许志立
广州特种机电设备检测研究院 广州 510000
摘 要：垂直度是建筑起重机械的重要安全指标，尤其对于高层建筑使用的起重设备，相关标准及安全规程对其误差范围都有明确的要求。文中介绍了建筑起重机械测量垂直度的常见方法，分析各方法的特点；并重点介绍了全站仪在垂直度测量中的应用。通过全站仪设站功能，一次架设，可方便快捷地测量所有可视设备的垂直度；对比不同方法的测量结果，证明了该测量方法是可行的，测量结果是准确的。
关键词：塔式起重机；全站仪；垂直度；测量
中图分类号：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）18-0067-05
0 引言
垂直度是位置公差，是评价直线之间、平面之间或者直线与平面之间的垂直状态一个参数指标。对于塔式起重机（以下简称塔机）、施工升降机等建筑机械来说，垂直度是指塔身或导轨架在不受外力的影响下，实际轴线与理论轴心线在被测平面内的最大水平误差。塔机、施工升降机等多用于高层建筑，其垂直度是安装过程中需要保证的一项重要安全指标。GB ／ T 5031 － 2019、GB ／ T 10055 － 2007 等对塔机、施工升降机垂直度的偏差范围都有明确要求，不能超过其要求值[1，2]。
根据相关标准要求，在塔机首次安装后，以及每次塔机、施工升降机增加标准节升高时，都必须测量其垂直度；在其验收检验、定期检验时，也必须对其进行测量检验[3]。由此可见，垂直度测量的应用非常广泛，寻找一种方便快捷准确的垂直度测量方法意义重大。本文所述测量方法仅以塔机为例，同样的测量方法也适用于施工升降机等其他建筑机械。
1 垂直度常见的测量方法
1.1 吊线法
吊线法是垂直度测量中最常见、最简单的测量方法。其步骤为：首先将塔机吊臂摆到合适的位置，使塔身在该测量方向上处于不受力状态；然后在塔身最高处选择合适的位置放线，一直放到塔机底部，测量吊线到塔身同一基准面的距离，上下距离L 之差Δ 即为塔身在该方向上的垂直度；吊臂旋转90°，以同样的方法测量塔身另一个方向上的垂直度。如图1 所示。
图1 吊线测量法
该方法简单且容易操作，但吊线法要求在塔身内或外从上到下要有一个无干涉的空间，其中不能有障碍物接触影响吊线，当塔机有附墙、内撑杆、爬梯等情况时不易寻找下线位置；当塔机高度较高时，放线时间长，测量不方便，测量效率较低，测量过程受操作人员影响，测量误差较大。
1.2 经纬仪测量法
经纬仪测量塔机垂直度是常用的仪器测量方法。经纬仪测量塔机的垂直度，即旋转塔机吊臂至合适的位置，使得需测量的方向不受吊臂与平衡重不平衡的影响，如图2 所示吊臂位置，测量A-A 方向上的垂直度。将经纬架设在距塔机1.5H 处（H 为塔机安装高度），且保证经纬仪观测点与塔身测量点的连线垂直于A-A 线，即必须架设在塔身面正前方。调平经纬仪，开始测量；以塔身的最高位置或最下端位置某处做基准线（通常选取塔机标准节主旋杆内（外）边作为基准线），然后在另一端塔身放置一个零点对齐标准节主旋杆内（外）边的横向钢直尺紧贴，利用经纬仪投测下来，投测到钢直尺上的读数即是塔机在该方向的垂直度偏差。塔机吊臂旋转90°，挪动经纬仪至另一个方向，同样的方法测量塔身B-B 方向上的垂直度[4]。
图2 经纬仪测量法
采用经纬仪测量塔机垂直度的原理简单，操作方便，测量误差相对较小。然而，在测量过程中，对经纬仪的架设位置有要求，太近或太远均不易观测，且一定要架设在塔身面的正前方，位置局限性强；另外，在测量完一个方向后需要挪动并再次调平经纬仪才能测量另一方向的垂直度，这就降低了测量的效率[5]。
1.3 全站仪测量法
全站仪（全站型电子测距仪）是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统，因其一次安置仪器即可完成该测站上全部测量工作而得名，其已广泛用于建筑工地的各测量领域[6]。
2 全站仪测量法
2.1 全站仪经纬仪模式测量
全站仪包含经纬仪的所有功能，若仅使用其含有的经纬仪功能，同样可测量塔机垂直度，测量方法同经纬仪测量法，这里不再赘述。
2.2 全站仪测距模式测量
该测量方法类似于经纬仪测量法，区别在于测量过程中不需要移动全站仪，一次架设可测量一台塔机两个方向的垂直度，也不需要粘贴标尺。测量步骤为：选择合适的位置架设全站仪，全站仪要架设在垂直于塔身面方向上并调平准备测量；旋转吊臂至合适位置，测量一个方向的垂直度。在塔身最高处或最下端的标准节主旋杆选择一个边为基准线，全站仪可上下扫描，对比基准线与另一端该边的位置关系，找出垂直度偏差；通过全站仪对边测量两点之间折线距离的功能测出两点之间距离，即为该方向上的垂直度偏差值。如图3 所示，以塔身最高位置主旋杆外侧边为基准线，全站仪扫描到最下端，则基准线与最低位置主旋杆外侧边之间的距离Δ即为该方向上的垂直度。然后塔机吊臂旋转90°，测量另一方向的垂直度，此时无需挪动全站仪，只需调整全站仪为测距模式，如图4 所示。该测距功能测量的距离是指测量目标点在水平面上的投影与全站仪之间的距离，故测量塔机同一个塔身面上最高点与最低点在水平面上的投影与全站仪的距离，两距离之差即为该方向上的垂直度。至此，无需移动全站仪，完成了塔机两个方向垂直度的测量。
图3 全站仪测量垂直度
图4 全站仪测距模式
2.3 基于全站仪建站模式的测量方法
在测距模式测量中实现了一次架设全站仪，完成了一台塔机两个方向垂直度的测量，但该方法对全站仪的架设位置仍有要求，即全站仪仍要架设在与塔身面垂直的方向上。在实际测量过程中，由于工地场地、建筑物遮挡、安全通道防护棚影响等原因，使在与塔身垂直的方向上无法架设测量仪器，或有架设位置但不利于观测、有高空坠物风险等等。而基于全站仪建站模式的测量方法，对全站仪的架设位置没有要求，只要塔身上下在架设位置的可视范围，即可完成塔机垂直度的测量。全站仪测量包括全站仪的建站、方位角、对边测量等概念。
1）全站仪的建站是指确定仪器所架设位置的空间位置信息，亦即建立的坐标系、坐标原点与全站仪的相对位置，如图5 所示（E.N.H 坐标系或是x.y.z 坐标系）。
2）方位角是指从某指定方向线起，依顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角，图6 所示直线相对于x轴的方位角为45°。
3）对边测量是全站仪的对边测量用于确定两个点之间的相对位置关系，如两点之间的斜距、平距、高差及方位角等。如图7 所示，为对边测量方法，点号1 即对边测量第一点，点号2 即对边测量第二点。
该测量方法是通过全站仪建站的模式来测量塔机垂直度，通过建站（即建立坐标系）使设置的坐标系x、y轴（这里不考虑z 轴）分别同向于塔机标准节的两个直角边（见图8，原点位置可以不在塔身上）。设置这样的坐标系，可通过测量塔机上下两点的坐标值之差得出塔身垂直度。
图5 全站仪坐标系
图6 方位角
建立这样坐标系步骤为：1）任意位置架设全站仪，在塔身的一个平面上任意选择两个点（如图8 所示A、B 点），通过全站仪程序测量中的对边测量功能测出A、B 两点连线AB 的方位角a，（该方位角a 是指线AB 投影在水平面上，与当前坐标系x 轴之间的夹角）。2）全站仪返回一般测量模式中，旋转全站仪至其水平角显示为测量值a，通过全站仪设置水平角HZ 置零功能置零（见图9，此时即建立了新的坐标系），这样就使现坐标系x 轴方向平行于线AB 在水平面上的投影线（可再通过对边测量测量方位角是否为零来验证）；或者通过计算直接设置现水平角的值，使新坐标系x 方向平行于线AB 在水平面上的投影线。至此，就建立了x、y 轴分别平行于塔身两直角边的新坐标系（坐标原点无要求）。测量塔身同一面最高、最低位置的坐标，通过计算上下坐标y 值之差即可求得该方向上的垂直度，吊臂旋转90°，以同样的方法测量塔身另一个方向的垂直度，进而实现一次架设，测量多台塔机的垂直度。
图7 对边测量
图8 与塔身同向的坐标系
图9 水平角HZ 的设置
在工地架设好全站仪后，可测量任一可视塔机两个方向上的垂直度，大大提高了测量效率，尤其对于建筑工地群塔作业的塔机测量工作，且全站仪具有测量距离远、测量精度高等优点。
3 不同测量方法比对结果
选择3 台高度不同的塔机，分别采用经纬仪法、全站仪测距法、全站仪建站测量法测量其同一个方向上垂直度，结果如表1 所示。比对试验结果，几种测量方法结果相近，证明了全站仪测量方法的有效性。所以，基于全站仪建站模式的测量方法是可行的，由于全站仪的精度更高，理论上其测量数据应该是更准确的。
4 结束语
以上方法都有各自的特点，但全站仪测量法，可以不受场地等因素影响，可任意位置架设测量，大大提高了测量效率，尤其对于群塔作业的建筑工地。全站仪测量距离远，无棱镜测量模式测程可达500 m，且精度高，测量误差小等诸多优势，应该在垂直度测量中广泛地使用。
同时，其他建筑机械如施工升降机、物料提升机等的垂直度测量以及塔机刚性试验水平静位移测量，也可以使用全站仪测量，方便高效准确。
参考文献
[1] GB ／ T 5031—2019 塔式起重机[S].
[2] GB ／ T 10055—2007 施工升降机安全规程[S].
[3] JGJ160—2008 施工现场机械设备检查技术规程[S].
[4] 吴伟. 极坐标法测量建筑起重机械安装垂直度[J]. 建筑机械化，2018(6)：70-72.
[5] 傅建俊. 塔式起重机垂直度测量仪技术研究[J]. 价值工程，2018(33)：219-221.
[6] 张俊中，朱义朝，刘乾，等. 基于全站仪在桥梁挠度检测中的应用和研究[J]. 测绘与空间地理信息，2019(1)：41-44.
