须多种手段同时施测，现场施测难度大。8风洞混凝土的温差变形差异，混凝土自身收缩、及构件截面分布不对称、构件局部受力不均匀产生的变形，形式多样的变形因素加大了测量监控工作的工作难度。9在风洞内测量时，受空间和通视条件限制，为测量方法的选择和精度保证增加了难度。针对本工程异型的特殊结构和精密的误差要求，将采取先进的技术方案和高效的管理措施来克服一系列的难题。在施工中，将配置目前业界最先进、精密的测量及定位仪器和相应的数据处理软件，借鉴国内外最新测量技术科研成果，结合施工工艺手段，采用科学合理的测量技术与方法，确定最佳的测量方案，保证施工测量精度准确可靠、与施工工艺有机配合，力争达到精确性、实时性、便捷性的同步实现。通过对风洞的空间几何解析，建立空间点位的数据库，从外业的数据采集、放样、调整、检测，到内业的数据处理、成果分析，实现测量的数字化、程序化及智能化。总之，风洞洞体成型精度受施工过程中多种因素影响，必须在施工前进行详细分析，并结合风洞洞体的精度要求制定出施工精度控制的要求，在施工过程中遵循全过程控制、等精度控制和信息化控制的原则。1.2误差来源分析影响风洞施工精度的误差来源主要有测量误差、施工误差。1.2.1测量误差测量误差包括系统误差与偶然误差。序号名称内容1系统误差首级控制网、施工控制网中存在的平面点位误差与高程误差；控制网中存在的边长投影变形误差；测量数据解算方法误差，与采用数学模型、定权方式、精度评定方法有关；测量仪器误差（全站仪、水准仪等），棱镜加工误差，温度/气压/湿度传感器测量误差；棱镜与钢模板连接所使用机加工件的加工误差。2偶然误差仪器的对中、整平、量高，及气温、气压等外部条件对观测造成的影响。1.2.2施工误差施工误差主要有：序号内容1钢模板的加工误差，钢模板的平整度精度必须在生产过程中得到控制，否则在后期调整中会增大调整难度，甚至无法调整。2模板受混凝土浇筑冲击力所发生的变形。3构件因自重引起的扰度变形。4构件受温度、应力影响所发生的变形。1.3降低误差对策1.3.1通过高等级GPS控制网建立高精度空间基准①根据实际情况，选用包含风洞的外围4个稳定点（施工范围影响区以外）组成该工程首级控制网；②联测BJFS（中国北京）、DAEJ（韩国大田）、SUWN（韩国水原）3个IGS国际跟踪站，采用IGS最终精密产品、CODE最终精密产品；③采用Bernese5.0软件进行数据处理，解算方法为双差相位固定解、短基线解算模式；④其余观测技术采用国家GPS测量规范C级网技术要求，成果采用地心坐标X、Y、Z。工程实践表明，平差结果中最弱点的三维位置中误差优于±0.6mm，基线边长平均中误差优于±0.5mm，边长平均相对精度优于6×10-8，各项指标均满足《规范》中B级网要求，可为下一级施工控制有效提供高精度空间基准。1.3.2选择合适的投影方式降低轴线定向误差经计算，当选择场区中心点经度作为中央子午线进行高斯投影时，控制网中用于直接放样的控制点的子午线收敛角γ将小于±1.5″，尺度变化比为1，测量控制点间方向因投影发生的变形可忽略不计，即风洞轴线定向误差小于±1.5″，精度得到有效保证。1.3.3采用目前世界上最高精度仪器组合来降低系统误差采用高精度的测量仪器可以有效提高测量精度，本工程中所使用仪器包括：LeicaTS60（±0.5″、±1mm+0.6ppm）全站仪,LeicaGPH1P精密棱镜（±0.1mm），LeicaCCR1.5′球型棱镜（±0.01mm），LeicaSTS/DTM组合式数字温度气压传感器，数字水准仪LeicaDNA03（±0.2mm/KM）。高精度仪器组合图1.3.4通过精密边角网建立施工控制网因风洞施工精度高，为检核高等级GPS网内符合精度，按《精密工程测量规范》，分别建立二级水平控制网、三级高程控制网，组成施工测量控制网，技术指标如下。精密工程控制网精度指标类型等级一级二级三级四级水平控制网相邻点相对点位中误差（mm）0.201.003.005.00高程控制网测站高差中误差（mm）0.030.050.100.30视线长度（m）10203050根据风洞轴线建立建筑坐标系，将施工测量控制网ITRF2005成果转换至基于洞体轴线建立的建筑坐标系，该成果为风洞施工提供了高精度虚拟基准尺，满足风洞施工测量精度需要。1.3.5采用自由设站方法避免仪器对中与量高偶然误差传统测量过程中，仪器需要进行对中、整平与量高，全站仪在一定范围内可以通过补偿器实现仪器的精确整平，但对中、量高误差无法克服。当控制点均为强制对中桩，顶部标盘用合像水平仪精确调平（垂直度±0.1mm/m），在强制对中桩安设棱镜则无需通过基座，只需通过精密加工固定长度、严格准直的连接杆即可，此时棱镜则实现了整平和量高，将全站仪进行自由设站（无需架设在固定的控制点上）观测值通过下图可计算仪器中心坐标，过程中无需进行对中和量高，避免该部分的偶然误差，在精密测量中，这将极大提高测量精度。全站仪自由设站原理图1.3.6施工误差的控制①、对钢模板按设计标准进行严格检查，确保成品质量达到设计标准。②、合理的施工工艺可有效控制钢模板施工前后的变形。1.4编制依据序号名称标准1《工程测量规范》GB50026-20072《国家一、二等水准测量规范》GB12897-20063《全球定位系统（GPS）测量规程》GB/T18314-20094《精密工程测量规范》GB/T15314-945《中、短程光电测距规范》GB/T16818-19976《国家三角测量规范》GB/T17942-20007《建筑变形测量规范》JGJ8-20078《风洞工程测量标准》KGB715-20009《常规风洞安装工程施工及验收规范》KGB725-200510建设单位提供的施工图纸及相应文件中相应条款的规定11建设单位提供的施工现场的测量控制桩点及数据1.5点位移交与业主和相关单位对本工程首级控制网、前期初勘及基坑监测的相关资料进行移交。1.6测量仪器配置测量工作内容主要包括控制网的建立、风洞施工测量、风洞内部检测，沉降监测等内容，拟选用的仪器及设备如下：名称精度指标单位数量用途GNSS接收机水平，±3mm＋0.5ppm；垂直，±6mm＋1ppm台4首级控制网大地测量Leica全站仪TS600.5″1mm+0.6ppm×D套2平面控制测量、施工测量及放样Leica电子水准仪DNA03±0.2mm/Km台1水准测量、标高传递FAROFocus3D扫描仪10m和25m时为±2mm台1内型面精度检测静力水准沉降仪精度±1mm，灵敏度0.01mm台65沉降监测LeicaGPH1P棱镜/个4测量目标LeicaCCR1.5′球型棱镜/个8测量目标计算器CASIO4800P台4数据处理，平差计算计算机/台2软件平差、资料整理1.7测量人员配备针对本工程测量难度及工程量安排测量人员数量及分工：职务人数任务及工作职责高级测量工程师2名测量策划及专业技术施工管理负责，测量成果的检核。测量工程师4名方案编制、理论分析、测量控制网的布设和传递、施工测量作业、技术资料编制、内业计算。测量员8名配合测量工程师工作及测量细部作业。1.8测量组织管理1.8.1测量管理分三级管理本工程施工测量分为两个阶段层次：第一阶段为洞外施工测量，第二阶段为洞内施工测量。一阶段为常规控制和施工测量，采用三级管理；二阶段为超高精度检测与定位测量，技术上综合了全站仪+扫描仪+数字摄影测量的新技术新方法，采用二级专人责任管理：一级测量：一级为场区控制网测量，由总包技术部门组织，总包测量工程师负责建立和管理场区测量控制网，定时复核场区控制网点与业主提供的原始控制点的偏差和部分分项工程测量放样，负责首级控制测量网点的测设和管理。负责测量资料收集整理以及测量竣工总图。二级测量：二级为洞体定位测量，由主体结构承包商负责建立和管理洞体的控制测量网，组织实施洞体轴线放样测量、负责建立洞体定位主控轴线和高程基点埋设，对各分部分项工程测量放样的检查复核，负责测量资料收集整理。测量工程师负责检查复核各级分包测量放样成果，上报监理。三级测量：三级为内型面检测，以测量主管工程师为组长，组建项目测量管理小组，小组由各分包主管测量人员组成。分包单位或劳务施工队根据二级控制测量点经复核无误后，进行洞体轴线测放和高程基点引测。负责洞内各定位角点、轴线、桩位、预埋件、等测放，负责编制施工放样资料数据。1.8.2测量管理程序一级、二级控制测量管理程序三级控制测量管理程序2.平面控制测量方案控制网布设是风洞施工测量的基础性工作，其主要作用有三个：提供风洞轴线的坐标和方位基准；提供与风洞工程相配套的各项土建施工的测绘保障；调整出表面精度高、各部段自由光滑过渡、关键节点指向准确的风洞，并将风洞各部段按设计要求高精度地统一起来。相应地可以将控制网分为大地测量控制网、外部施工测量控制网和内部检测与安装控制网，三者的区分除了作用不同，还有时间的先后顺序。由于每一阶段的测量任务不同，其精度也各异，控制网的相对精度要求越来越高。因此三者之间的关系是测量基准传递而不是精度约束，工程测量控制网“层”的概念在这里得到了充分的体现，其实质是追求点位的相对精度。平面控制网按照“先整体后局部，高精度控制低精度，长边、长方向控制短边、短方向”的原则，分二级进行布设。2.1大地测量控制网大地测量控制网是各级平面控制网建立和复核的唯一依据，也是该工程的首级控制网。2.1.1控制网的布设控制网点布设如下图所示，共布设大地测量控制点4个，点号为GP01～GP04。大地测量控制网图（首级）控制点的埋设要求如下图所示。观测墩采用强制对中装置，其安平精度要求为±2´，结构为钢筋混凝土结构，高度为0.7m左右。观测墩应于GPS测量前3~6个月建好，保证实测时点位比较稳定。GPS控制桩制作示意图2.1.2主要技术要求由于GNSS技术具有定位精度高、经济效益好、操作简便及布网自由度大等特点，在国内外的军事、民用等部门得到了极为广泛的应用，尤其是在大地测量和变形监测领域。从文献新编测绘与测量数据速查处理方法与速查技术实用手册（刘萍著）查得：隔河岩水库大坝监测中6hGPS监测数据解算的监测点水平方向精度为0.5mm，高程方向精度为1.0mm；1～2hGPS监测数据解算的监测点水平方向精度为1.0mm，高程方向精度为1.5mm。观测时的具体技术指标如下，本工程按C级网观测精度要求。B、C、D、E级GPS网测量采用的GPS接收机的选用级别BCD、E单频/双频双频/全波长双频/全被长双频或单频观测量至少有、载披相位、载披相位载披相位同步观测按收机数B、C、D、E级GPS网观测的基本技术规定项目级别BCDE卫星截止高度角/（°）10151515同时观测有效卫星数有效观测卫星总数观测时段数时段长度采样间隔3010~305~155~15以上方案若施工时受到美国GPS政策的影响，也可以采用二级控制网基于单台全站仪的自由设站技术进行施测。2.2风洞外部施工测量控制网风洞外部施工控制网是本工程的二级控制网，依据大地测量控制网和总平面布置图，根据现场状况及风洞方位，布设在风洞周围。该控制网紧邻施工现场，要求点位通视良好、利于长期保存、便于施工放样。由于受施工影响比较大，因此必须定期复测校核，并做好原始数据的记录，上报监理。2.2.1控制网的布设控制网点布设如下图所示，共布设控制点4个，点号为WK01～WK04。外部施工测量控制网图控制点的埋设要求：参照大地测量控制点埋设要求。2.2.2主要技术要求按《精密工程测量规范》建立二级水平控制网，其技术要求如下：级别平均边长（m）测角中误差（″）边长中误差（mm）最弱边边长相对中误差二级200±0.71±0.11:200000为确保测量工作顺利进行和方便施工，二级平面控制点埋设后必须对其进行保护，外侧用四根钢管做成2m×2m高1m的护栏，钢管表面刷红白相间的油漆，防止施工机械和人员损坏。点位处竖立明显标志，上面注明“测量标志，注意保护”和联系电话号码字样。并指派一名测量人员定期到现场巡视各控制点保护情况。加强对施工人员教育，保护好测量标桩，所有测量标桩未经工程负责人同意，不得拆除、碰撞或破坏。平面控制点的保护示意图如下:控制点的保护示意图2.2.3测量方法原理本工程控制网测量采用基于单台高精度全站仪的自由设站测量方法。如下图所示，其中三角代表控制点，圆圈代表测量点，方框代表临时转点，仪器图标代表测站位置。自由设站测量方法原理图由大到小方框所包围的范围分别为第一、第二、第三设站所测量的区域，见方为100～200米，如果测量范围再大，测量分隔的区域继续增多。每一设站测量其范围内的所有控制点、测量点和转点。测站的位置可自由选择，但尽量在测量区域的中间，这样可使测量误差呈规律性的均匀分布。全站仪测量精度与测角和测距误差有关，近距离时测角和测距的误差对点位精度影响较小，但随着距离增大，测距误差影响明显增大，自由设站测量方法将较大的测量区域化分为若干个范围较小、适合全站仪进行测量的区域，从而有效保证了测量精度。这种方法充分适应了测区呈狭长、条带状、直线延伸、图形强度差的情况。本工程采用两个分区进行观测，两个测站间重合两个观测点，具体如下图。测站1测量过程图测站2测量过程图2.2.4测量过程控制网坐标系与测站坐标系:控制测量所得到的坐标系称为控制网坐标系；每站测量仪器三轴所形成的坐标系称为测站坐标系。具体测量过程分为两步：序号名称内容1控制测量施工测量开始前，应建立整个施工区域的控制网，本工程为GP01～GP04。2单点测量自由设站测量，通常有两种方式：一是单站测量，仪器不动，测量所有目标，其标准测量半径为200m以内，适合测量范围较小的区域；二是转站测量（通常称为蛙跳），完成一次测量任务需要多次移动仪器的位置，其优点是可以避免外界环境的影响，改善通视条件。一般通过对3个以上的定向点（即相邻两站重复测量的公共点）测量，建立起相邻测站之间的姿态、定向关系，同时实现仪器测量范围的较大扩展，也可避免测量精度随距离增大而快速降低，更适合较大范围的施工区域。2.2.5数据处理方法将仪器自由设站，对测区内的控制点和测量点进行分站测量，将测量获得的水平角、垂直角和斜距作为观测值，以测站位置参数和测量点坐标作为平差参数进行参数平差，获取测站位置参数和测量点坐标的精确结果。上述过程与摄影测量中的光束法平差相似，各测站参数类似于摄影测量中的内外参数，测量点的坐标则为摄影测量中的未知点坐标，因此称之为基于光束法平差解算的多测站数据统一解算的数据处理方法。网平差是在观测结束后,消除不符合的数据、评估测量精度、求出坐标的重要手段。传统的网平差可分为条件平差、参数平差两大类。参数平差(及附有约束条件的参数平差)便于计算机辅助计算,目前应用的最多。在下图中,两台仪器同时观测1个点,有6个观测值,若对n个点同时观测,就有6n个观测值；n个未知点存在3n个未知数,两台仪器相对定向存在有另外7个未知数(3个旋转参数,3个平移参数,1个尺度因子)。所以,若要解算仪器的相对位置,应该使得下述条件成立：6n>7+3n,即n>2.5,为此实际测量时,要求相邻测站有3个以上的公共点。在实际工程中,高精度的控制网通常会布设5～15个公共点,增加多余观测量，且网点分布具有良好的几何结构,以提高可靠性、减小测量误差的影响。

相邻两站间公共点测量示意图平差时通过对多余观测值进行最小二乘处理,求得最佳的仪器位置和空间姿态及空间点的最佳坐标,使得观测值改正数的平方和最小。其误差方程是非线性的,需要进行多次迭代才能达到最终的要求。2.2.6数据处理过程（1）、测站坐标系下坐标计算如下图，测站Si对任意点P的观测值包括水平角Hi-p、垂直角Vi-p和斜距Di-p，则点P在测站Si下的坐标记作，计算公式如下：（1）极坐标测量原理图（2）、测站1坐标系与其余测站间的转换参数概略计算根据布尔莎七参数模型（通过坐标系3个基本旋转、3个平移和1个尺度缩放实现）可以计算得到两相邻测站i和i+1间的转换参数，即平移参数、旋转参数和尺度因子k：（2）为测站i的坐标，为测站i+1坐标，为依次绕X、Y、Z轴旋转的角度，是旋转参数对应的旋转矩阵。由（2）式可得测站1与测站i间的转换关系为：记作：（3）其中：尺度因子k主要是由于两坐标系采用不同的长度基准造成的，或者被测物体热胀冷缩等因素引起的。如果两坐标系的长度基准相同，通常将尺度因子k固定为1，否则可由下式计算得到k的概略值：(4)其中：为测站坐标系下的坐标，为控制网坐标系下的坐标。(3)、各个测站坐标系与控制网坐标系间转换关系计算由（3）式，可以将所有测量点坐标转换到测站1坐标系下，其中控制点i的坐标记作。另外，已知控制点i的坐标为，监测时要测量到至少3个不共线的控制点，因此可以求出控制网坐标系和测站1坐标系间的概略转换参数，平移参数和旋转参数，则有：（5）其中：表示控制网坐标系下的坐标，为测站1坐标系下的坐标，是旋转参数对应的旋转矩阵。由（3）和（5）式可得控制网坐标系与任意测站i间的转换关系：（6）(4)、精确解算测站间位置关系及监测点坐标对于测站i，由（6）式可计算得到控制网坐标系与测站坐标系间的转换参数的概略值。在实际测量过程中，控制网坐标系的基准面与测站坐标系的基准面均为大地水准面，故两坐标系间的转换参数将只有，即绕Z轴的旋转角。如下图所示，其中为控制网坐标系，为测站i坐标系，坐标系是由坐标系平移至，平面、和均与水平面平行，则由坐标系旋转得到。测站与控制网之间转换原理图ZZcYcXcOcZ’c/ZiYiXiOiY’cX’cφci被测点可分为控制点和监测点，监测点j在控制网坐标系下的坐标记作。对于整个监测网来讲，所要求解的未知数包括测站与控制网坐标系间的转换参数以及监测点的未知数坐标。测站i对测量点P的观测值包括水平角Hi-p、垂直角Vi-p和斜距Di-p，有如下关系式：（7）则由参数平差可得如下误差方程：（8）若观测点是控制点则。对于所有测站，可建立误差方程，观测值水平角Hi-p、垂直角Vi-p和斜距Di-p的定权表达式如下：（9）其中：为仪器测角的标称精度，单位为秒；为测距精度，单位为毫米；a、b分别为全站仪标称的固定误差和比例误差系数。按最小二乘法，组成法方程：，其中，由此，平差解算可得到测站未知数、和监测点坐标的精确值。(5)、精度评定设n为误差方程个数，t为未知数个数，为第i个参数的精度估值；为权逆阵Q对角线上第i行第i列数据；由平差结果残差V，可计算单位权中误差，其中，未知数权逆阵，参数精度估计。2.2.7方法优点（1）、高等级控制点的布设要求低。单个测站对控制点的测量个数没有要求，只要全部测站合起来能够观测到4个控制点即可。（2）、自由设站，避免了仪器对中误差、量高误差，保证高程测量精度。测站位置自由设置，即仪器不需要对中在某一个固定的控制点上，避免了仪器的对中误差，测量过程中不需要量取仪器的架设高度，高度可任意，以适宜观测为准，避免了仪器高度量取误差。（3）、三维测量，使平面和高程测量数据同步获得，提高观测效率，有效保证高程测量的精度。2.3风洞内部检测与安装控制网2.3.1控制网的布设以A段为例，控制网点布设如下图所示,每段布设2-3个，至少布设控制点22个，点号为NK01～NK22，按施工工序A-D-B-C-F-K-G-J-H-I-E先后布设。内部测量控制网图（A段）控制点的埋设要求：该控制网是在风洞底板完成以后进行布设，制作机加工件，上端连接棱镜，下端通过M16螺栓连接在预埋钢板带上，如下图所示。

内部测量控制点制作示意图机加工件棱镜机加工件棱镜2.3.2主要技术要求按《精密工程测量规范》建立二级水平控制网，其技术要求如下：级别平均边长（m）测角中误差（″）边长中误差（mm）最弱边边长相对中误差二级100±0.71±0.11:200000该控制网的建立是在风洞外部施工测量控制网的基础上布设的，布设时机为风洞基础底板施工完成后。其过程是一个把测量基准由风洞外部转移至内部的过程，须保持内外测量基准的高精度统一，故测量方法与前一致，只是在风洞内部操作空间受限、施测难度更大。由于洞体基础施工、结构施工的影响，可能会对控制的精度产生影响，为此在每次作业前需与一个外部控制点发生联系，以验证内部控制点的稳定性。2.4平面控制测量的软硬件配置平面控制测量主要软硬件配置表项目名称型号/产地功能数量硬件全站仪LeicaTS60数据采集1台精密棱镜LeicaGPH1P测量目标4个数字温度气压传感器LeicaSTS/DTM现场采集温度、气压参数1套笔记本电脑国产数据处理1台机加工配件国产配合测量目标安装10件软件Geomos7.1Leica控制测量数据采集1套MicroSurveyStarNetV8加拿大数据处理、整体平差1套2.5实际类似工程验证前述控制测量方法已在多项大型工程中应用，下面仅介绍一个最具有代表性的钢结构楼为例进行说明。该钢结构楼是为某特种设备而建的配套工程，于2012年开工，同年竣工，并投入使用。文中主要探讨内容为：该钢结构楼与特种设备相连接倾斜面的安装及调整，对影响高大空间中实现精密定位的因素进行了详细描述，给出了解决此类问题的方法并提出了相应建议。鉴于工程的特殊性，对工程所涉及的性质、具体参数及图像已进行处理。2.5.1工程的基本概况该钢结构楼属某特种设备配套项目，位于山顶，基础为花岗岩，基本几何尺寸为37.1米（长）×25.7米（宽）×40.8米（高），地下1层，地上8层。要求设备使用寿命期内，楼不均匀沉降总量≤10mm；楼安装面的抗风力在25m/s、65m/s极限稳态风载下，楼安装面的变形小于3mm、无永久性变形；该楼总质量约为5000吨。工程概况示意图该楼结构由直柱、水平梁、阵面斜柱及梯形梁构成，其中直柱、水平梁、阵面斜柱形式均为箱型柱，横截面尺寸为500毫米×500毫米，钢材型号为345C；梯形梁的上边缘318毫米、下边缘500毫米，高度500毫米。与安装设备交接面为阵面，阵面由144块位于水平梁、阵面斜柱上的过渡板组成，连接方式为焊接，过渡板分为两种，尺寸为280毫米×360毫米、320毫米×180毫米，阵面与水平面夹角为70°；设备由45块组单元板构成，总质量为240吨。2.5.2相关竣工精度指标设备研制单位要求该楼验收竣工验收时满足电信号调试基本条件：①在ITRF2005（国际地球参考框架）中，阵面几何中心定位精度等级为国家三等大地控制网点精度；②法线定向精度±0.015°（±54″）；③阵面与水平面夹角70°±0.01°（±7毫米）；④阵面自身安装平整度±3毫米；形成阵面的144块过渡板，板块间定位孔中心间距精度±2.0毫米。阵面144块过渡板布设示意图安装重点是阵面几何相位中心定位、定向与相对于水平面70°夹角平整度精度，决定这一精度在于144块过渡板安装精度。2.5.3控制测量的最终结果因阵面安装精度高，为检核高等级GPS网内符合精度，按《精密工程测量规范》，分别建立二级水平控制网、三级高程控制网，组成安装控制网，技术指标见下表。精密工程控制网精度指标类型等级一级二级三级四级水平控制网相邻点相对点位中误差（mm）0.201.003.005.00高程控制网测站高差中误差（mm）0.030.050.100.30视线长度（m）10203050①、100米距离上，LeicaTCA2003ATR（自动目标识别）模式下与手动操作的测量差值可达到：±0.2mm，±0.24″，符合仪器标称精度，且ATR模式测量精度优于人工瞄准测量精度，水平控制网测量过程中，使用ATR功能进行测量。②、因Star*Net兼容数据格式多、抗粗差能力强、解算结果可靠，平差均采用该系统，经平差：水平控制网的角度中误差为±0.3″～±1.1″，待定点坐标平面误差±0.2mm～±0.4mm；高程控制网中各待定点高程中误差为±0.02mm～±0.05mm；精度符合规范要求。③、根据建筑物轴线建立坐标系，将安装控制网ITRF2005成果转换至建筑坐标系，该成果为阵面安装提供了高精度虚拟基准尺，满足阵面安装精度需要。3.高程控制测量方案高程控制网为施工过程提供统一的高程基准，风洞内、外部均需布设高程控制点，在条件具备的情况下，风洞外部的高程基点还需与国家大地水准网点联测，以保证与市政管网系统的准确对接。3.1控制网的布设控制网点由风洞内外的高程基点组成，布设在风洞施工影响范围以外，控制网点布设如下图所示，共布设4个高程控制点，点号为BM1～BM4。高程控制点布设示意图高程控制点制作示意图风洞内部控制点埋设要求：该控制网是在风洞底板完成以后进行布设，与内部平面控制点同点，内外部高程控制点组成控制网，也即统一了平面控制点和高程控制点的高程基准。3.2主要技术要求该工程高程控制测量按国家二等水准测量精度要求，采用LeicaDNA03电子水准仪进行施测。

高程控制测量示意图《国家一、二等水准测量规范》中对二等水准的强制性条文为：二等水准测量主要技术要求（一）等级仪器水准尺观测次数往返较差、附和或环线闭合差与已知点联测附和或环线二等DS1铟瓦尺往返各一次往返各一次二等水准测量主要技术要求（二）等级仪器视线长度前后视较差前后视累计差最低视线基本、辅助分化读数差二等DS150米1米3米0.5米0.5毫米每公里水准测量的偶然中误差MΔ和每公里水准测量的全中误差MW限差表测量等级一等二等MΔ（毫米）±0.45±1.00MW（毫米）±1.00±2.00其中计MΔ、MW算公式为： （a） （b）式（a）中Δ为测段往返测高差不符值（单位：毫米），R为测段长度（单位：公里），n为测段数；式（b）中W为经过各项改正后的水准环闭合差（单位：毫米），F为水准环线周长（单位：公里），N为水准环数。3.3高程控制测量的软硬件配置主要软硬件配置表项目名称型号/产地功能数量硬件电子水准仪LeicaDNA03数据采集1台条码尺Leica铟钢尺测量目标1对机加工配件国产配合测量目标安装6件软件DNATrans国产测量数据转换1套清华三维平差Nasew2000国产数据处理、整体平差1套3.4控制网复测要求考虑到高程控制网中各高程控制点的稳定性，拟定前三个月平均每月对平面控制网进行定期复测一次，三个月之后平均每三个月对平面控制网定期复测一次，直至施工结束。按照《工程测量规范》、《国家一、二等水准测量规范》观测标必须位于水准观测线路中，不得使用碎部点方式对沉降观测标进行测量。3.5观测数据记录、计算、整理与统计对观测数据记录、计算、整理与统计进行如下要求：观测数据记录为保证观测数据的规范性、真实性与可靠性，观测数据记录需使用标准手簿进行记录，原始数据记录手簿不得进行编造、转抄、连环涂改。所有原始记录文件均采用电子文件归档。原始观测手簿格式见下图。

电子水准仪原始观测数据记录（样本）观测数据计算观测数据进行平差计算合格后，均需使用平差软件（NASEW2000）对平差后数据进行整理并计算相邻两欢观测变化量，并每月上报，其格式见下图。NASEW2000平差文件（样本）4.结构施工测量方案风洞工程的施工测量是指将图纸或计算机上设计的建筑（构）物的平面位置与高程按照设计要求，以一定的精度在实地标定出来，作为施工的依据。测设的结果是得到施工现场实地上的标桩与标点。4.1施工公差及技术要求作为空气动力学试验设备的混凝土结构，其形成的气流内表面要求光滑，不连续（变截面）部段也需自由光滑过渡；混凝土壳体形成的气流表面的几何形状和尺寸误差会直接影响风洞的气动性能，因此，对混凝土壳体形成的气流表面的要求比对一般混凝土结构公差要求严。(1)、轴线偏差部段自身轴线与理论轴线在水平/铅垂两方向偏差均不大于10mm。所有部段均应设置中心轴线基准标志，供部段安装和检测使用。轴线偏差定义示意图(2)、垂直度与水平度洞壁垂直内表面的平均平面在全高范围内与理论铅垂面偏差≤3mm，洞壁水平内表面的平均平面在全宽范围内与理论水平面偏差≤3mm。(3)、平行度与位置度风洞定义了三个基准面，分别为垂直气流方向，通过模型中心的铅垂面A；顺气流方向，通过模型中心的铅垂面B；顺气流方向，通过模型中心的水平面C。对于洞壁内表面关键截面（以及截面上的各边）的所有点，其在整个面（或整个边）范围内相对基准面的偏差，通过位置度、平行度公差的形式有如下规定：截面名称截面整体形位公差截面各边形位公差参考面公差要求（1605）边名义尺寸参考面位置度(1605)相对偏差*(1605)收缩段出口端面A平行度8水平边15863C80.10%铅垂边19661B80.08%一扩入口端面A平行度10水平边7356C100.27%铅垂边9560B100.21%一扩出口端面/-水平边10000C200.40%一拐入口端面铅垂边12100B200.33%一拐出口段面/-水平边10000C200.40%第一回流道入口端面铅垂边13300A200.30%第一回流道出口端面/-水平边12600C100.16%二拐入口端面铅垂边12600A200.32%二拐出口端面/A位置度25

平行度10水平边12600C100.16%风扇段入口端面铅垂边12600B100.16%风扇段出口端面/A位置度25

平行度10水平边12400C100.16%二扩入口端面铅垂边12400B100.16%二扩出口端面/-水平边17200C300.35%三拐入口端面铅垂边15900B300.38%三拐出口端面/-水平边17200C300.35%大开角段入口端面铅垂边20700A250.24%换热器段-铅垂边25600A250.20%换热器段出口端面/-水平边20000C250.25%四拐入口端面铅垂边24000A250.21%稳定段-水平边20000C250.25%铅垂边24000B250.21%(4)、表面平整度顺气流方向直线度≤3mm/1m，≤5mm/2m，≤10mm/15m。垂直气流方向直线度≤3mm/1m，≤5mm/2m，≤10mm/15m。稳定段整流网处、稳定段侧墙面≤3mm/2m，整高≤15mm；顶部天花板及地面≤3mm/2m，整宽≤20mm。除非有特别注明，允许公差都须比相对公差和绝对公差小；不允许公差累积。(5)、收缩段型面精度收缩段型面与理论型面偏差不大于当地特征尺寸的2‰（以半高/半宽计算）

收缩段型面精度定义示意图(6)、阶差与间隙声学处理的混凝土结构部分不做要求；主要是风扇过渡段和稳定段，所有的表面都应是光滑的，不连续（变截面）部段、间隙的密封处等均应自由光滑过渡。所有混凝土壳体表面粗糙度都应满足ACI-117（美国混凝土施工及材料公差规范）规范中规定的A级（3mm）。除非有特别注明，阶差≤3mm。(7)、混凝土/钢结构接口所有的混凝土/钢结构接口必须按照图纸要求制作并定位准确。除非有特别注明，预埋件位置公差≤3mm。混凝土收缩段与固定钢结构收缩段的接口，稳定段末端表面平整度≤12mm。

8m×6m大低速风洞气动轮廓图4.2施工公差各要素测量方案风洞工程因其特殊的异形结构和精密的误差要求，测量人员在结构施工阶段不仅需要高精度的放样出轴线和高程等要素，还需要和相关专业的施工人员一起，在施工时做好轴线、节点等的控制测量，对于一些形状复杂、无法直接计算关键节点的部位，需要从BIM图或CAD图中量取坐标或距离等参数，为放样工作提供数据。对上述施工公差及技术要求进行逐一分析，转化为测量专业问题，主要有以下几个方面：空间点位的三维放样；空间尺寸的三维测设；空间直线与面、面与面的位置关系计算；形位误差计算：如直线度、平面度、平行度、垂直度等。基于以上分析，本工程在施工过程中拟采用基于单台全站仪的工业测量系统方案。4.2.1基于单台全站仪的工业测量系统全站仪是随着测绘、电子、机械等诸多学科的发展而出现的现代化测绘仪器。它的出现，使测绘科学的方法和技术都发生了变化，极大地促进了测量技术自动化和一体化的发展。全站仪发展到今天，具有精度高、功能先进等优点，可以实现测量的自动化和智能化，被誉为测量机器人。全站仪测量系统是工业测量系统中最简便的一种系统。由于它的硬件配置简单、设站灵活、操作方便以及中远距离相对精度较高的特点，已越来越受到人们的欢迎，尤其在亚毫米量级精度检测需求的领域有较好的市场和应用前景。随着全站仪向智能化测量机器人方向的发展，全站仪测量系统已经实现目标的自动识别（ATR）和自动跟踪，是一种廉价的准动态、低速跟踪测量系统，因此应用领域将会得到进一步拓宽。（1）、系统原理全站仪测量系统利用极坐标的测量原理，只需要测量一个斜距和二个角度（水平角和天顶距）就可以得到被测点的三维坐标,其原理如下图所示。

全站仪测量系统测量原理图测量坐标系的定义为：取全站仪的三轴中心作为测量坐标系的原点，仪器整平后，XOY平面为水平面，其中Y轴为水平度盘零方向，Z轴为铅垂线方向。这样就可确定采样点与水平面的关系。通过测量水平角、天顶距和斜距S就可以计算出待测点P的坐标。全站仪测量系统的坐标计算公式为：（1）设水平角和天顶距的测角精度分别为、，测距精度为，显然P点的点位精度计算公式为：（2）（2）、系统硬件配置单台全站仪测量系统配置较简单，主要由全站仪、便携笔记本电脑、软件平台、高稳定度的脚架、通讯和供电装置以及测量合作目标等构成。以上设备可通过电缆进行系统联结，实现测量数据的在线获取和实时显示，系统组成如图所示。

工业测量系统组成图目前能达到工业测量系统精度要求的全站仪主要有Leica公司的TC2002、TC（A）2003、TDM5005、TDA5005等全站仪以及SOKKIA公司的NET2、NET2100系列全站仪，其中以Leica公司全站仪的精度和自动化程度最高，带“A”的为自动跟踪全站仪，带“M”的为马达驱动全站仪。其测角标称精度（水平角和垂直角）为±0.5″，测距精度在120m范围内能达到±0.2～0.5mm。全站仪需要合作目标才能完成高精度的测距和坐标测量，而测量合作目标的选取会直接影响到测距精度，因此全站仪测量系统合作目标的选择是非常重要的。全站仪作为通用的工程测量、大地测量仪器，可供选择的测量目标种类很多，通常有普通圆棱镜、小棱镜、360°棱镜、球棱镜以及反射片等。但对于工业测量应用来说一般只能选择球棱镜和反射片，球棱镜的中心和球心是重合的，因此在对被测表面进行测量时，不管棱镜如何放置，其测量点均位于测量面的法线方向，且偏心距始终为球的半径，因此进行数据归算和处理就非常简单。反射片可以粘贴到被测点上，其厚度已知，数据处理也相对简单，但对其测量保证测量精度的关键是使测距入射角在一定的范围内。而其它合作目标无法放到工件中所要求的测量点或数据归算较复杂，因此一般很少在工业测量中使用，反射片和球棱镜的规格和参数见下表。Leica反射片和球棱镜的规格和参数类型测程(m)标称加常数(mm)测距接收角测距精度（）对TPS2000/TPS5000系列全站仪（mm）反射片2～40(20mm×2020～100(40mm×4060～180(60mm×6034.4±42°±0.5球棱镜CCR1.5″2～60034.9水平±10°垂直±20°±0.2Leica球棱镜的技术指标球直径球面材料可利用球面范围对中精度球面精度重量1.5″，38.1±0.01mm不锈钢，表面加硬278°≤±0.01mm≤±0.005mm170克基于上述的精度分析，本工程中结构施工测量时，在定位模板位置时测量目标选用球型棱镜，机加工工装进行配合，在钢模板四个角点上预留螺纹孔，通过工装使其联结球型棱镜。其他定位测量时可选择反射片为测量目标，需考虑反射片厚度改正。（3）、系统软件配置全站仪测量系统软件一般分为数据管理/处理模块以及全站仪控制/测量模块两部分。一般数据管理/处理模块是通用的数据分析和处理软件，包括常用的点、线、面拟合计算和形位误差计算、坐标转换等功能，能适合不同的工业测量系统。全站仪控制/测量模块一般是针对不同的全站仪而设计的，主要包括仪器的初始化参数设置，联机数据采集、测量数据误差修正等功能。软件具体功能如下图所示。

工业测量系统软件功能图4.2.2空间点位的三维放样全站仪放样点位的原理通常采用的是极坐标法，将仪器架设在已知点A上，瞄准后视点B，通过输入已知点和待放样点坐标值，仪器经坐标反算，自动将测站与后视点的方位角设置在该方向上。在仪器上按下放样键，按照仪器屏幕上提示的方位，将仪器往左或右旋转，即可使仪器达到设计的方向线上。通过距离测量，仪器自动提示棱镜前后移动，直接测设出设计距离，即完成一个点位的放样。为了提高放样精度和防止出现偏差，对于一些重要的轴线，通常需要采用双点放样法。即将全站仪分别架设在不同的两个已知点上，各自独立放样同一轴线点，然后用归化法精确定出所需的轴线点。本工程采用基于单台全站仪的自由设站测量放样法，仪器的位置架设自由度大，可采用前述的极坐标法进行验证。具体实施过程用图表示如下。

否否是开始坐标转换获取设计坐标马达驱动仪器至理论位置调整目标向理论位置逼近测量目标点三维坐标计算三个方向的偏差判断偏差是否合乎设计要求求？结束否计算放样点的Hz和V全站仪初始定向是以上过程可以通过工业测量系统软件控制仪器实现在线测量，软件实时显示测量数据和偏差值，偏差大小还可以设置不同的颜色，更加直观明了。以模板安装调整为例，为便于现场工人操作，本工程进行软件系统开发，使偏差值实时传输给操作工人所佩戴的智能手表上，所见即所得，可大幅提高现场操作效率。工业测量系统在线测量图工业测量系统实时指导工人操作图4.2.3风洞轴线的三维放样现浇混凝土风洞工程的重点、难点主要是混凝土洞体施工，风洞洞体各部段截面变化形式多样，洞体轴线的同轴度、洞体的内型面精度要求高，控制难度大，在各专业、各工种交叉施工的环境下，对测量工作干扰较大，测量工作要根据风洞工程施工的不同阶段，在保证测量精度的同时，尽可能的为施工提供方便。当承台施工完成后，利用平面控制网数据，及时将洞体各轴线投测到承台上，即在风洞基础顶面或洞体钢筋混凝土结构部段下方，投影出风洞主轴线和重要部段界定位置线。技术要求如下：采用仪器测回数测角中误差距离相对中误差备注LeicaTS60≥22″1/50000仪器需有激光指示功能以两个测回归化后的洞体主轴线为基准，按照洞体底板与主轴线的关系，放样钢筋混凝土洞体底板模板线。待洞体结构底板混凝土浇筑完成，模板拆除后，再一次将洞体轴线控制点、重要部段界定位置线和高程控制点引测到洞体内（即底板的顶面），引测时仍按两测回精度要求，投测的控制点均用不锈钢板制作，安装固定在结构底板的表面，为下一步主题施工提供基准。高程测量从高程控制网直接引入，组成闭合环路，按国家二等水准测量精度要求进行施测。4.2.4模板定位测量模板项目是现浇混凝土风洞的主要工作和关键工作，风洞内壁模板位置控制的如何，直接影响到风洞轴线及其他指标的精度控制。洞体内的各部段截面形式变化多样，有对称八角体、非对称八角体、棱台式圆洞体、箱体、曲面洞体等多种形式，洞体的同轴度、型面平整度、对接面阶差要求高，尤其是收缩洞体为曲面洞体，这些都对风洞的模板定位提出了很高的要求。模板定位测量也采用基于单台全站仪的自由设站测量方法，仪器的位置架设自由度大，基本不受模板加固方案的约束，其过程如本节2.2所示。只需在定位测量前，从BIM图上测得模板框架各主要控制节点的坐标值输入软件即可。4.2.5空间尺寸的三维测设构件空间尺寸测量其实质为空间两个点的距离计算，只需测设出空间两个点的三维坐标，通过软件直接计算即可。工业测量系统软件功能图4.2.6空间直线与面、面与面的位置关系计算测量出关键点的三维坐标后，即可构造空间直线和面，然后通过工业测量系统软件可直接计算二者之间的位置关系。（1）、直线拟合法则如果初值确定方法采用设置初始点则需要选择两个初始点，且尽量保证这两个初始点相距较远。如果初值采用输入参数，则输入参数中原点坐标为直线上任一点坐标，向量为直线向量。拟合法则：按照最小二乘法则拟合直线，即参与拟合的各点到拟合生成直线的垂距之平方和最小。直线向量的定义：直线向量分量为拟合计算出的参数，其正方向为从第一个初始点指向第二个初始点或依据输入的初始参数确定。直线坐标系的定义：直线坐标系的原点为第一个初始点到直线的垂足，直线向量方向为直线坐标系Z轴正向，直线向量与当前坐标系的X轴正向之叉积为直线坐标系的Y轴正向，按右手法则形成直线坐标系。拟合偏差的定义：总偏差为各点到直线的垂距；dX为总偏差在直线坐标系X轴上的投影；dY为总偏差在直线坐标系Y轴上的投影；dZ始终为零。点位偏差为总偏差。（2）、平面拟合法则如果初值确定方法采用设置初始点则需要选择三个初始点，且必须保证三个初始点不在一条直线上。如果初值采用输入参数，则输入参数中原点为平面上任一点，向量为平面法向量。拟合法则：按照最小二乘法则拟合平面，即参与拟合的各点到拟合生成平面的垂距之平方和最小。直线拟合法则平面拟合法则平面向量的定义：平面向量即为平面的法向量，其分量为拟合计算出的参数，其正方向为向量1（第一个初始点到第二个初始点）与向量2（第一个初始点到第三个初始点）叉积向量的方向或依据输入的参数确定。平面坐标系的定义：平面坐标系的原点为第一个初始点到平面的垂足，平面向量方向为平面坐标系Z轴正向，垂足1（第一个初始点到平面的垂足）到垂足2（第二个初始点到平面的垂足）的方向为X轴正向，按右手法则形成平面坐标系。拟合偏差的定义：总偏差为各点到平面的垂距；dX、dY始终为零；dZ即为总偏差。工业测量系统软件功能图工业测量系统软件功能图4.2.7形位误差计算形位误差计算主要包括：直线度、平面度、平行度、垂直度等。这些要素的计算需要先构造出直线和平面，然后进一步计算形位误差。工业测量系统软件功能图5.内型面施工测量与精度检测方案风洞施工完成后，需对风洞整个内型面精度进行检测，即检测整个风洞的施工质量与理论设计模型的偏差，其实质为通过测量尽可能多的离散点来拟合内型面，再与理论设计模型进行比较。5.1检测方法可以采用快速、高精度、多用途的隧道扫描测量与检测解决方案，TunnelScan隧道扫描系统是采用三维激光扫描仪进行隧道测量的一套数据采集和处理系统，TunnelScan与高性能的AmbergProfiler5003或者FAROFocus3D超高速相位式三维扫描仪相配合，为隧道施工建设提供文档管理和分析服务，构成隧道测量市场中最专业、强大的系统。该技术在隧道领域是成熟的，对风洞工程可以直接借鉴使用。激光扫描系统工作图5.2系统组成硬件模块：FAROFocus3D扫描仪1台；APM定位法基座1个和2个定位棱镜；APM定位法扫描靶球棱镜和配套三脚架1套；工业平板电脑和挂架1套。软件模块：软件模块用途TMSOffice内外业数据管理平台TMSScancontrol激光点云数据获取控制TMSScanRex激光点云空间绝对定位TMSScanCloud激光点云数据分析TMSProFit断面提取与数据分析TMSScanSurf隧道表面平整度分析5.3系统用途快速高效的高精度风洞激光点云绝对坐标数据获取和计算；快速获取风洞建成后的三维模型，与理论设计模型进行比较，鉴定风洞建造质量。计算分析任意里程风洞断面的变形量与轴线空间位置；运营期检测，使用高分辨率激光点云影像识别与定位风洞异状特征，如裂缝、渗水、水垢、风化、破损等风洞异状范围和位置；隧道扫描数据可同时做侵界检测分析，确保风洞运营安全。5.4系统优点使用Amberg公司专利技术——“APM定位法”，快速自动进行扫描仪测站数据的获取、自动拼接以及计算所有点云数据的地面控制坐标系与断面坐标系坐标（点云数据绝对定位）；支持利用其他点云数据处理软件拼接和绝对定位好的点云数据直接导入进行后续分析；自动提取和生成高精度、高密度断面报告并可以多种数据格式导出；基于“最小二乘法”自动提取轴线坐标列表；基于高密度三维点云数据的断面方向变形量报告；侵界检测功能；根据激光回光信号强弱进行异状检测和定位功能基于高密度三维点云数据的断面偏差报告6.风洞各部段变形监测方案风洞施工过程中及施工完成后对风洞各部段关键节点、过渡段、基础等进行沉降监测，反映出风洞的准确沉降情况，以确保工程施工及运营安全。6.1洞体各部基础的沉降监测6.1.1沉降监测方案本工程沉降监测拟采用安装静力水准沉降仪传感器的监测方案。静力水准仪安装图沉降监测传感器具有以下特点：可完全实现监测自动化，做到无人值守。传感器内有唯一的电子编号，同时内置电子标签，方便客户快捷、准确的识别和定位传感器。传感器内置1600条数据存储器，自动存储测量数据，实现数据双备份，确保原始数据资料的安全。实时温度补偿。直接输出监测物理量，不需人工换算。产品设计、制造均采样军工技术，全部元器件进行老化筛选，高低温应力消除试验，三防处理。利用有限或无线数据传输网络，可进行远程监控，组网简单，多个不同类型的传感器挂接到一条总线即可。可随时对监测点扩充。6.1.2静力水准沉降仪传感器工作原理静力水准仪（连通液位沉降计）是一种电感调频的总线型位移计，由液缸、浮筒、精密液位计、保护罩等部件组成。适用于测量参考点与测试点之间土体的相对位移，主要用于各种过渡段线形沉降，沿纵向对结构物之间的沉降差进行监测。静力水准仪要求量程10cm，精度1mm，灵敏度0.01mm。静力水准仪工作原理6.1.3安装时间及位置确定在路基及各种过渡段结构物均施工完成后，再选择无雨、雪天气进行开挖埋设。根据设计方案，在结构物施工完成后利用全站仪进行定位测量，同时确定好水平基准点（相对不动点）、沉降观测点。具体