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國家體育場鋼結(jié)構(gòu)桁架柱拼裝施工測量

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    沈李強(qiáng) 萬里程

    提 要：本文主要從測量手段和測量工藝兩方面闡述了國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程桁架柱的拼裝測量，切實(shí)保證了鋼結(jié)構(gòu)拼裝精度，為鋼結(jié)構(gòu)的安裝提供了有力保障，期望對類似工程施工提供參考。

    關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)、桁架柱、拼裝測量、MetroIn三維測量系統(tǒng)
    1工程概況
    國家體育場空間鋼結(jié)構(gòu)由24榀門式桁架圍繞著體育場內(nèi)部碗狀看臺(tái)區(qū)旋轉(zhuǎn)而成。結(jié)構(gòu)組件相互支撐、形成網(wǎng)格狀構(gòu)架，組成體育場整體的“鳥巢”造型。 國家體育場鋼結(jié)構(gòu)主要分為：桁架柱、主桁架、立面次結(jié)構(gòu)、頂面及肩部次結(jié)構(gòu)、鋼樓梯等，鋼結(jié)構(gòu)采用分段高空散裝的安裝方法。結(jié)合體育場鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)分段較為復(fù)雜，每個(gè)分段單元體積龐大、組成桿件眾多，如：每段桁架柱拼裝占地長、高、寬都為25米左右，有20多個(gè)直桿件和10多個(gè)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)拼裝而成；每跨立面次結(jié)構(gòu)拼裝占地長、寬分別為60米、33米左右，有30多個(gè)直桿件和10多個(gè)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)拼裝而成。為了保證鋼結(jié)構(gòu)順利安裝，最終保證鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度，國家體育場要求對各個(gè)部位的鋼結(jié)構(gòu)都要進(jìn)行地面拼裝，因此拼裝的精度直接影響著鋼結(jié)構(gòu)安裝的精度和安裝效率。
    國家體育場桁架柱共24根，每根桁架柱由菱形內(nèi)柱、外柱及腹桿組成，桁架柱的整體結(jié)構(gòu)外型為上大下小的倒三棱椎結(jié)構(gòu)。桁架柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形尺寸較大，平躺高度達(dá)30多米，最重桁架柱重量重達(dá)700多噸，根據(jù)鋼柱的現(xiàn)場安裝方案，每根鋼柱分為二段進(jìn)行吊裝，從保證施工質(zhì)量要求考慮，鋼柱必須進(jìn)行整體拼裝，才能保證分段安裝接口處的精度要求；從方便吊裝角度考慮，鋼柱現(xiàn)場拼裝采用在平臺(tái)上以外柱外側(cè)為胎架面臥拼的方法進(jìn)行整體拼裝。
    國家體育場桁架柱拼裝測量工作，采用常規(guī)測量與 MetroIn工業(yè)三維測量系統(tǒng)是相接合的方法，單個(gè)部件的就位采用Leica TCA1800全站儀測量，拼裝單元的整體檢測采用MetroIn工業(yè)三維測量系統(tǒng)。將制作合格的部件運(yùn)至現(xiàn)場后，通過設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算出各個(gè)部件之間的相對位置關(guān)系，并在已搭建好的胎架基礎(chǔ)上將其調(diào)整、拼裝至正確的位置，使拼裝完成后的整體空間幾何特性滿足安裝要求。
    2MetroIn工業(yè)三維測量系統(tǒng)
    上下段桁架柱分開拼裝的質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)為對接接口的坐標(biāo)偏差值及因該偏差產(chǎn)生的對接焊接質(zhì)量和外觀質(zhì)量的影響，因此嚴(yán)格控制上下段對接接口的空間坐標(biāo)是控制該節(jié)點(diǎn)質(zhì)量的有效手段，針對國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程的特殊性，拼裝定位、測量采用了MetroIn工業(yè)三維測量系統(tǒng)，并且在拼裝就位過程中配備了同型號的全站儀進(jìn)行構(gòu)件空間坐標(biāo)的實(shí)時(shí)測量，保證拼裝控制精度。MetroIn工業(yè)三維測量系統(tǒng)是由信息工程大學(xué)測繪學(xué)院工業(yè)測量中心研發(fā)，并成功的應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。國家體育場“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程利用MetroIn工業(yè)三維測量系統(tǒng)進(jìn)行拼裝單元最后的整體檢測。
    MetroIn工業(yè)三維測量系統(tǒng)是以兩臺(tái)以上電子經(jīng)緯儀或單臺(tái)全站儀為傳感器而構(gòu)成的空間三角交會(huì)法/極坐標(biāo)法空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)。主要用來采集空間點(diǎn)（被測工件等）的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理及點(diǎn)、線、面的幾何計(jì)算與分析，還具有數(shù)據(jù)的輸入、輸出和用戶應(yīng)用軟件等功能。
    2.1MetroIn工業(yè)三維測量說明

    （1）安置儀器于M1站點(diǎn)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)采集測量1、2、3、4各點(diǎn)三維坐標(biāo)。
    （2）測量公共轉(zhuǎn)換點(diǎn)P1、P2、P3、P4點(diǎn)。
    （3）儀器遷站至M2站點(diǎn)，采集測量5、6、7、8各點(diǎn)三維坐標(biāo)。
    （4）測量公共轉(zhuǎn)換點(diǎn)P1、P2、P3、P4點(diǎn)。
    （5）計(jì)算整理出具測量報(bào)告。
    2.2測量前的準(zhǔn)備工作：
    （1） 提前查看現(xiàn)場的環(huán)境是否能滿足測量作業(yè)的順利正常進(jìn)行。
    （2） 編制切實(shí)可行的測量方案。
    （3）查看儀器設(shè)備的使用狀態(tài)及各種附件是否裝配齊全；準(zhǔn)備詳實(shí)、可用的施工圖紙。
    （4） 將理論數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，并以相應(yīng)的格式保存。
    2.3操作步驟：
    （1） 現(xiàn)場選擇適宜的地點(diǎn)安置全站儀，并對儀器的通訊參數(shù)、顯示紀(jì)錄格式、ppm改正值進(jìn)行設(shè)置。
    （2）將計(jì)算機(jī)與全站儀用LINK電纜在儀器關(guān)機(jī)狀態(tài)下連接起來，在運(yùn)行聯(lián)機(jī)模塊之前還必須手動(dòng)方法讓儀器開機(jī)，并在主菜單下進(jìn)入測量對話框，然后再進(jìn)行聯(lián)機(jī)測量。在聯(lián)機(jī)測量模塊的所有定向及測量功能均要求儀器處于測量狀態(tài)，否則會(huì)出現(xiàn)聯(lián)機(jī)失敗或得不到正確的測量數(shù)據(jù)。
    （3）在計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)MetroIn模塊，在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行測站相關(guān)設(shè)置并初始化測站。
    （4） 進(jìn)行單向點(diǎn)、定向點(diǎn)測量，并將采集到的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)中。
    （5）MetroIn 測量模塊當(dāng)只設(shè)一站時(shí)，無需進(jìn)行定向測量或定向解算即可進(jìn)行測量。當(dāng)用單臺(tái)全站儀構(gòu)成的工業(yè)測量系統(tǒng)對大型物體進(jìn)行測量時(shí)，由于物體目標(biāo)尺寸或者外形等原因，一次設(shè)站不能包含所以的測量點(diǎn)，造成有些點(diǎn)測不到，此時(shí)需要搬站。當(dāng)在第一設(shè)站A處測量了物體的正面，欲測量物體的側(cè)面則需要將儀器搬動(dòng)至B處，在第二設(shè)站B處測量物體的側(cè)面。在搬站時(shí)相應(yīng)地需要在軟件“測站設(shè)置”中增加測站，設(shè)置好測站的相關(guān)參數(shù)后對儀器初始化。由于測量系統(tǒng)由一臺(tái)全站儀組成，當(dāng)把儀器從A處搬動(dòng)后，第一設(shè)站的基準(zhǔn)也隨之消失了。為了把搬動(dòng)儀器以后所設(shè)置各站的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一到第一設(shè)站的基準(zhǔn)上（也即第一測站坐標(biāo)系），在搬動(dòng)儀器前后需要進(jìn)行定向觀測和解算來完成定向過程。具體方法如下，在搬站前，先在測量空間設(shè)置三個(gè)以上的固定點(diǎn)（稱之為定向點(diǎn)），要求所有定向點(diǎn)在搬站前后保持穩(wěn)定，當(dāng)在A處測量完畢所有物體上的測量點(diǎn)后，對所設(shè)置的定向點(diǎn)進(jìn)行測量。當(dāng)儀器搬動(dòng)到B處后，首先利用軟件提供的“定向點(diǎn)測量”功能測量所有定向點(diǎn)，要求A，B兩站中對定向點(diǎn)測量的編號和順序均應(yīng)一致。然后對定向觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算即可將第二設(shè)站統(tǒng)一到第一測站坐標(biāo)系中。可以按照這種方式多次搬站，只需要保證每次搬站時(shí)相鄰兩站均測量了三個(gè)以上的定向點(diǎn)。由多臺(tái)傳感器（電子經(jīng)緯儀、全站儀）構(gòu)成的工業(yè)測量系統(tǒng)，主要功能是對空間點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)測量，要實(shí)現(xiàn)該功能，首先必需標(biāo)定各傳感器之間的相對位置關(guān)系，從而求解定向參數(shù)。已經(jīng)完成定向參數(shù)標(biāo)定的各傳感器再對空間點(diǎn)進(jìn)行測量，依據(jù)觀測值及已知的各傳感器之間的相對位置關(guān)系，就可以解算空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。因此定向參數(shù)標(biāo)定包括定向觀測及定向解算，它是多傳感器工業(yè)測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空間點(diǎn)三維坐標(biāo)測量的一個(gè)重要步驟。MetroIn工業(yè)測量軟件采用了基于測站坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)換的統(tǒng)一算法來標(biāo)定定向參數(shù)。
    （6）數(shù)據(jù)采集完成后，利用MetroIn測量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的參數(shù)改正、分析計(jì)算，并出具測量成果。
    3桁架柱拼裝測量特點(diǎn)與對策
    （1）本工程鋼結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，須建立三維空間坐標(biāo)系進(jìn)行測量控制，坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、計(jì)算工作量大。
    對策：選取關(guān)鍵點(diǎn)測量，減少坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算量，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用電腦軟件自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
    （2）構(gòu)件體積巨大，空間位置非常復(fù)雜，一站測量無法滿足施工要求，須多次轉(zhuǎn)站測量。
    對策：提前做好技術(shù)準(zhǔn)備工作盡量少設(shè)站測量，對于復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行測點(diǎn)設(shè)計(jì)。
    （3）吊裝單元的組拼構(gòu)件眾多，焊接量大，導(dǎo)致焊接產(chǎn)生構(gòu)件較大變形，整體拼裝精度控制難度大。
    對策：設(shè)計(jì)科學(xué)的焊接工藝措施，如：優(yōu)選焊接順序、選擇合適的焊接工藝參數(shù)等。
    （4）設(shè)計(jì)坐標(biāo)值多為角點(diǎn)坐標(biāo)，但構(gòu)件為滿足焊接要求或受加工工藝限制，角點(diǎn)多為虛點(diǎn)（不可測點(diǎn)）。

    5控制網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置
    為滿足拼裝測量要求，保證整體精度，在拼裝平臺(tái)左右兩側(cè)分別布設(shè)三個(gè)以上的測量控制點(diǎn)，形成一個(gè)閉合控制網(wǎng)?？刂泣c(diǎn)采用挖坑現(xiàn)澆混凝土，并在頂部預(yù)埋鋼板，在鋼板上刻“+”標(biāo)記點(diǎn)位作為平面控制點(diǎn)，在鋼板上垂直焊∮10螺栓（長10mm），螺栓頂面作為高程控制點(diǎn)。用Leica TCA1800全站儀進(jìn)行精密測量，并對點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整，使其閉合差滿足拼裝精度要求。為確保各點(diǎn)之間的相對精度，每隔一周或控制點(diǎn)有變動(dòng)可能時(shí)，都需對控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測，計(jì)算各點(diǎn)的位移量和各點(diǎn)的高程，根據(jù)測量數(shù)據(jù)對點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整，使平面各點(diǎn)精度滿足施工要求?？刂泣c(diǎn)布置如下圖所示：

    6拼裝施工測量
    6.1 拼裝坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換
    在施工圖紙中構(gòu)件的坐標(biāo)是以國家體育場的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)為高空的安裝坐標(biāo)，無法直接用于拼裝，因此轉(zhuǎn)換采用模型取點(diǎn)轉(zhuǎn)換的方法。根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合現(xiàn)場拼裝的要求，如：現(xiàn)場的拼裝場地環(huán)境、吊機(jī)的使用情況、拼裝胎架的結(jié)構(gòu)形式、操作人員的安全防護(hù)等方面，確定拼裝的局部坐標(biāo)系，見下圖：

    其中：局部坐標(biāo)系原點(diǎn)為A柱柱腳處的中點(diǎn)向內(nèi)柱CA切面上投影的投影點(diǎn)；局部坐標(biāo)系z軸正向?yàn)榫植孔鴺?biāo)系原點(diǎn)與A柱上部中心拐點(diǎn)向內(nèi)柱CA切面投影點(diǎn)的連線方向；局部坐標(biāo)系YZ坐標(biāo)面位于內(nèi)柱CA切面內(nèi)。
    根據(jù)上面取得的坐標(biāo)原點(diǎn)，在CAD中讀取各控制點(diǎn)（主要指對接端頭棱角點(diǎn)、中點(diǎn)及胎架設(shè)置點(diǎn)）的相對坐標(biāo)，以確定桁架柱的準(zhǔn)確拼裝位置。這種轉(zhuǎn)換方法可根據(jù)拼裝測量的相關(guān)要求建立坐標(biāo)系，可任意取得重要的控制點(diǎn)坐標(biāo)和胎架的坐標(biāo)。
    6.2 地面的放樣
    根據(jù)整體構(gòu)件的三維幾何尺寸，首先搭建一個(gè)與之對應(yīng)的拼裝平臺(tái)及拼裝胎架,并采用全站儀將整體構(gòu)件的主要軸線以及主要特征點(diǎn)投影在拼裝平臺(tái)上,將軸線適當(dāng)延長，以便在控制測量中儀器安置方便。根據(jù)胎架與投影軸線及特征點(diǎn)之間的位置關(guān)系,采用在軸線控制線上架設(shè)經(jīng)緯儀或在軸線上吊鉛錐的方法對胎架的平面位置進(jìn)行調(diào)整；用全站儀檢測胎架各部位的高差，對胎架的高程進(jìn)行調(diào)整，以便部件開始拼裝時(shí),各部件能快速、準(zhǔn)確就位。
    6.3 拼裝施工測量

    （1）將桁架柱的兩個(gè)外柱待拼件放置在拼裝平臺(tái)胎架上，分別在已投設(shè)在平臺(tái)上的兩條軸線控制線上架設(shè)經(jīng)緯儀，保證待拼件的準(zhǔn)確位置并檢測構(gòu)件的直線度（見下圖）。當(dāng)待拼件為曲體時(shí)，還需用全站儀檢測構(gòu)件的曲線度、曲體長度。在兩外柱待拼件就位后,用全站儀和鋼尺及鉛錐檢測兩柱點(diǎn)位標(biāo)記（在構(gòu)件加工出廠前標(biāo)注）之間的空間距離、夾角等相對空間幾何關(guān)系，并檢測相鄰待拼件端面的銜接誤差。若符合要求，則將待拼件固定，同時(shí)建立一個(gè)相對坐標(biāo)系，以通過在拼裝平臺(tái)上的兩外柱待拼件的中心線的平面為Z面,垂直Z面且通過內(nèi)柱形心線的平面為XY面，以兩外柱端面形心連線與 XY面的交點(diǎn)為原點(diǎn)。

    （2）將設(shè)計(jì)三維坐標(biāo)系中各特征點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到相對坐標(biāo)系中，在胎架上將內(nèi)柱待拼件的位置用全站儀放出，根據(jù)測量結(jié)果對胎架進(jìn)行調(diào)整，以使內(nèi)柱待拼件放置后，誤差在微調(diào)范圍內(nèi)。
    （3）將內(nèi)柱待拼件放置在胎架上的設(shè)計(jì)位置，根據(jù)各內(nèi)、外柱待拼件上的點(diǎn)位標(biāo)記進(jìn)行整體位置關(guān)系的測量。利用全站儀、經(jīng)緯儀檢測軸線，用鋼卷尺、鉛錐、水準(zhǔn)儀輔助檢測各標(biāo)識(shí)點(diǎn)點(diǎn)位的空間幾何關(guān)系，通過各點(diǎn)的設(shè)計(jì)三維坐標(biāo)，計(jì)算出各點(diǎn)之間的設(shè)計(jì)空間位置關(guān)系，對照分析后對構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整。
    （4）構(gòu)件調(diào)整固定后，根據(jù)待拼件上的點(diǎn)位標(biāo)記，使用鋼尺、鉛錐等在構(gòu)件上找出連接腹桿的點(diǎn)位，用點(diǎn)焊固定，使用MertoIn工業(yè)三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)軟件V1.3對鋼柱進(jìn)行整體空間位置的檢測，并將檢測數(shù)據(jù)記錄保存，與設(shè)計(jì)圖紙比較分析，如構(gòu)件不符合要求，則進(jìn)行調(diào)整；若符合要求，則進(jìn)行焊接工序。
    （5）焊接完成后，會(huì)同后道工序的施工測量工程師對鋼柱進(jìn)行全面檢測，將檢測數(shù)據(jù)記錄存檔，并與焊接前的檢測數(shù)據(jù)對照分析，確定其變形程度，分析變形原因，以便在下一個(gè)桁架柱拼裝中能夠盡可能減小拼裝誤差。
    結(jié)束語
    鋼結(jié)構(gòu)（預(yù)）拼裝本是鋼結(jié)構(gòu)工程施工中的一道重要工序，隨著鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)成熟，鋼結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的提高，構(gòu)件的加工精度有了明顯的改善，目前很多鋼結(jié)構(gòu)工程中特別是在鋼框架結(jié)構(gòu)的工程中鋼結(jié)構(gòu)（預(yù)）拼裝已經(jīng)很少進(jìn)行。但是隨著工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)的發(fā)展，一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)工程將會(huì)在今后的生活中出現(xiàn)，以國家體育場為例，該工程的設(shè)計(jì)、施工沒有類似的工程實(shí)例可以參照，工程中的構(gòu)件體積龐大、形式復(fù)雜、構(gòu)件的種類繁多，在這樣的現(xiàn)實(shí)條件下，要保證鋼結(jié)構(gòu)的安裝質(zhì)量和安裝進(jìn)度，鋼結(jié)構(gòu)（預(yù)）拼裝被提到一個(gè)新的高度，每一個(gè)吊裝單元的（預(yù)）拼裝將直接影響到這一個(gè)吊裝單元能否順利就位，能否與前一個(gè)吊裝單元順利對接，能否為下一個(gè)吊裝單元提供高質(zhì)量的對接環(huán)境。鋼結(jié)構(gòu)（預(yù)）拼裝中的工序可以細(xì)分為：胎架設(shè)計(jì)、胎架施工、桿件工裝、拼裝測量，其中拼裝測量是鋼結(jié)構(gòu)（預(yù)）拼裝中的核心工序，在實(shí)際工程的（預(yù)）拼裝過程中要根據(jù)工程的實(shí)際情況選擇合適的測量工藝和測量系統(tǒng)，結(jié)合目前測量技術(shù)的發(fā)展趨勢，全站儀的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，一些以全站儀技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合測量系統(tǒng)也會(huì)越來越多的應(yīng)用到實(shí)際工程中。

    參考文獻(xiàn)
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