国家低速馆建筑结构施工测量技术研究

国家低速馆建筑结构施工测量技术研究

国家体育中心是北京2020年冬季奥运会的象征。该设备于2018年1月起竣工，至2020年12月。测量工作贯穿于整个速滑馆建筑施工过程，是结构施工最关键的技术工作之一。而国家速滑场结构在空间上的不规则性、多样性、复杂性及超大规模，增加了施工测量难度。国家速滑馆屋盖结构采用大跨度马鞍形单层双向正交索网，是目前世界上跨度最大的单层正交索网结构。超大跨度和体量的索网在加工、铺索定位、张拉等过程精度要求非常高。作为营造国家速滑馆整体形象的玻璃幕墙占整个幕墙比例的90%,数量达3000余块，且各板块之间形态各异，单块板最重达1.1t。板块的吊装及安装过程中必须有吊装机械全程配合，安装精度要求极高，安装面临巨大挑战。作为世界首个使用天然工质CO同时，施工场地狭小，场地中的大型施工设备、运输车辆和重型起重机械的频繁运行，加之作业公司多，配合、协调、工作交圈不容易，施工测量管理和协调难度大都给测量工作带来了很多困难。预制件制作允许偏差要求严格，索网拉升空间标高控制点(线)精度要求极高，制冰排管的排布和水泥地坪的平整度直接影响制冰效果和赛事安全，诸多环节的环环相扣使得施工测量成为技术工作的重中之重。针对国家速滑馆项目施工测量的技术难点，实现动态高精密三维测量是实现预制件精准安装、复杂封闭环境下精准定位、海量数据精准建模的前提和基础1测量精度指标施工测量工作贯穿于整个速滑馆结构施工过程。施工过程中不断进行高精度的测量和校正，并确保索网在负载状态下能够丝毫不差地达到预定空间位置、屋顶预制件精准安装到设计位置、复杂网状排管排布状态的精准获取、超大地坪连续面标高的超高精度数据采集，是保证该工程结构施工质量与工程进度的关键。国家速滑馆项目中各项目测量精度指标见表1。传统测量技术精度受环境影响因素大，观测点离散难以满足无盲区应用，数据不连续不能满足大型结构整体应用1.1现代机械结构马鞍形单层正交索网结构是预应力空间结构体系的一种。该结构具有跨度大、受力效率高、自重轻、减少钢材消耗等特点。随着索网结构的设计跨度越来越大，给施工带来的难度也随之增加1.1.1钒封闭索风险国家速滑馆整体采用国产高钒密闭索，也是首次在大型公共建筑中全部采用国产高钒封闭索。高钒封闭索具有高耐腐蚀性、防火性、防扭退性、摩擦系数大的特点。索网随着拉力变化会发生改变，当拉力超过一定界限索体会发生崩裂。为了在保障索网安全的情况下精准计算索网长度，实现精准加工，该项目通过计算机仿真模拟方法采用按索体最小破断载荷的55%的张力进行预张拉1.1.2成功拉索地震波分析技术本文利用三维激光扫描技术进行速滑馆全空间数据采集，建立拉索和索夹地面投影精准放样模型1.1.3稳定索张拉安装按照等距离30mm进行预张拉的原则进行稳定索对称张拉；稳定索索孔与对应耳板孔距离较小的先张拉到位，为保证施工安全，将到位拉索穿销轴固定；按照该方法继续进行稳定索张拉安装。该技术保证了30对、最长198m的稳定索对称同步张拉，如图1(b)所示，填补了国内首个大吨位、大面积的超大跨度单层正交索网同步张拉技术空白。1.1.4索网数据的可靠性分析索网同步张拉前后，可以清晰地看出索网所在的点云，充分说明了点云数据的可靠性，其所在索网能够用于设计模型的测量工作。索网张拉过程中，屋面恒载及吊挂荷载随着屋面各系统施工逐步加载到位。针对荷载态的索网进行激光扫描，以校核施工设计误差。1.2单元式围护结构精密工程测量针对天坛形曲面幕墙与马鞍形单元式屋面依附于柔性索网结构的特点，突破特大异形柔性结构屋顶预制、安装和调控精密测量关键技术，基于实体结构对围护系统逆向建模并加工，通过调节幕墙S形钢龙骨和单元板块屋面高精度支座，保证了单元式围护结构的精准安装，实现了柔性结构上单元式围护结构精密工程测量从静态到动态、离散到连续的转变。基于实体扫描测量的异形围护结构逆向建模及加工技术，主要有主体结构实体扫描复测、围护结构逆向建模、单元式构件加工。(1)拉索变形轨迹检验第1阶段在索网张拉完成后立刻进行竖向拉索平面投影的定位复测工作，验证拉索在张拉过程中的变形轨迹是否按符合理论计算；第2阶段在屋面配重附加且环桁架支座锁定后，对竖向拉索索夹位置及环桁架预制埋件进行复测，以确定S形钢龙骨支座牛腿的尺寸长度及模型是否需要调整。(2)反向建设和国防设计通过扫描结构实体，生成实测点位模型，依据实际点位进行S形钢龙骨BIM定位及深化，提高钢结构加工可控性和可操作性，质量更易保障。(3)单元板块安装控制所有幕墙龙骨、玻璃、屋面单元板块及相关配件均由BIM模型提取并对接到加工中心进行加工制造。异形单元式围护结构高精度安装技术主要有：幕墙S形钢龙骨高精度调节、双曲面玻璃幕墙容差安装、屋面单元板块安装。幕墙所有S形钢龙骨定位依据环桁架锁定后结构实测定位，从而保证幕墙整体的准确性。研究幕墙安装过程中变形和幕墙的容差机制，实现复杂双曲面玻璃幕墙效果。单元板块从索网对角穿时，需要精准控制板块起吊位置及吊车大臂的落点位置。吊车支车时，每个位置都要根据起吊尺寸、对角线关系计算，以选择合适的支车位置及出杆角度。通过对S形钢龙骨和幕墙索连接点调差机制的研究和精准测控，实现S形钢龙骨与幕墙索精准对接安装(如图2所示),使曲面玻璃幕墙的加工与现场安装精准统一。1.3控制网和水平控制网通过速滑馆内原有的两个基准点做水平控制网和高程控制网；通过高程控制网和水平控制网选取6个控制点；利用全站仪后方交会并测量棱镜球的中心坐标，棱镜中心和靶球中心为同一位置结合场馆内布设的控制网获取制冰排管高分辨率的空间结构信息、纹理色彩及回波反射强度等信息1.4传统惯导测量方法特征及与现有测量路线结合性原则，针对待测场地面对速滑场地混凝土地坪浇筑施工过程中需实时获取平整度的需求，传统惯导测量方法受限于封闭场馆室内信号弱、实施难在超大地坪的施工期，根据待测场地地面的面积、形状及其他特点，规划测量路线，需要满足全覆盖、网状交叉、闭合、分区等原则2高精度测量施工技术速滑馆玻璃幕墙有21排，共3360块，其中弯弧玻璃1120块，共18970m在对扫描模型进行封装后，将索网模型与设计模型进行对比发现，实际施工模型整体精度较好，形态与设计模型基本吻合。通过分析索网扫描文件及设计模型，可以基本确定索网节点的误差绝大部分在5mm以内，其余极小部分节点误差在10mm以内，如图8所示。通过三维扫描技术复核，本文验证了索网成套测量方法的正确性，该技术的应用最终实现了大跨度马鞍形索网结构的安全精准成型。国家速滑馆制冰区利用全站仪、三维激光扫描等测量设备对制冷排管进行检测，获得数据并结合自主研发软件完成了制冷排管点云采集、排管安装翘曲检测、排管安装水平偏移量检测等调查成果。通过对10个区域的点云采集及80365个检测位置的数据分析，并去掉人工影响数据和无效数据，得到翘曲平均平差值为3.047mm,施工期有近3%的检测位置偏差大于5mm。如图9所示。根据施工期检测数据及分析结果，在调整后的排管区域选取2～4个数据最差的测站进行复测，复测检测共提取11514个检测位置的数据，经分析得到翘曲平均平差值为1.82mm,复测扫描检测成果位置偏差均小于5mm。为指导国家速滑馆冰面混凝土基底的磨光作业，在项目施工期混凝土基底达到初凝状态后，采用本次研究研制的托盘测量机器人对初凝状态水泥基底平整度进行测量。测量结果显示，施工水泥基面的高程在平均高程的±4mm范围内波动，超过90%的测点满足5m范围3mm的精度，满足项目设计要求。如图10所示。在施工期高精度测量指导下完成混凝土施工后，采用推车系统对整个场馆进行平整度完工测量，其具体实施步骤与施工期类似。但为了使测量结果更真实地反映地坪表面的真实情况，完工期的侧线密度需要加大，测线间距需缩小至2m。完工测量平整度计算方法与施工期一致。测量数据显示场地整体的平整度在5m范围内高差≤3mm的比例超过99.5%。施工效果与预期符合。如图11所示。3动态高精度施工测量技术体系的构建针对2022年北京冬奥会大型冰上运动比赛场馆建设过程中对动态高精度施工测量的重大需求，本文研究并实现了大跨度马鞍形索网精准加工安装测量、基于柔性框架的异形单元式围护结构高精度误差调控、超大速滑场地复杂环境下制冰排管形态高精度检测、超大冰面混凝土地坪超高精度连续标高面快速测量等关键技术，构建了动态高精度施工