信息化预拼装在钢结构成品检验中的应用

信息化预拼装在钢结构成品检验中的应用丁一峰张亚（宝钢钢构有限公司上海）摘要：我国的钢结构随着建筑业的高速发展应用领域也得到不断地扩大，复杂钢构件的成品检验成为了工程技术中的瓶颈。本文结合上海中心大厦项目的第三道环带桁架钢构件的信息化预拼装的操作过程，论述了综合利用三维建模软件对复杂空间杆件放样定位优势，以及全站仪精密测量空间坐标的特点，有效地解决复杂钢构件的检测难题，提高复杂钢构件制作精度，保障现场安装顺利进行。关键词：钢结构、成品检验、信息化预拼装概述1.1背景自上世纪80年代末开始，钢结构在建设领域得到广泛应用。随着经济的发展钢铁工业技术和产能的提升，高层建筑、体育场馆、机场航站楼等建筑物逐渐增多，钢结构进入了快速发展期。然而国内大多数钢结构加工企业中，普遍采用钢尺、拉线、放样吊线和检验模板等传统方法来检验钢构件是否符合设计的要求。对于复杂的钢构件还要通过实物预拼装，检验构件的空间位置，减小累积误差。如今的钢结构造型已经变得十分复杂，如高层建筑的避难层桁架构件、雨棚网壳结构和顶冠造型；又如各种场馆的空间大跨度立体桁架构件和巨型的高架桥梁，给钢构件的检验增添了许多难度。采用现有的检测手段不但需要大片的预拼装场地，检测过程繁琐，测量时间长，检测费用高，而且检测精度低，已经无法满足现在钢结构加工制造技术的需求。1.2应用简介现在，有一种信息化预拼装正在悄然兴起，即采用电脑模拟构件的实际数据进行检验和预拼装的方法，已在一些重大项目中得到了应用。这种方法的基本思路是：采用钢结构三维设计软件构筑三维模型（以下简称理论模型），从中选择合适的测量位置，并予以编号形成单一构件的测量图用于实物测量（如采用全站仪或三维扫描仪等设备测量），然后将构件实测数据输入三维设计软件形成实测的三维模型（以下简称实测模型），与原始理论模型进行比对，检验构件是否满足设计的要求。然后将合格的构件实测模型导入整体模型中进行构件之间各接口的匹配分析，起到构件实物预拼装的效果，保证最终构件满足现场安装的要求。此类方法可以获取实物构件的三维数据信息，不但能够用于检验单个构件，而且能够模拟复杂构件安装后的真实情况；既方便实物构件数据信息的存储，还可以提供给现场，作为实际安装的参考依据。应用实例下面以在建工程“上海中心大厦项目”第三道环带桁架为例进行具体介绍。上海中心是上海这个国际化大都市新的地标性建筑，代表着上海新一轮的腾飞与发展。作为世界瞩目的工程，上海中心在其建造过程中，应用了多项建筑科技领域内的高新技术，其中钢构件信息化检验技术是其中一大亮点。该技术方案可分为四个主要实施步骤：（一）确定整体坐标系进行实体建模对预拼装范围内结构建立整体坐标系，然后建立结构整体模型。由于此模型中的尺寸均为理论尺寸，不考虑实际制作中出现的变形，故称此模型为理论模型。理论模型可分为结构整体的理论模型和单个构件的理论模型。首先，根据构件和结构的实际特点，建立与结构特点相适应的整体坐标系。在整体理论模型建立完毕后，为每一个构件的理论模型选定测量控制点，并根据一定的规则，对各控制点进行合理编号。步骤如下：1）整体坐标系设定：桁架巨柱下弦杆桁架巨柱下弦杆上弦杆桁架巨柱斜腹杆竖腹杆上海中心大厦第三道环带桁架整体效果图2）视图方向和构件接口名称的定义：内、外侧：站在环带桁架的环外向环内看，内、外侧是区别在同一个构件内所处的不同位置比较而言的，越靠近环外即表示外侧，反之越靠近环内表示内侧；左、右端：站在环带桁架的环外向环内看，偏向左手的一侧为左端，反之偏向右手的一侧为右端；上、下端：参照建筑的高度方向，根据该构件或部件处于建筑的实际位置来决定的；上翼缘：是指H型的水平杆件在建筑中位置较高的那块翼板。3）控制点的选择：因为构件检验和预拼装的最终目的是检验各构件现场接口之间的匹配程度，即通过预拼装的方法检验构件接口间隙和错边量。考虑到接口处两侧的杆件均为H型截面，为此测量控制点选择每个H型截面接口最外侧的四个点。4）构件测量控制点的编号规则：该编号由三个部分组成，分别是杆件符号、方位符号和流水号，如下所示：构件测量控制点编号中流水号的编号先保证翼板一侧的两个控制点的流水号连续，并保证每个H型杆件四个控制点的流水号连续。先后顺序是先左后右；先内后外；先上后下为基本原则。构件编号前两个符号的组合规则如下：A、巨柱测量控制点编号规则：a、巨柱本体上端接口BU*；本体下端接口BD*；b、巨柱左端弦杆接口XL*；右端弦杆接口XR*；c、巨柱左端腹杆接口FL*；右端腹杆接口FR*。B、弦杆测量控制点编号规则：a、弦杆本体左端接口BL*；本体右端接口BR*；b、弦杆左端腹杆接口FL*；右端腹杆接口FR*；c、弦杆中间腹杆接口FM*。C、腹杆测量控制点编号规则：a、腹杆本体上端接口BU*；本体下端接口BD*。5）构件测量控制点的具体编号，见下方示意图：上海中心桁架测量控制点编号原则示意图（二）单个构件测量控制点的理论值与实际值对比：提取单个构件模型，建立局部坐标系，提取其上各控制点的局部坐标理论值。测量实际构件上各控制点在其自身局部坐标系下的实际坐标，将理论值与实际值对比以检验单个构件制作精度。1）构件局部坐标系的设定：对于单根构件的理论模型，首先要根据实际情况，建立合适的局部坐标系。局部坐标系的选定原则，是有利于理论模型和实测模型的对比。XOY平面设置在构件上端铣削面内，在该平面内，取位于构件截面中部的H型杆件的截面形心点设为原点，X轴指向右方，Y轴指向内侧，Z轴指向建筑上方。2）提取各控制点在其构件局部坐标系下的理论坐标值：在对单个理论模型建立合适的局部坐标系后，提取各控制点在局部坐标系下的坐标（称为控制点的局部坐标理论值）。控制点的选取和编号见前述。形成构件的测量图。如下图所示：典型的下弦杆测量图3）实物测量后绘制实测模型：由于构件在制作时必然产生变形，各控制点很可能与理论模型有偏差。为控制构件的偏差度不超过规范要求，需确定各控制点的实际位置。为此采用全站仪进行测量，确定实际构件各控制点在其局部坐标系下的坐标。由实测控制点坐标所构成的线框模型称之为实测模型。4）建立构件实测模型局部坐标系：采用与理论模型相同的方法为构件的实测模型建立局部坐标系。5）调整实测模型与理论模型对比：调整实测模型使之坐标系与理论模型坐标系吻合，通过控制点的理论坐标和实测坐标对比，判断构件的制作精度是否满足要求规范要求。当误差大于公差要求时，对构件超差部位提出整改要求，制作部门按要求进行整改。并将修整后的构件重新测量，再次比对直到构件符合要求为止。如下图所示：理论模型理论模型实测模型下弦杆对比效果图（三）检验接口两侧的控制点实际值是否匹配：将各构件模型放回到整体模型中去，根据各构件自身局部坐标系与整体坐标系之间的关系，将各控制点在局部坐标系下的理论坐标值和实际坐标值转换为在整体坐标系下的理论值和实际值。根据接口两侧的控制点整体坐标实际值，检验各构件接口位置的匹配度。如下图所示：桁架巨柱桁架巨柱19WC1116S-1下弦杆3BT-D-3下弦杆3BT-D-3与桁架巨柱19WC1116S-1接口匹配效果图下节巨柱19WC1116S-1与下弦杆3BT-D-3接口坐标匹配表如下：下弦杆3BT-DD-3坐标（整体坐标系下）桁架巨柱19WCC1116SS-1坐标（整体坐标系下）实际间隙备注位置控制点实际坐标值位置控制点实际坐标值弦杆本体右端接口口BR-01(-3828,12205,-22992)柱子左端弦杆接口口XL-01(-3808,11198,-22992)21.2BR-02(-3972,7779,-29992)XL-02(-3955,7773,-29992)18.2BR-03(-3828,12203,-33992)XL-03(-3808,11197,-33992)20.8BR-04(-3973,7777,-39992)XL-04(-3955,7772,-39992)18.6BR-05(-4253,-226,-29992)XL-05(-4235,-333,-29992)19.3BR-06(-4471,-6691,-22992)XL-06(-4452,-6697,-22992)19.9BR-07(-4252,-225,-39992)XL-07(-4233,-332,-39992)20.2BR-08(-4470,-6691,-33992)XL-08(-4451,-6698,-33992)20.2（四）信息化检验和预拼装的验收：构件先通过控制点的理论坐标和实测坐标对比，确保单个构件的制作精度是否满足要求。然后通过整体模型的信息化预拼装，将每一个接口相关的实测数据提取出来作对比，检验接口部位的实际间隙是否符合规范要求。当数据超出规范要求时，对超差部位进行整改，以达到实物预拼装的效果。构件允许偏差表如下：序号控制项目允许偏差（mm）1单节柱的高度±3.02杆件截面尺寸±3.03杆件截面对角线差差≤3.04实际杆件与理论杆杆件型芯偏移移量≤3.05多节柱预装单元总总长±5.06柱与柱之间距离±5.07桁架上弦杆与下弦弦杆之间距离离±3.08接口错边量板厚/10，且≤3..09接口间隙偏差量±3.0实施效果上海中心第三道环带桁架外圈直径为63米，高度为13米，最大构件的重量近100吨，环带桁架和桁架