中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：通過工程實例提供對多向多角度鋼構(gòu)件加工、預(yù)拼裝及安裝檢測保證工程質(zhì)量的一種手段。這種方法簡單易行，利用全站儀配合計算機(jī)技術(shù)即可完成構(gòu)件的模擬掃描、建模、復(fù)模、修整及預(yù)拼裝、預(yù)安裝等一系列工程施工及質(zhì)量控制過程。與傳統(tǒng)實體檢測、預(yù)拼裝方法相比，減少了大量的施工場地、人力、機(jī)械投入，只需幾個人即可完成施工的測量控制過程，大大提高了勞動生產(chǎn)率，保證了施工質(zhì)量，大大降低了施工成本，實現(xiàn)了低成本、高效率、 高效益，值得在復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程中進(jìn)行推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；仿真測量；三維掃描；結(jié)構(gòu)檢測
0 前 言
我國近年鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，尤其在民用高層、公共建筑、工業(yè)建筑等大多采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，目前高層建筑最大高度已超過500m，如上海中心高度632m，迪拜哈利法塔高度達(dá)到828m；公共建筑的最大跨度已超過100m，如北京五棵松籃球館跨度120m，國家體育場長軸跨度332.3m，短軸296.4m。隨著大跨度、超高層建筑的發(fā)展及人們審美觀念的日益提升，鋼結(jié)構(gòu)這一優(yōu)勢結(jié)構(gòu)體系廣泛應(yīng)用開來，隨之而來的就是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系里有大量的多向多角度的復(fù)雜鋼構(gòu)件，如何控制這些復(fù)雜鋼構(gòu)件的加工及安裝精度不是一般鋼構(gòu)企業(yè)能夠做到的，這也是業(yè)界的一個難題。下面就結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)狀及自身的一些經(jīng)歷來講述構(gòu)件加工及安裝過程中如何利用三維仿真測量技術(shù)進(jìn)行構(gòu)件及工程的質(zhì)量檢測與控制技術(shù)。
1 示例工況
以青島萬邦中心工程斜切角部位一個復(fù)雜節(jié)點柱SC16-1(圖1)為例。鋼柱下部斷面為兩個箱形支撐牛腿(□1200×800×80)從水平夾角96.26°的兩個方向向上匯交托起一個異型鋼柱(飛機(jī)形1224×621/167×80)及一個H型(H800×700×80×80)斜支撐牛腿，中間部位有樓層梁的連接牛腿及節(jié)點板。
本構(gòu)件相當(dāng)復(fù)雜，空間角度多，構(gòu)件有6個方向的安裝連接，且主要鋼板厚度均為80mm，主 要焊縫均要求一級，構(gòu)件制作焊接量大，焊接變形不易控制，構(gòu)件加工后各連接節(jié)點尺寸檢測困難，不易保證，構(gòu)件制作難度很大。對于這類的復(fù)雜構(gòu)件一般工藝均采取預(yù)拼裝方法，來控制加工尺寸，保證節(jié)點連接，但是這樣巨型的三維構(gòu)件由于空間所限只能采用多次平面預(yù)裝方法，預(yù)裝精度也只能保證各平面連接，不能完全保證空間連接，構(gòu)件加工質(zhì)量從根本上不易保證。因此決定采用仿真測量技術(shù)檢測構(gòu)件質(zhì)量，并對此構(gòu)件節(jié)點群進(jìn)行整體預(yù)裝。
圖1 SC16-1立體圖 (鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法的應(yīng)用)
2 構(gòu)件仿真測量技術(shù)
本技術(shù)根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有條件采用全站儀進(jìn)行鋼構(gòu)件的三維測量，根據(jù)鋼構(gòu)件的幾何特征，確定并測量數(shù)個重要的幾何特征點，然后將測量得到的點輸入到計算機(jī)，利用計算機(jī)描繪出構(gòu)件的三維模擬圖形，即模擬構(gòu)件。
1）將構(gòu)件平放在穩(wěn)定的平臺上，在構(gòu)件上做出兩個基準(zhǔn)點，以便測量倒點。
2）在構(gòu)件上做出測量點，實際測量及點位如圖2所示。
圖2 SC16-1測量 (鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法的應(yīng)用)
a.確定出模擬構(gòu)件的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)點。在構(gòu)件上選擇一個重要的端面做為基準(zhǔn)面，在基準(zhǔn)面上確定數(shù)個點，選擇一個做為基準(zhǔn)點。
b.在構(gòu)件各端面、梁連接牛腿端面、柱體做出測量點，一般按每端面最少3點來做，如果采用多點，其他點作為參考點。這樣即可精確定位每個連接面。
c.因為棱角上的點偏差較大，做點時要注意盡量不要選擇棱角上的點， 一定要選擇面上的點，這樣做出的模擬構(gòu)件精度很高。
3) 實體測量。
實體測量時要注意測量精度的控制，以盡量少的轉(zhuǎn)站測量盡可能多的點，以減少系統(tǒng)誤差。如果有螺栓孔，可以采用坐標(biāo)測量，或用鋼尺測量出與端面的關(guān)系。做好測量記錄。
4) 模擬構(gòu)件制作。
a.在AUTOCAD中建立三維坐標(biāo)系統(tǒng)。
b.根據(jù)測量記錄輸入各點位坐標(biāo)并標(biāo)識。
c.根據(jù)輸入的點做出相應(yīng)的模擬平面。
d.將模擬平面擴(kuò)展連接成模擬構(gòu)件，在模擬構(gòu)件上做出定位軸線、定位平面及定位基準(zhǔn)點。
e. 制作模擬構(gòu)件時一定要以定位基準(zhǔn)點、各測量平面定位點為中心做圖，這樣做出的模擬構(gòu)件才能更真實準(zhǔn)確的反映實體構(gòu)件的尺寸。
f.將制作完成的模擬構(gòu)件定義成塊，模擬構(gòu)件制作完畢。在計算機(jī)內(nèi)制作出的模擬構(gòu)件見圖3。
圖3 模擬構(gòu)件 (鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法的應(yīng)用)
3 鋼構(gòu)件仿真檢測技術(shù)
模擬構(gòu)件制作完成后，即可以在計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行構(gòu)件幾何檢測，具體操作如下。
1) 從設(shè)計三維模型中取出構(gòu)件SC16-1的三維理論模型。
2) 將理論模型與模擬構(gòu)件放在同一三維系統(tǒng)中，確定共同的基準(zhǔn)點、基準(zhǔn)軸線、基準(zhǔn)面，基準(zhǔn)點應(yīng)選擇軸線交點，基準(zhǔn)面應(yīng)選擇主連接面。
3) 以基準(zhǔn)點為中心旋轉(zhuǎn)模擬構(gòu)件，使基準(zhǔn)點、基準(zhǔn)軸線、基準(zhǔn)面重合，即進(jìn)行復(fù)模(圖4)。
圖4 構(gòu)件復(fù)模圖(鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法的應(yīng)用)
4) 復(fù)模后檢查測量各連接部位節(jié)點尺寸偏差，做好標(biāo)記，提供修整數(shù)據(jù)供施工班組對構(gòu)件修整。
5) 工廠修整后再重新測量、建模、復(fù)模或修整工作，直至構(gòu)件合格。
4 鋼構(gòu)件仿真預(yù)拼裝技術(shù)
在構(gòu)件測控合格后，可進(jìn)一步利用實際構(gòu)件模型在計算機(jī)內(nèi)完成完成構(gòu)件預(yù)拼裝工作。
1) 在計算機(jī)內(nèi)利用AUTOCAD建立三維做標(biāo)系統(tǒng)，做出結(jié)構(gòu)的三維軸線。
2) 將已做好的模擬構(gòu)件放出到三維坐標(biāo)系統(tǒng)中，以相應(yīng)軸線交點為基準(zhǔn)點擺放全部模擬構(gòu)件，預(yù)拼裝效果如圖5。
3) 檢查各連接點尺寸：如連接間隙、定位板位置、高強螺栓連接板孔距，并可由此確定高強螺栓連接板孔位，做出高強螺栓連接板詳圖，提供數(shù)控鉆床鉆孔。這樣即保證了節(jié)點連接尺寸，又保證了高強螺栓連接節(jié)點的過孔率。
圖5 構(gòu)件預(yù)裝效果圖 (鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法的應(yīng)用)
4) 標(biāo)注各連接尺寸，節(jié)點連接編號，打印出圖提供給安裝單位以便安裝工作按預(yù)裝效果進(jìn)行。從而保證了鋼結(jié)構(gòu)工程的整體質(zhì)量。
5 結(jié) 語
對于工廠的鋼構(gòu)件加工，采用現(xiàn)代化測量手段(全站儀)及計算機(jī)三維模擬技術(shù)進(jìn)行構(gòu)件檢測及預(yù)拼裝是可行的，相比傳統(tǒng)的實體檢測、預(yù)裝工藝，具有節(jié)約施工投入--減少大量施工場地、人力、機(jī)械投入，只需幾個人即可完成構(gòu)件的檢測工作，大大提高了勞動生產(chǎn)率，保證了施工質(zhì)量，大大降低了施工成本，實現(xiàn)低成本、高效率、高效益。另外本技術(shù)也可以應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)的模擬安裝中，以提高安裝施工質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉慶明，鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法[P] 200810180512.5. 中國.2010-06-23.
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