許志立

廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院 廣州 510000

摘 要：垂直度是建筑起重機(jī)械的重要安全指標(biāo)，尤其對于高層建筑使用的起重設(shè)備，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及安全規(guī)程對其誤差范圍都有明確的要求。文中介紹了建筑起重機(jī)械測量垂直度的常見方法，分析各方法的特點(diǎn)；并重點(diǎn)介紹了全站儀在垂直度測量中的應(yīng)用。通過全站儀設(shè)站功能，一次架設(shè)，可方便快捷地測量所有可視設(shè)備的垂直度；對比不同方法的測量結(jié)果，證明了該測量方法是可行的，測量結(jié)果是準(zhǔn)確的。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；全站儀；垂直度；測量

中圖分類號：TH213.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）18-0067-05

0 引言

垂直度是位置公差，是評價(jià)直線之間、平面之間或者直線與平面之間的垂直狀態(tài)一個(gè)參數(shù)指標(biāo)。對于塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）、施工升降機(jī)等建筑機(jī)械來說，垂直度是指塔身或?qū)к壖茉诓皇芡饬Φ挠绊懴?，?shí)際軸線與理論軸心線在被測平面內(nèi)的最大水平誤差。塔機(jī)、施工升降機(jī)等多用于高層建筑，其垂直度是安裝過程中需要保證的一項(xiàng)重要安全指標(biāo)。GB ／ T 5031 － 2019、GB ／ T 10055 － 2007 等對塔機(jī)、施工升降機(jī)垂直度的偏差范圍都有明確要求，不能超過其要求值[1，2]。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在塔機(jī)首次安裝后，以及每次塔機(jī)、施工升降機(jī)增加標(biāo)準(zhǔn)節(jié)升高時(shí)，都必須測量其垂直度；在其驗(yàn)收檢驗(yàn)、定期檢驗(yàn)時(shí)，也必須對其進(jìn)行測量檢驗(yàn)[3]。由此可見，垂直度測量的應(yīng)用非常廣泛，尋找一種方便快捷準(zhǔn)確的垂直度測量方法意義重大。本文所述測量方法僅以塔機(jī)為例，同樣的測量方法也適用于施工升降機(jī)等其他建筑機(jī)械。

1 垂直度常見的測量方法

1.1 吊線法

吊線法是垂直度測量中最常見、最簡單的測量方法。其步驟為：首先將塔機(jī)吊臂擺到合適的位置，使塔身在該測量方向上處于不受力狀態(tài)；然后在塔身最高處選擇合適的位置放線，一直放到塔機(jī)底部，測量吊線到塔身同一基準(zhǔn)面的距離，上下距離L 之差Δ 即為塔身在該方向上的垂直度；吊臂旋轉(zhuǎn)90°，以同樣的方法測量塔身另一個(gè)方向上的垂直度。如圖1 所示。

圖1 吊線測量法

該方法簡單且容易操作，但吊線法要求在塔身內(nèi)或外從上到下要有一個(gè)無干涉的空間，其中不能有障礙物接觸影響吊線，當(dāng)塔機(jī)有附墻、內(nèi)撐桿、爬梯等情況時(shí)不易尋找下線位置；當(dāng)塔機(jī)高度較高時(shí)，放線時(shí)間長，測量不方便，測量效率較低，測量過程受操作人員影響，測量誤差較大。

1.2 經(jīng)緯儀測量法

經(jīng)緯儀測量塔機(jī)垂直度是常用的儀器測量方法。經(jīng)緯儀測量塔機(jī)的垂直度，即旋轉(zhuǎn)塔機(jī)吊臂至合適的位置，使得需測量的方向不受吊臂與平衡重不平衡的影響，如圖2 所示吊臂位置，測量A-A 方向上的垂直度。將經(jīng)緯架設(shè)在距塔機(jī)1.5H 處（H 為塔機(jī)安裝高度），且保證經(jīng)緯儀觀測點(diǎn)與塔身測量點(diǎn)的連線垂直于A-A 線，即必須架設(shè)在塔身面正前方。調(diào)平經(jīng)緯儀，開始測量；以塔身的最高位置或最下端位置某處做基準(zhǔn)線（通常選取塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主旋桿內(nèi)（外）邊作為基準(zhǔn)線），然后在另一端塔身放置一個(gè)零點(diǎn)對齊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主旋桿內(nèi)（外）邊的橫向鋼直尺緊貼，利用經(jīng)緯儀投測下來，投測到鋼直尺上的讀數(shù)即是塔機(jī)在該方向的垂直度偏差。塔機(jī)吊臂旋轉(zhuǎn)90°，挪動(dòng)經(jīng)緯儀至另一個(gè)方向，同樣的方法測量塔身B-B 方向上的垂直度[4]。

圖2 經(jīng)緯儀測量法

采用經(jīng)緯儀測量塔機(jī)垂直度的原理簡單，操作方便，測量誤差相對較小。然而，在測量過程中，對經(jīng)緯儀的架設(shè)位置有要求，太近或太遠(yuǎn)均不易觀測，且一定要架設(shè)在塔身面的正前方，位置局限性強(qiáng)；另外，在測量完一個(gè)方向后需要挪動(dòng)并再次調(diào)平經(jīng)緯儀才能測量另一方向的垂直度，這就降低了測量的效率[5]。

1.3 全站儀測量法

全站儀（全站型電子測距儀）是集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)，因其一次安置儀器即可完成該測站上全部測量工作而得名，其已廣泛用于建筑工地的各測量領(lǐng)域[6]。

2 全站儀測量法

2.1 全站儀經(jīng)緯儀模式測量

全站儀包含經(jīng)緯儀的所有功能，若僅使用其含有的經(jīng)緯儀功能，同樣可測量塔機(jī)垂直度，測量方法同經(jīng)緯儀測量法，這里不再贅述。

2.2 全站儀測距模式測量

該測量方法類似于經(jīng)緯儀測量法，區(qū)別在于測量過程中不需要移動(dòng)全站儀，一次架設(shè)可測量一臺塔機(jī)兩個(gè)方向的垂直度，也不需要粘貼標(biāo)尺。測量步驟為：選擇合適的位置架設(shè)全站儀，全站儀要架設(shè)在垂直于塔身面方向上并調(diào)平準(zhǔn)備測量；旋轉(zhuǎn)吊臂至合適位置，測量一個(gè)方向的垂直度。在塔身最高處或最下端的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主旋桿選擇一個(gè)邊為基準(zhǔn)線，全站儀可上下掃描，對比基準(zhǔn)線與另一端該邊的位置關(guān)系，找出垂直度偏差；通過全站儀對邊測量兩點(diǎn)之間折線距離的功能測出兩點(diǎn)之間距離，即為該方向上的垂直度偏差值。如圖3 所示，以塔身最高位置主旋桿外側(cè)邊為基準(zhǔn)線，全站儀掃描到最下端，則基準(zhǔn)線與最低位置主旋桿外側(cè)邊之間的距離Δ即為該方向上的垂直度。然后塔機(jī)吊臂旋轉(zhuǎn)90°，測量另一方向的垂直度，此時(shí)無需挪動(dòng)全站儀，只需調(diào)整全站儀為測距模式，如圖4 所示。該測距功能測量的距離是指測量目標(biāo)點(diǎn)在水平面上的投影與全站儀之間的距離，故測量塔機(jī)同一個(gè)塔身面上最高點(diǎn)與最低點(diǎn)在水平面上的投影與全站儀的距離，兩距離之差即為該方向上的垂直度。至此，無需移動(dòng)全站儀，完成了塔機(jī)兩個(gè)方向垂直度的測量。

圖3 全站儀測量垂直度

圖4 全站儀測距模式

2.3 基于全站儀建站模式的測量方法

在測距模式測量中實(shí)現(xiàn)了一次架設(shè)全站儀，完成了一臺塔機(jī)兩個(gè)方向垂直度的測量，但該方法對全站儀的架設(shè)位置仍有要求，即全站儀仍要架設(shè)在與塔身面垂直的方向上。在實(shí)際測量過程中，由于工地場地、建筑物遮擋、安全通道防護(hù)棚影響等原因，使在與塔身垂直的方向上無法架設(shè)測量儀器，或有架設(shè)位置但不利于觀測、有高空墜物風(fēng)險(xiǎn)等等。而基于全站儀建站模式的測量方法，對全站儀的架設(shè)位置沒有要求，只要塔身上下在架設(shè)位置的可視范圍，即可完成塔機(jī)垂直度的測量。全站儀測量包括全站儀的建站、方位角、對邊測量等概念。

1）全站儀的建站是指確定儀器所架設(shè)位置的空間位置信息，亦即建立的坐標(biāo)系、坐標(biāo)原點(diǎn)與全站儀的相對位置，如圖5 所示（E.N.H 坐標(biāo)系或是x.y.z 坐標(biāo)系）。

2）方位角是指從某指定方向線起，依順時(shí)針方向到目標(biāo)方向線之間的水平夾角，圖6 所示直線相對于x軸的方位角為45°。

3）對邊測量是全站儀的對邊測量用于確定兩個(gè)點(diǎn)之間的相對位置關(guān)系，如兩點(diǎn)之間的斜距、平距、高差及方位角等。如圖7 所示，為對邊測量方法，點(diǎn)號1 即對邊測量第一點(diǎn)，點(diǎn)號2 即對邊測量第二點(diǎn)。

該測量方法是通過全站儀建站的模式來測量塔機(jī)垂直度，通過建站（即建立坐標(biāo)系）使設(shè)置的坐標(biāo)系x、y軸（這里不考慮z 軸）分別同向于塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的兩個(gè)直角邊（見圖8，原點(diǎn)位置可以不在塔身上）。設(shè)置這樣的坐標(biāo)系，可通過測量塔機(jī)上下兩點(diǎn)的坐標(biāo)值之差得出塔身垂直度。

圖5 全站儀坐標(biāo)系

圖6 方位角

建立這樣坐標(biāo)系步驟為：1）任意位置架設(shè)全站儀，在塔身的一個(gè)平面上任意選擇兩個(gè)點(diǎn)（如圖8 所示A、B 點(diǎn)），通過全站儀程序測量中的對邊測量功能測出A、B 兩點(diǎn)連線AB 的方位角a，（該方位角a 是指線AB 投影在水平面上，與當(dāng)前坐標(biāo)系x 軸之間的夾角）。2）全站儀返回一般測量模式中，旋轉(zhuǎn)全站儀至其水平角顯示為測量值a，通過全站儀設(shè)置水平角HZ 置零功能置零（見圖9，此時(shí)即建立了新的坐標(biāo)系），這樣就使現(xiàn)坐標(biāo)系x 軸方向平行于線AB 在水平面上的投影線（可再通過對邊測量測量方位角是否為零來驗(yàn)證）；或者通過計(jì)算直接設(shè)置現(xiàn)水平角的值，使新坐標(biāo)系x 方向平行于線AB 在水平面上的投影線。至此，就建立了x、y 軸分別平行于塔身兩直角邊的新坐標(biāo)系（坐標(biāo)原點(diǎn)無要求）。測量塔身同一面最高、最低位置的坐標(biāo)，通過計(jì)算上下坐標(biāo)y 值之差即可求得該方向上的垂直度，吊臂旋轉(zhuǎn)90°，以同樣的方法測量塔身另一個(gè)方向的垂直度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一次架設(shè)，測量多臺塔機(jī)的垂直度。

圖7 對邊測量

圖8 與塔身同向的坐標(biāo)系

圖9 水平角HZ 的設(shè)置

在工地架設(shè)好全站儀后，可測量任一可視塔機(jī)兩個(gè)方向上的垂直度，大大提高了測量效率，尤其對于建筑工地群塔作業(yè)的塔機(jī)測量工作，且全站儀具有測量距離遠(yuǎn)、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

3 不同測量方法比對結(jié)果

選擇3 臺高度不同的塔機(jī)，分別采用經(jīng)緯儀法、全站儀測距法、全站儀建站測量法測量其同一個(gè)方向上垂直度，結(jié)果如表1 所示。比對試驗(yàn)結(jié)果，幾種測量方法結(jié)果相近，證明了全站儀測量方法的有效性。所以，基于全站儀建站模式的測量方法是可行的，由于全站儀的精度更高，理論上其測量數(shù)據(jù)應(yīng)該是更準(zhǔn)確的。

4 結(jié)束語

以上方法都有各自的特點(diǎn)，但全站儀測量法，可以不受場地等因素影響，可任意位置架設(shè)測量，大大提高了測量效率，尤其對于群塔作業(yè)的建筑工地。全站儀測量距離遠(yuǎn)，無棱鏡測量模式測程可達(dá)500 m，且精度高，測量誤差小等諸多優(yōu)勢，應(yīng)該在垂直度測量中廣泛地使用。

同時(shí)，其他建筑機(jī)械如施工升降機(jī)、物料提升機(jī)等的垂直度測量以及塔機(jī)剛性試驗(yàn)水平靜位移測量，也可以使用全站儀測量，方便高效準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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