信息化預(yù)拼裝在鋼結(jié)構(gòu)成品檢驗中的應(yīng)用

信息化預(yù)拼裝在鋼結(jié)構(gòu)成品檢驗中的應(yīng)用丁一峰張亞（寶鋼鋼構(gòu)有限公司上海）摘要：我國的鋼結(jié)構(gòu)隨著建筑業(yè)的高速發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域也得到不斷地擴大，復(fù)雜鋼構(gòu)件的成品檢驗成為了工程技術(shù)中的瓶頸。本文結(jié)合上海中心大廈項目的第三道環(huán)帶桁架鋼構(gòu)件的信息化預(yù)拼裝的操作過程，論述了綜合利用三維建模軟件對復(fù)雜空間桿件放樣定位優(yōu)勢，以及全站儀精密測量空間坐標的特點，有效地解決復(fù)雜鋼構(gòu)件的檢測難題，提高復(fù)雜鋼構(gòu)件制作精度，保障現(xiàn)場安裝順利進行。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)、成品檢驗、信息化預(yù)拼裝概述1.1背景自上世紀80年代末開始，鋼結(jié)構(gòu)在建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展鋼鐵工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)能的提升，高層建筑、體育場館、機場航站樓等建筑物逐漸增多，鋼結(jié)構(gòu)進入了快速發(fā)展期。然而國內(nèi)大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)加工企業(yè)中，普遍采用鋼尺、拉線、放樣吊線和檢驗?zāi)０宓葌鹘y(tǒng)方法來檢驗鋼構(gòu)件是否符合設(shè)計的要求。對于復(fù)雜的鋼構(gòu)件還要通過實物預(yù)拼裝，檢驗構(gòu)件的空間位置，減小累積誤差。如今的鋼結(jié)構(gòu)造型已經(jīng)變得十分復(fù)雜，如高層建筑的避難層桁架構(gòu)件、雨棚網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和頂冠造型；又如各種場館的空間大跨度立體桁架構(gòu)件和巨型的高架橋梁，給鋼構(gòu)件的檢驗增添了許多難度。采用現(xiàn)有的檢測手段不但需要大片的預(yù)拼裝場地，檢測過程繁瑣，測量時間長，檢測費用高，而且檢測精度低，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)加工制造技術(shù)的需求。1.2應(yīng)用簡介現(xiàn)在，有一種信息化預(yù)拼裝正在悄然興起，即采用電腦模擬構(gòu)件的實際數(shù)據(jù)進行檢驗和預(yù)拼裝的方法，已在一些重大項目中得到了應(yīng)用。這種方法的基本思路是：采用鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計軟件構(gòu)筑三維模型（以下簡稱理論模型），從中選擇合適的測量位置，并予以編號形成單一構(gòu)件的測量圖用于實物測量（如采用全站儀或三維掃描儀等設(shè)備測量），然后將構(gòu)件實測數(shù)據(jù)輸入三維設(shè)計軟件形成實測的三維模型（以下簡稱實測模型），與原始理論模型進行比對，檢驗構(gòu)件是否滿足設(shè)計的要求。然后將合格的構(gòu)件實測模型導(dǎo)入整體模型中進行構(gòu)件之間各接口的匹配分析，起到構(gòu)件實物預(yù)拼裝的效果，保證最終構(gòu)件滿足現(xiàn)場安裝的要求。此類方法可以獲取實物構(gòu)件的三維數(shù)據(jù)信息，不但能夠用于檢驗單個構(gòu)件，而且能夠模擬復(fù)雜構(gòu)件安裝后的真實情況；既方便實物構(gòu)件數(shù)據(jù)信息的存儲，還可以提供給現(xiàn)場，作為實際安裝的參考依據(jù)。應(yīng)用實例下面以在建工程“上海中心大廈項目”第三道環(huán)帶桁架為例進行具體介紹。上海中心是上海這個國際化大都市新的地標性建筑，代表著上海新一輪的騰飛與發(fā)展。作為世界矚目的工程，上海中心在其建造過程中，應(yīng)用了多項建筑科技領(lǐng)域內(nèi)的高新技術(shù)，其中鋼構(gòu)件信息化檢驗技術(shù)是其中一大亮點。該技術(shù)方案可分為四個主要實施步驟：（一）確定整體坐標系進行實體建模對預(yù)拼裝范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)建立整體坐標系，然后建立結(jié)構(gòu)整體模型。由于此模型中的尺寸均為理論尺寸，不考慮實際制作中出現(xiàn)的變形，故稱此模型為理論模型。理論模型可分為結(jié)構(gòu)整體的理論模型和單個構(gòu)件的理論模型。首先，根據(jù)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的實際特點，建立與結(jié)構(gòu)特點相適應(yīng)的整體坐標系。在整體理論模型建立完畢后，為每一個構(gòu)件的理論模型選定測量控制點，并根據(jù)一定的規(guī)則，對各控制點進行合理編號。步驟如下：1）整體坐標系設(shè)定：桁架巨柱下弦桿桁架巨柱下弦桿上弦桿桁架巨柱斜腹桿豎腹桿上海中心大廈第三道環(huán)帶桁架整體效果圖2）視圖方向和構(gòu)件接口名稱的定義：內(nèi)、外側(cè)：站在環(huán)帶桁架的環(huán)外向環(huán)內(nèi)看，內(nèi)、外側(cè)是區(qū)別在同一個構(gòu)件內(nèi)所處的不同位置比較而言的，越靠近環(huán)外即表示外側(cè)，反之越靠近環(huán)內(nèi)表示內(nèi)側(cè)；左、右端：站在環(huán)帶桁架的環(huán)外向環(huán)內(nèi)看，偏向左手的一側(cè)為左端，反之偏向右手的一側(cè)為右端；上、下端：參照建筑的高度方向，根據(jù)該構(gòu)件或部件處于建筑的實際位置來決定的；上翼緣：是指H型的水平桿件在建筑中位置較高的那塊翼板。3）控制點的選擇：因為構(gòu)件檢驗和預(yù)拼裝的最終目的是檢驗各構(gòu)件現(xiàn)場接口之間的匹配程度，即通過預(yù)拼裝的方法檢驗構(gòu)件接口間隙和錯邊量。考慮到接口處兩側(cè)的桿件均為H型截面，為此測量控制點選擇每個H型截面接口最外側(cè)的四個點。4）構(gòu)件測量控制點的編號規(guī)則：該編號由三個部分組成，分別是桿件符號、方位符號和流水號，如下所示：構(gòu)件測量控制點編號中流水號的編號先保證翼板一側(cè)的兩個控制點的流水號連續(xù)，并保證每個H型桿件四個控制點的流水號連續(xù)。先后順序是先左后右；先內(nèi)后外；先上后下為基本原則。構(gòu)件編號前兩個符號的組合規(guī)則如下：A、巨柱測量控制點編號規(guī)則：a、巨柱本體上端接口BU*；本體下端接口BD*；b、巨柱左端弦桿接口XL*；右端弦桿接口XR*；c、巨柱左端腹桿接口FL*；右端腹桿接口FR*。B、弦桿測量控制點編號規(guī)則：a、弦桿本體左端接口BL*；本體右端接口BR*；b、弦桿左端腹桿接口FL*；右端腹桿接口FR*；c、弦桿中間腹桿接口FM*。C、腹桿測量控制點編號規(guī)則：a、腹桿本體上端接口BU*；本體下端接口BD*。5）構(gòu)件測量控制點的具體編號，見下方示意圖：上海中心桁架測量控制點編號原則示意圖（二）單個構(gòu)件測量控制點的理論值與實際值對比：提取單個構(gòu)件模型，建立局部坐標系，提取其上各控制點的局部坐標理論值。測量實際構(gòu)件上各控制點在其自身局部坐標系下的實際坐標，將理論值與實際值對比以檢驗單個構(gòu)件制作精度。1）構(gòu)件局部坐標系的設(shè)定：對于單根構(gòu)件的理論模型，首先要根據(jù)實際情況，建立合適的局部坐標系。局部坐標系的選定原則，是有利于理論模型和實測模型的對比。XOY平面設(shè)置在構(gòu)件上端銑削面內(nèi)，在該平面內(nèi)，取位于構(gòu)件截面中部的H型桿件的截面形心點設(shè)為原點，X軸指向右方，Y軸指向內(nèi)側(cè)，Z軸指向建筑上方。2）提取各控制點在其構(gòu)件局部坐標系下的理論坐標值：在對單個理論模型建立合適的局部坐標系后，提取各控制點在局部坐標系下的坐標（稱為控制點的局部坐標理論值）?？刂泣c的選取和編號見前述。形成構(gòu)件的測量圖。如下圖所示：典型的下弦桿測量圖3）實物測量后繪制實測模型：由于構(gòu)件在制作時必然產(chǎn)生變形，各控制點很可能與理論模型有偏差。為控制構(gòu)件的偏差度不超過規(guī)范要求，需確定各控制點的實際位置。為此采用全站儀進行測量，確定實際構(gòu)件各控制點在其局部坐標系下的坐標。由實測控制點坐標所構(gòu)成的線框模型稱之為實測模型。4）建立構(gòu)件實測模型局部坐標系：采用與理論模型相同的方法為構(gòu)件的實測模型建立局部坐標系。5）調(diào)整實測模型與理論模型對比：調(diào)整實測模型使之坐標系與理論模型坐標系吻合，通過控制點的理論坐標和實測坐標對比，判斷構(gòu)件的制作精度是否滿足要求規(guī)范要求。當(dāng)誤差大于公差要求時，對構(gòu)件超差部位提出整改要求，制作部門按要求進行整改。并將修整后的構(gòu)件重新測量，再次比對直到構(gòu)件符合要求為止。如下圖所示：理論模型理論模型實測模型下弦桿對比效果圖（三）檢驗接口兩側(cè)的控制點實際值是否匹配：將各構(gòu)件模型放回到整體模型中去，根據(jù)各構(gòu)件自身局部坐標系與整體坐標系之間的關(guān)系，將各控制點在局部坐標系下的理論坐標值和實際坐標值轉(zhuǎn)換為在整體坐標系下的理論值和實際值。根據(jù)接口兩側(cè)的控制點整體坐標實際值，檢驗各構(gòu)件接口位置的匹配度。如下圖所示：桁架巨柱桁架巨柱19WC1116S-1下弦桿3BT-D-3下弦桿3BT-D-3與桁架巨柱19WC1116S-1接口匹配效果圖下節(jié)巨柱19WC1116S-1與下弦桿3BT-D-3接口坐標匹配表如下：下弦桿3BT-DD-3坐標（整體坐標系下）桁架巨柱19WCC1116SS-1坐標（整體坐標系下）實際間隙備注位置控制點實際坐標值位置控制點實際坐標值弦桿本體右端接口口BR-01(-3828,12205,-22992)柱子左端弦桿接口口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）信息化檢驗和預(yù)拼裝的驗收：構(gòu)件先通過控制點的理論坐標和實測坐標對比，確保單個構(gòu)件的制作精度是否滿足要求。然后通過整體模型的信息化預(yù)拼裝，將每一個接口相關(guān)的實測數(shù)據(jù)提取出來作對比，檢驗接口部位的實際間隙是否符合規(guī)范要求。當(dāng)數(shù)據(jù)超出規(guī)范要求時，對超差部位進行整改，以達到實物預(yù)拼裝的效果。構(gòu)件允許偏差表如下：序號控制項目允許偏差（mm）1單節(jié)柱的高度±3.02桿件截面尺寸±3.03桿件截面對角線差差≤3.04實際桿件與理論桿桿件型芯偏移移量≤3.05多節(jié)柱預(yù)裝單元總總長±5.06柱與柱之間距離±5.07桁架上弦桿與下弦弦桿之間距離離±3.08接口錯邊量板厚/10，且≤3..09接口間隙偏差量±3.0實施效果上海中心第三道環(huán)帶桁架外圈直徑為63米，高度為13米，最大構(gòu)件的重量近100噸，環(huán)帶桁架和桁架