建筑工程測(cè)量概論.doc

1、第 1 章建筑工程測(cè)量概論學(xué)習(xí)目標(biāo)通過(guò)本章學(xué)習(xí)，明確測(cè)量學(xué)的定義和建筑工程測(cè)量的主要任務(wù)，了解地球形狀和大小的概念，掌握地面點(diǎn)位的測(cè)量原理和方法，并對(duì)測(cè)量工作的基本內(nèi)容和基本原則有初步的認(rèn)識(shí)。1.1建筑工程測(cè)量的基本內(nèi)容和任務(wù)1.1.1測(cè)量學(xué)的定義和分類測(cè)量學(xué)是研究地球的形狀、大小和地球表面（包括地面上各種物體）的幾何形狀及其空間位置的科學(xué)。測(cè)量學(xué)的內(nèi)容包括測(cè)繪和測(cè)設(shè)兩個(gè)部分。測(cè)繪是指使用測(cè)量?jī)x器和工具，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算，得到一系列測(cè)量數(shù)據(jù)，或把地球表面的地形縮繪成地形圖。測(cè)設(shè)是指把圖紙上規(guī)劃設(shè)計(jì)好的建筑物、構(gòu)筑物的位置在地面上標(biāo)定出來(lái)，作為施工的依據(jù)。測(cè)繪科學(xué)是一門既古老而又在不斷發(fā)展的學(xué)科。

2、按照研究范圍與對(duì)象以及采用技術(shù)的不同，可以分為大地測(cè)量學(xué)、地形測(cè)量學(xué)、工程測(cè)量學(xué)、攝影測(cè)量學(xué)與遙感、地圖制圖學(xué)和海洋測(cè)繪等分支學(xué)科。大地測(cè)量學(xué)是研究地球表面廣大地區(qū)的點(diǎn)位測(cè)定及整個(gè)地球的形狀、大小和變化以及地球重力場(chǎng)測(cè)定的理論和方法的學(xué)科。地形測(cè)量學(xué)是將地球表面局部地區(qū)的自然地貌、人工建筑和行政權(quán)屬界限等測(cè)繪成地形圖、地籍圖等的基本理論和方法的學(xué)科。工程測(cè)量學(xué)是研究工程建設(shè)在設(shè)計(jì)、施工和管理階段中所需要進(jìn)行的測(cè)量工作的基本理論和方法的學(xué)科。攝影測(cè)量學(xué)與遙感是研究利用電磁波傳感技術(shù)獲取目標(biāo)影像數(shù)據(jù)，從中提取信息，運(yùn)用圖形、圖像和數(shù)字形式表達(dá)的學(xué)科。地圖制圖學(xué)是研究地圖及其編制的理論和方法的學(xué)科，

3、其基本任務(wù)是利用各種測(cè)量成果編制各類地圖。海洋測(cè)繪主要是研究海洋定位、海底和海面地形、海洋重力、磁力、環(huán)境等信息，以及編制各種海洋圖的理論和技術(shù)學(xué)科。1.1.2建筑工程測(cè)量的任務(wù)建筑工程測(cè)量是測(cè)量學(xué)的一個(gè)組成部分，是一門研究建筑工程在勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理階段所進(jìn)行的各種測(cè)量工作的理論、技術(shù)和方法的學(xué)科。1. 建筑工程測(cè)量的任務(wù)（ 1）測(cè)繪大比例地形圖。把工程建設(shè)區(qū)域內(nèi)的各種地面物體的位置、形狀以及地面的起伏狀態(tài)，依照規(guī)定的符號(hào)和比例尺繪成地形圖，為工程建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供必要的圖樣和資料。（ 2）建筑物的施工測(cè)量。把圖樣上已設(shè)計(jì)好的建（構(gòu)）筑物，按設(shè)計(jì)要求在現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定出來(lái)，作為施工的依據(jù)；配合

4、建筑施工進(jìn)行各種測(cè)量工作，以保證施工質(zhì)量；開(kāi)展竣工測(cè)量，為工程驗(yàn)收、日后擴(kuò)建和維修管理提供資料。（ 3）建筑物的變形觀測(cè)。對(duì)于一些重要的建（構(gòu)）筑物，在施工和運(yùn)營(yíng)期間，為確保安全，定期對(duì)其進(jìn)行變形觀測(cè)。2. 建筑工程測(cè)量的作用建筑工程測(cè)量在工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用，起著重要的作用。例如，建筑用地的選擇，道路、管線位置的確定等，都要利用測(cè)量所提供的資料和圖紙進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)；在施工階段，需要通過(guò)測(cè)量工作來(lái)銜接、配合各項(xiàng)工序的施工，才能保證設(shè)計(jì)意圖的正確執(zhí)行；施工竣工后的竣工測(cè)量，可為工程的驗(yàn)收、日后的擴(kuò)建和維修管理提供資料；在工程管理階段，對(duì)建（構(gòu)）筑物進(jìn)行變形觀測(cè)，以確保工程的安全使用。因此，建筑

5、工程測(cè)量貫穿于建筑工程建設(shè)的始終，服務(wù)于施工過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，而且測(cè)量的精度和進(jìn)度直接影響整個(gè)工程的質(zhì)量與進(jìn)度。（ 1）施工準(zhǔn)備階段。校核設(shè)計(jì)圖紙以建設(shè)單位移交的測(cè)量點(diǎn)位、數(shù)據(jù)等測(cè)量依據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)與施工要求編制施工測(cè)量方案，并按施工要求進(jìn)行施工場(chǎng)地測(cè)設(shè)及工程測(cè)量。根據(jù)批準(zhǔn)后的施工測(cè)量方案，測(cè)設(shè)場(chǎng)地平面控制網(wǎng)與高程控制網(wǎng)。場(chǎng)地控制網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)與高程系統(tǒng)應(yīng)與設(shè)計(jì)一致。（ 2）施工階段。根據(jù)工程進(jìn)度對(duì)建筑物、構(gòu)筑物進(jìn)行定位放線、軸線控制、高程抄平與豎向投測(cè)等，其結(jié)果作為各施工階段按圖施工的依據(jù)。在施工的不同階段，做好工序之間的交接檢查工作與隱蔽工程驗(yàn)收工作，為處理施工過(guò)程中有關(guān)工程平面位置、高程和豎

6、直方向等出現(xiàn)的問(wèn)題提供實(shí)測(cè)標(biāo)志與數(shù)據(jù)。（3）工程竣工階段。檢測(cè)工程各主要部位的實(shí)際平面位置、高程和豎直方向及相關(guān)尺寸，作為竣工驗(yàn)收的依據(jù)。工程全部竣工后，根據(jù)竣工驗(yàn)收資料，編繪竣工圖，作為工程運(yùn)行、管理的依據(jù)。（ 4）變形觀測(cè)。對(duì)設(shè)計(jì)與施工指定的工程部位，按擬定的周期進(jìn)行沉降、水平位移與傾斜等變形觀測(cè)，作為驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量的依據(jù)。1.2測(cè)量工作的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線1.2.1地球的形狀和大小測(cè)量工作是在地球的表面上進(jìn)行的，而地球自然表面是很不規(guī)則的，有陸地、海洋、高山和平原。海洋面積約占地球表面的71%，雖有高山和深海，但是這些高低起伏差與地球的半徑相比是很微小的，可以忽略不計(jì)。 所以人們?cè)O(shè)想

7、一個(gè)不受風(fēng)浪和潮汐影響的靜止海水面，向陸地和島嶼延伸而形成一個(gè)封閉的形體，用這個(gè)形體代表地球的形狀和大小，這個(gè)形體被稱為大地體。長(zhǎng)期測(cè)量實(shí)踐表明，大地體近似于一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球體。為了便于用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述地球的形狀和大小，測(cè)繪工作便取大小與大地體非常接近的旋轉(zhuǎn)橢球體作為地球的參考形狀和大小，因此旋轉(zhuǎn)橢球體又稱為參考橢球體， 它的外表面又稱為參考橢球面，如圖1-1 所示。我國(guó)目前采用的參考橢球體的參數(shù)為長(zhǎng)半軸a6 378 140 m短半軸b6 356 755 m扁率(ab) a1 298.257圖1-1大地水準(zhǔn)面和參考橢球由于參考橢球的扁率很小，所以在測(cè)量精度要求不高的情況下，可以把地球看做是圓球，其

8、半徑為6 371 km。1.2.2鉛垂線、水平線、水平面和水準(zhǔn)面鉛垂線是重力方向線，可用懸掛垂球的細(xì)線方向來(lái)表示。與鉛垂線正交的直線稱為水平線，與鉛垂線正交的平面稱為水平面。處處與重力方向垂直的連續(xù)曲線稱為水準(zhǔn)面。任何自由靜止的水面都是水準(zhǔn)面。水準(zhǔn)面因其高度不同而有無(wú)數(shù)個(gè)，其中與不受風(fēng)浪和潮汐影響的靜止海水面相吻合的水準(zhǔn)面稱為大地水準(zhǔn)面。由于地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻，有一地面上各點(diǎn)的鉛垂線方向隨之產(chǎn)生不規(guī)則變化，致使大地水準(zhǔn)面成為有微小起伏的不規(guī)則的曲面。確定地面點(diǎn)的位置需要有一個(gè)坐標(biāo)系，測(cè)量工作的坐標(biāo)系通常建立在參考橢球面上，因此參考橢球面就是測(cè)量工作的基準(zhǔn)面。測(cè)量?jī)x器需要用水準(zhǔn)器或利用垂球安

9、置，儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)是建立在水準(zhǔn)面上的，這易于將測(cè)量數(shù)據(jù)沿鉛垂線方向投影到大地水準(zhǔn)面上，因此實(shí)際測(cè)量中將大地水準(zhǔn)面作為測(cè)量工作的基準(zhǔn)面。即使在精密測(cè)量時(shí)不能忽略參考橢球面與大地水準(zhǔn)面之間的差異，也是經(jīng)由以大地水準(zhǔn)面為依據(jù)獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算改正轉(zhuǎn)換到參考橢球面上的。由于鉛垂線與水準(zhǔn)面垂直，知道了鉛垂線方向也就知道了水準(zhǔn)面方向，而鉛垂線又是很容易求得的，所以鉛垂線是測(cè)量工作的基準(zhǔn)線。1.3地面點(diǎn)位的表示方法1.3.1地面點(diǎn)位的確定方法設(shè)想將地面上高度不同的點(diǎn)分別沿鉛垂線方向投影到大地水準(zhǔn)面，得到相應(yīng)的投影點(diǎn)，這些投影點(diǎn)分別表示地面點(diǎn)在球面上的相應(yīng)位置。如果在測(cè)區(qū)中央作水平面與水準(zhǔn)面相切，則地面點(diǎn)在水

10、平上也有相應(yīng)的投影點(diǎn)。由此可見(jiàn)，地面點(diǎn)的空間位置可以用點(diǎn)在水準(zhǔn)面或水平面上的位置及點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的鉛垂距離來(lái)表示。1.3.2地面點(diǎn)的高程地面點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的鉛垂距離，稱為該點(diǎn)的絕對(duì)高程或海拔，簡(jiǎn)稱高程，用H 表示。它與地面點(diǎn)的坐標(biāo)共同確定地面點(diǎn)的空間位置。如圖1-2中地面點(diǎn)A 、B 的高程分別為H A 、H B 。我國(guó)曾采用青島驗(yàn)潮站 1950 1956 年的觀測(cè)資料確定的黃海平均海水面作為高程起算面，稱為“1956 年黃海高程系”，并在青島觀象山的一個(gè)山洞里建立了國(guó)家水準(zhǔn)原點(diǎn)，其高程為 72.289 。由于驗(yàn)潮資料不足等原因，我國(guó)自1987 年啟用“1985 年國(guó)家高程基準(zhǔn)”。它是采用青島大

11、港驗(yàn)潮站 1952 1979 年的潮汐觀測(cè)資料計(jì)算的平均海水面， 依此推算的國(guó)家水準(zhǔn)原點(diǎn)高程為 72.260。圖 1-2高程系統(tǒng)局部地區(qū)采用國(guó)家高程基準(zhǔn)有困難時(shí)，也可以假定一個(gè)水準(zhǔn)面作為高程起算面。地面點(diǎn)到假定水準(zhǔn)面的鉛垂距離稱為該點(diǎn)的假定高程或相對(duì)高程。如圖1-2 中， A 、 B 兩點(diǎn)的相對(duì)高程分別為 HA、HB。地面上兩點(diǎn)高程之差稱為這兩點(diǎn)的高差，用h 表示。如圖1-2 中 A 、 B 兩點(diǎn)間的高差為hABH BH AH BH A（ 1-1）B 、 A 兩點(diǎn)間高差為hBAH AH BH AH B（ 1-2）可見(jiàn)hAB hBA（1-3）1.3.3地面點(diǎn)的坐標(biāo)地面點(diǎn)的坐標(biāo)常用地理坐標(biāo)、平面直

12、角坐標(biāo)或空間直角坐標(biāo)表示。1. 地理坐標(biāo)地面點(diǎn)在球面上的位置常用經(jīng)度和緯度來(lái)表示，稱為地理坐標(biāo)。因?yàn)槲覈?guó)位于東半球和北半球，所以各地的地理坐標(biāo)都是東經(jīng)和北緯。例如，北京的地理坐標(biāo)為東經(jīng) 116 28 、北緯3954。2. 平面直角坐標(biāo)地理坐標(biāo)是球面坐標(biāo)，若直接用于工程建設(shè)施工，會(huì)給很多計(jì)算和測(cè)量帶來(lái)不便。為此，須將球面坐標(biāo)按一定的數(shù)學(xué)法則歸算到平面上，即測(cè)量工作中所稱的投影。我國(guó)采用的是高斯投影法。（1）高斯平面直角坐標(biāo)系。高斯投影是地球橢球體面投影于平面的一種數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換過(guò)程。高斯投影法從首子午線自西向東開(kāi)始，將地球按6 的經(jīng)差分成 60 個(gè)帶。在高斯投影中，離中央子午線越遠(yuǎn)，長(zhǎng)度變形越大，當(dāng)要

13、求變形更小時(shí)，可采用3 帶投影。高斯平面直角坐標(biāo)系的應(yīng)用大大簡(jiǎn)化了測(cè)量計(jì)算工作，它把在橢球體面上的觀測(cè)元素全部轉(zhuǎn)換到高斯平面上進(jìn)行計(jì)算，這比在橢球體面上解算球面圖形要簡(jiǎn)單得多。在公路工程測(cè)量中也經(jīng)常應(yīng)用高斯平面直角坐標(biāo)，例如，高速公路的勘測(cè)設(shè)計(jì)和施工測(cè)量就是在高斯平面直角坐標(biāo)系中進(jìn)行的。（2）獨(dú)立平面直角坐標(biāo)系。當(dāng)測(cè)量的范圍較小時(shí)，可以把該測(cè)區(qū)的球面當(dāng)做平圖 1-3 測(cè)量學(xué)上的獨(dú)立平面面，直接將地面點(diǎn)沿鉛垂線投影到水平面上，用平面直角直角坐標(biāo)系坐標(biāo)來(lái)表示它的投影位置，如圖1-3 所示。測(cè)量上選用的平面直角坐標(biāo)系規(guī)定縱坐標(biāo)軸為x 軸，表示南北方向，向北為正；橫坐標(biāo)軸為 y 軸，表示東西方向，向東

14、為正；坐標(biāo)原點(diǎn)可假定，也可選在測(cè)區(qū)的已知點(diǎn)上；象限按順時(shí)針?lè)较蚓幪?hào)。3. 空間直角坐標(biāo)系隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展，采用空間直角坐標(biāo)來(lái)表示空間一點(diǎn)的位置已在各個(gè)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用?？臻g直角坐標(biāo)系以地球的質(zhì)心為原點(diǎn)O ，z 軸指向地球的北極，x 軸指向格林尼治子午面與地球赤道的交點(diǎn)E ，過(guò)O 點(diǎn)與xOz 面垂直，按右手規(guī)則確定y 軸方向。1.3.4 用水平面代替水準(zhǔn)面的限度當(dāng)測(cè)區(qū)范圍小，用水平面代替水準(zhǔn)面所產(chǎn)生的誤差不超過(guò)測(cè)量誤差的容許范圍內(nèi)時(shí)，可以用水平面代替水準(zhǔn)面。但當(dāng)測(cè)區(qū)范圍較大時(shí)，是否容許這種代替，有必要加以討論。為討論方便，假定大地水準(zhǔn)面為圓球面。1. 以水平面代替水準(zhǔn)面對(duì)距離的影響如

15、圖 1-4所示， A 、 B 、 C 是地面點(diǎn)，它們?cè)诖蟮厮疁?zhǔn)面上的投影點(diǎn)是a 、 b 、 c ，用該區(qū)域中心點(diǎn)的切平面代替大地水準(zhǔn)面后，地面點(diǎn)在水平面上的投影點(diǎn)是a 、 b 、 c 。設(shè) A 、 B兩點(diǎn)在大地水準(zhǔn)面上的距離為D ，在水平面上的距離為D ，兩者之差 D 即是用水平面代替水準(zhǔn)面所引起的距離差異。將大地圖 1-4地球曲率的影響水準(zhǔn)面近似地視為半徑為R 的球面，則有DD dDR(tan)（1-4）將 tan 按照級(jí)數(shù)展開(kāi)，取其級(jí)數(shù)前兩項(xiàng)帶入式（1-4），得DD 2（1-5）D3R2取地球半徑 R 6 371 km ，以不同的距離 D 代入式（ 1-5），得到表 1-1 的結(jié)果。從表

16、1-1中的結(jié)果可以看出，當(dāng)D 10 km 時(shí)，所產(chǎn)生的相對(duì)誤差為11 220 000，在測(cè)量工作中，通常要求距離丈量的相對(duì)誤差最高為1/1 000 000，一般丈量?jī)H要求1/2 0001/4 000。因此，在10 km 為半徑的圓面積之內(nèi)進(jìn)行距離測(cè)量時(shí)，可以把水準(zhǔn)面當(dāng)做水平面看待，而不須考慮地球曲率對(duì)距離的影響。表 1-1水平面代替水準(zhǔn)面引起的距離誤差和相對(duì)誤差D/km1020 3040D/cm0.86.6102.6821.2D/D1/1 220000 1/300000 1/49000 1/120002. 以水平面代替水準(zhǔn)面對(duì)高程的影響如圖 1-4所示，地面點(diǎn) B 的高程應(yīng)是鉛垂距離bB ，用

17、水平面代替水準(zhǔn)面后，B 點(diǎn)的高程為 b B ，兩者之差h 即為對(duì)高程的影響，即h bBb B Ob ObRsecR R(sec1)（ 1-6）已知 sec按級(jí)數(shù)展開(kāi)，僅取前兩項(xiàng)代入式（1-6 ），可以得到：D 2（ 1-7）h2R用不同的距離代入式（1-7），便得表1-2 所列的結(jié)果。從表1-2 中可以看出，用水平面代替水準(zhǔn)面對(duì)高程的影響是很大，距離為0.2 km 時(shí)，就有0.31 cm 的高程誤差，這在高程測(cè)量中是不允許的。因此，進(jìn)行高程測(cè)量時(shí)，即使距離很短，也應(yīng)用水準(zhǔn)面作為測(cè)量的基準(zhǔn)面，即應(yīng)顧及地球曲率對(duì)高程的影響。表 1-2水平面代替水準(zhǔn)面引起的高程誤差D/km 0.2 0.512345

18、h/cm0.31 283171125 1961.4測(cè)量工作概述1.4.1測(cè)量工作的基本內(nèi)容測(cè)量工作的主要目的是確定點(diǎn)的坐標(biāo)和高程。在實(shí)際工作中，常常不是直接測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，而是觀測(cè)坐標(biāo)和高程已知的點(diǎn)與坐標(biāo)、高程未知的待定點(diǎn)之間的幾何位置關(guān)系，然后計(jì)算出待定點(diǎn)的坐標(biāo)和高程。因此，高差測(cè)量、角度測(cè)量、距離測(cè)量是測(cè)量工作的基本內(nèi)容。測(cè)量工作分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩種，外業(yè)工作的內(nèi)容包括應(yīng)用測(cè)量?jī)x器和工具在測(cè)區(qū)內(nèi)所進(jìn)行的各種測(cè)定和測(cè)設(shè)工作；內(nèi)業(yè)工作是將外業(yè)觀測(cè)的結(jié)果加以整理、計(jì)算，并繪制成圖以便使用。1.4.2測(cè)量工作的基本原則在進(jìn)行某項(xiàng)測(cè)量工作時(shí)，往往需要確定許多地面特征點(diǎn)（也稱為碎步點(diǎn)）的坐標(biāo)和高程。假如從一個(gè)特征點(diǎn)開(kāi)始到下一個(gè)特征點(diǎn)逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，雖可得到各點(diǎn)的位置，但由于