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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)    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    沈李強 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多個直桿件和10多個復(fù)雜節(jié)點拼裝而成；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多個直桿件和10多個復(fù)雜節(jié)點拼裝而成。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部位的鋼結(jié)構(gòu)都要進行地面拼裝，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30多米，最重桁架柱重量重達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行吊裝，從保證施工質(zhì)量要求考慮，鋼柱必須進行整體拼裝，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)場拼裝采用在平臺上以外柱外側(cè)為胎架面臥拼的方法進行整體拼裝。
    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至現(xiàn)場后，通過設(shè)計圖紙計算出各個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)鍵點為對接接口的坐標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，因此嚴格控制上下段對接接口的空間坐標是控制該節(jié)點質(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行構(gòu)件空間坐標的實時測量，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)是以兩臺以上電子經(jīng)緯儀或單臺全站儀為傳感器而構(gòu)成的空間三角交會法/極坐標法空間坐標測量系統(tǒng)。主要用來采集空間點（被測工件等）的三維坐標數(shù)據(jù)，并對測量數(shù)據(jù)進行管理及點、線、面的幾何計算與分析，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，與計算機聯(lián)機采集測量1、2、3、4各點三維坐標。
    （2）測量公共轉(zhuǎn)換點P1、P2、P3、P4點。
    （3）儀器遷站至M2站點，采集測量5、6、7、8各點三維坐標。
    （4）測量公共轉(zhuǎn)換點P1、P2、P3、P4點。
    （5）計算整理出具測量報告。
    2.2測量前的準備工作：
    （1） 提前查看現(xiàn)場的環(huán)境是否能滿足測量作業(yè)的順利正常進行。
    （2） 編制切實可行的測量方案。
    （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；準備詳實、可用的施工圖紙。
    （4） 將理論數(shù)據(jù)輸入計算機，并以相應(yīng)的格式保存。
    2.3操作步驟：
    （1） 現(xiàn)場選擇適宜的地點安置全站儀，并對儀器的通訊參數(shù)、顯示紀錄格式、ppm改正值進行設(shè)置。
    （2）將計算機與全站儀用LINK電纜在儀器關(guān)機狀態(tài)下連接起來，在運行聯(lián)機模塊之前還必須手動方法讓儀器開機，并在主菜單下進入測量對話框，然后再進行聯(lián)機測量。在聯(lián)機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)，否則會出現(xiàn)聯(lián)機失敗或得不到正確的測量數(shù)據(jù)。
    （3）在計算機上啟動MetroIn模塊，在聯(lián)機狀態(tài)下進行測站相關(guān)設(shè)置并初始化測站。
    （4） 進行單向點、定向點測量，并將采集到的數(shù)據(jù)存入計算機中。
    （5）MetroIn 測量模塊當只設(shè)一站時，無需進行定向測量或定向解算即可進行測量。當用單臺全站儀構(gòu)成的工業(yè)測量系統(tǒng)對大型物體進行測量時，由于物體目標尺寸或者外形等原因，一次設(shè)站不能包含所以的測量點，造成有些點測不到，此時需要搬站。當在第一設(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至B處，在第二設(shè)站B處測量物體的側(cè)面。在搬站時相應(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)由一臺全站儀組成，當把儀器從A處搬動后，第一設(shè)站的基準也隨之消失了。為了把搬動儀器以后所設(shè)置各站的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一到第一設(shè)站的基準上（也即第一測站坐標系），在搬動儀器前后需要進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)置三個以上的固定點（稱之為定向點），要求所有定向點在搬站前后保持穩(wěn)定，當在A處測量完畢所有物體上的測量點后，對所設(shè)置的定向點進行測量。當儀器搬動到B處后，首先利用軟件提供的“定向點測量”功能測量所有定向點，要求A，B兩站中對定向點測量的編號和順序均應(yīng)一致。然后對定向觀測數(shù)據(jù)進行解算即可將第二設(shè)站統(tǒng)一到第一測站坐標系中。可以按照這種方式多次搬站，只需要保證每次搬站時相鄰兩站均測量了三個以上的定向點。由多臺傳感器（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進行三維坐標測量，要實現(xiàn)該功能，首先必需標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)標定的各傳感器再對空間點進行測量，依據(jù)觀測值及已知的各傳感器之間的相對位置關(guān)系，就可以解算空間點的三維坐標。因此定向參數(shù)標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)實現(xiàn)空間點三維坐標測量的一個重要步驟。MetroIn工業(yè)測量軟件采用了基于測站坐標系與測量坐標系相互轉(zhuǎn)換的統(tǒng)一算法來標定定向參數(shù)。
    （6）數(shù)據(jù)采集完成后，利用MetroIn測量軟件進行數(shù)據(jù)的參數(shù)改正、分析計算，并出具測量成果。
    3桁架柱拼裝測量特點與對策
    （1）本工程鋼結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，須建立三維空間坐標系進行測量控制，坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、計算工作量大。
    對策：選取關(guān)鍵點測量，減少坐標轉(zhuǎn)換計算量，坐標轉(zhuǎn)換采用電腦軟件自動轉(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)準備工作盡量少設(shè)站測量，對于復(fù)雜構(gòu)件進行測點設(shè)計。
    （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)計坐標值多為角點坐標，但構(gòu)件為滿足焊接要求或受加工工藝限制，角點多為虛點（不可測點）。

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

    6拼裝施工測量
    6.1 拼裝坐標的轉(zhuǎn)換
    在施工圖紙中構(gòu)件的坐標是以國家體育場的中心為坐標原點，坐標為高空的安裝坐標，無法直接用于拼裝，因此轉(zhuǎn)換采用模型取點轉(zhuǎn)換的方法。根據(jù)設(shè)計院提供的結(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等方面，確定拼裝的局部坐標系，見下圖：

    其中：局部坐標系原點為A柱柱腳處的中點向內(nèi)柱CA切面上投影的投影點；局部坐標系z軸正向為局部坐標系原點與A柱上部中心拐點向內(nèi)柱CA切面投影點的連線方向；局部坐標系YZ坐標面位于內(nèi)柱CA切面內(nèi)。
    根據(jù)上面取得的坐標原點，在CAD中讀取各控制點（主要指對接端頭棱角點、中點及胎架設(shè)置點）的相對坐標，以確定桁架柱的準確拼裝位置。這種轉(zhuǎn)換方法可根據(jù)拼裝測量的相關(guān)要求建立坐標系，可任意取得重要的控制點坐標和胎架的坐標。
    6.2 地面的放樣
    根據(jù)整體構(gòu)件的三維幾何尺寸，首先搭建一個與之對應(yīng)的拼裝平臺及拼裝胎架,并采用全站儀將整體構(gòu)件的主要軸線以及主要特征點投影在拼裝平臺上,將軸線適當延長，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，對胎架的高程進行調(diào)整，以便部件開始拼裝時,各部件能快速、準確就位。
    6.3 拼裝施工測量

    （1）將桁架柱的兩個外柱待拼件放置在拼裝平臺胎架上，分別在已投設(shè)在平臺上的兩條軸線控制線上架設(shè)經(jīng)緯儀，保證待拼件的準確位置并檢測構(gòu)件的直線度（見下圖）。當待拼件為曲體時，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位標記（在構(gòu)件加工出廠前標注）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，同時建立一個相對坐標系，以通過在拼裝平臺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面的交點為原點。

    （2）將設(shè)計三維坐標系中各特征點坐標轉(zhuǎn)換到相對坐標系中，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)計位置，根據(jù)各內(nèi)、外柱待拼件上的點位標記進行整體位置關(guān)系的測量。利用全站儀、經(jīng)緯儀檢測軸線，用鋼卷尺、鉛錐、水準儀輔助檢測各標識點點位的空間幾何關(guān)系，通過各點的設(shè)計三維坐標，計算出各點之間的設(shè)計空間位置關(guān)系，對照分析后對構(gòu)件進行調(diào)整。
    （4）構(gòu)件調(diào)整固定后，根據(jù)待拼件上的點位標記，使用鋼尺、鉛錐等在構(gòu)件上找出連接腹桿的點位，用點焊固定，使用MertoIn工業(yè)三維坐標測量系統(tǒng)軟件V1.3對鋼柱進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)計圖紙比較分析，如構(gòu)件不符合要求，則進行調(diào)整；若符合要求，則進行焊接工序。
    （5）焊接完成后，會同后道工序的施工測量工程師對鋼柱進行全面檢測，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)很少進行。但是隨著工程設(shè)計、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、施工沒有類似的工程實例可以參照，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)實條件下，要保證鋼結(jié)構(gòu)的安裝質(zhì)量和安裝進度，鋼結(jié)構(gòu)（預(yù)）拼裝被提到一個新的高度，每一個吊裝單元的（預(yù)）拼裝將直接影響到這一個吊裝單元能否順利就位，能否與前一個吊裝單元順利對接，能否為下一個吊裝單元提供高質(zhì)量的對接環(huán)境。鋼結(jié)構(gòu)（預(yù)）拼裝中的工序可以細分為：胎架設(shè)計、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，在實際工程的（預(yù)）拼裝過程中要根據(jù)工程的實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)也會越來越多的應(yīng)用到實際工程中。

    參考文獻
    [1] 楊俊峰、邱德隆、高樹棟等，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工組織設(shè)計，2004.12
    [2] 國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工控制測量實施方案，北京城建國家體育場工程總承包部，2005，7
    [3] 國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程桁架柱拼裝方案，浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司，2005，8
    [4] MetroIn/D數(shù)據(jù)管理與處理模塊操作手冊，信息工程大學(xué)測繪學(xué)院
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