[摘要] 本文将全站仪运用到钢结构工程安装偏差检测中，提出了一种新的变形检测方法。理论和实际工程检测结果表明：该方法具有测量原理简单明了、精度高、可操作性强和灵活、方便、实用的特点，可以在钢结构工程安装偏差检测中推广应用。
[关键词] 偏差；垂直度；平面弯曲；全站仪
1 钢结构安装偏差检测的必要性及常用的检测方法
1.1 钢结构安装偏差检测的必要性
由于各种因素的影响，钢材构件在施工或运营过程中都会产生变形。这种变形在一定限度之内，应认为是正常现象，但如果超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全。因此，在工程建筑物的施工和运营期间，必须对其进行变形观测。
随着我国建筑市场的发展以及施工工艺的提高，多层和高层钢结构建筑逐步增多，在钢结构工程安装过程中，测量是一项专业性很强又非常重要的工作，测量精度的高低直接影响到工程质量的好坏，是衡量钢结构工程质量的一个重要指标。
《钢结构工程施工质量验收规范》[1]中明确规定：安装偏差的检测，应在结构形成空间刚度单元并连接固定后进行。单层（多层及高层）钢结构主体结构的整体垂直度和整体平面弯曲的允许偏差应符合表10.3.4（11.3.5）的规定。因此对于钢结构工程而言，如何控制和检测其安装偏差，值得探讨。
1.2 钢结构安装偏差检测的常用方法
《钢结构工程施工质量验收规范》中提出采用经纬仪、全站仪等测量钢结构主体结构的整体垂直度和整体平面弯曲。经纬仪具有仪器设备简单、施工方法简便的优点，被施工单位广泛采用，但其精度较低，并需和钢卷尺配合使用，限制了其使用范围。
现在全站仪已在工程测量中普遍应用，而且全站仪中出现了一些新技术，比如带有无棱镜测距功能的全站仪和可以用反射片代替反光镜等，本文探讨了这些新技术在钢结构工程安装偏差检测中的应用，并得出了一些有益的结论。
2 用全站仪进行钢结构安装偏差检测的原理和方法
2.1 用全站仪进行垂直度检测的原理
图1 全站仪法垂直度检测原理示意图
如图1所示，为测量钢结构建筑物某一立面的整体垂直度偏差，可建立如图1中所示自由坐标系NOE，全站仪在自由测站O设站并测量立面内两角柱1、3及中间柱2在NOE坐标系下各钢柱上下测点的坐标。若钢柱没有垂直度偏差，则同一钢柱的上测点应该与其对应的下测点的平面坐标一致；若该钢柱存在垂直度偏差，则上测点与其对应的下测点的平面坐标就不一致，此时可根据其N、E方向坐标的差值求出该钢柱在坐标轴N、E方向的垂直度偏差和综合的垂直度偏差。这些反映钢柱垂直度偏差的计算模型可按以下方法推导。
设钢柱1上下测点在NOE坐标系中的坐标分别为1上（N1，E1）和1下（N1'，E1'），则上下测点的N、E方向坐标差值即垂直度偏差分别为：
（1）  这样钢柱1的综合垂直度偏差可按下式计算：
（2）  2.2 用全站仪进行平面弯曲检测的原理
图2 全站仪法平面弯曲检测原理示意图
如图2所示，为测量钢结构建筑物某一立面的整体平面弯曲偏差，可建立如图2中所示自由坐标系NOE，全站仪在自由测站O设站并测量立面内两角柱1、3及中间柱2在NOE坐标系下的距离和角度。保持3个测点高度一致（Z同值），并使O1方向坐标方位角为0°00′00″，得到测点1、2、3在NOE坐标系下的距离和角度1（LO1，α1-0°00′00″）、2（LO2，α2-0°00′00″）、3（LO3，α3-0°00′00″）。
按三角余弦公式：
（3）  分别计算L13、L12、L23。若立面没有整体平面弯曲偏差，则L13 = L12 + L23 ；若立面有整体平面弯曲偏差，则L13＜L12 + L23 ，此时计算三角形△123的高L22' ，即为该立面的整体平面弯曲偏差。
2.3 用全站仪中的新技术进行钢结构安装偏差检测的方法
根据上面检测的原理，可以知道变形检测重要的是测量出各测点在坐标系NOE中的坐标、距离和角度等三维参数。常规全站仪能快速地测出待测点的三维参数，但需要在监测点处安装棱镜，而在钢柱侧面安装棱镜是非常困难的，即使能够安装，也存在安装的对中误差，有的时候甚至是不可能安装到位的。这时，可利用全站仪中的新技术，也即用反射片代替反光镜或无棱镜测距功能等技术，实现钢结构安装偏差检测中测点三维参数的测量问题。
2.3.1 使用具有反射片代替反光镜功能的全站仪进行钢结构安装偏差检测的方法
使用具有反射片代替反光镜功能的全站仪进行钢结构安装偏差检测的原理同上。在检测前，先在欲检测的钢柱上布点并贴上反光片。布点时应按照规范要求布设足够的检测点，上部点和对应的下部点应布设在同一钢柱上，所布检测点应能反映出建筑整体的安装偏差情况。布点完成后，在地面上合适位置O处架设全站仪，精确整平后，即可以同一个任意后视方向依次测出立面内各反光片点的坐标。测完一立面的检测点后，即可搬站观测其他立面的检测点。
2.3.2 使用具有无棱镜功能的全站仪进行钢结构安装偏差检测的方法
使用具有无棱镜测距功能的全站仪进行钢结构安装偏差检测的原理也同上，该方法与用具有塑料反光片代替反光镜功能的全站仪进行钢结构安装偏差检测的方法基本相同。所不同的是不需要在各检测点处贴反光片，测量时用全站仪直接照准欲检测钢柱上的检测部位即可，由此可见该方法的钢结构安装偏差检测更为方便快捷。
3 具体工程检测结果分析
受建设单位委托，对某钢结构厂房进行整体垂直度及整体平面弯曲检测。该厂房为单层钢结构，其长度为54.8m（两角柱柱中距），钢柱高度为8.2m，因此该厂房的整体垂直度允许偏差的绝对值应≤8.2mm，整体平面弯曲允许偏差的绝对值应≤25.0mm。按规范要求：对主要立面全部检查。对每个所检查的立面，除两根角柱外，尚应至少选取一列中间柱[1]。
该工程的具体检测结果见表1。
表1 某钢结构厂房一立面整体垂直度和整体平面弯曲结果汇总表（mm）
|
项 目 |
位置 |
ΔN |
ΔE |
偏差 |
允许偏差 |
结果 |
|
主体结构的
整体垂直度 |
1 |
-4.0 |
-5.0 |
6.4 |
8.2 |
合格 |
|
2 |
5.0 |
3.0 |
5.9 |
|
3 |
3.0 |
-6.0 |
6.7 |
|
项 目 |
位置 |
角度 |
距离 |
偏差 |
允许偏差 |
结果 |
|
主体结构的
整体平面弯曲 |
1 |
0°00′00″ |
35564 |
16.7 |
25.0 |
合格 |
|
2 |
41°09′38″ |
27532 |
|
3 |
88°54′37″ |
42399 |
从表1中的检测结果可以看出，该厂房钢结构主体的整体垂直度偏差存在但数值比较均匀，最大值是6.7mm；整体平面弯曲偏差是16.7mm，均在允许偏差范围内，因此该厂房能够满足《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）的要求。
4 结论与建议
（1）采用常用的变形检测方法进行钢结构安装偏差检测，受施工、外界条件、场地等因素限制较大，而用全站仪中的新技术进行变形检测是一种新的尝试，该方法具有测量原理简单明了、精度高、可操作性强和灵活、方便、实用的特点，可以在钢结构安装偏差检测中推广应用。
（2）采用本文推荐的方法进行钢结构安装偏差检测，若要进一步提高检测精度，除了全站仪必须盘左和盘右观测取平均值外，还可以采用增加独立检测的测回数然后取平均值的方法进行检测。
（3）考虑到钢结构建筑物楼层较高、室内检测作业距离有限的实际情况，检测时可以配备弯管目镜解决全站仪仰角过大无法观测的问题。
参考文献
[1] GB50205-2001，钢结构工程施工质量验收规范[S].
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