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國家體育場鋼結構桁架柱拼裝施工測量

作者：建筑鋼結構網    
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構工程桁架柱的拼裝測量，切實保證了鋼結構拼裝精度，為鋼結構的安裝提供了有力保障，期望對類似工程施工提供參考。

    關鍵詞：鋼結構、桁架柱、拼裝測量、MetroIn三維測量系統
    1工程概況
    國家體育場空間鋼結構由24榀門式桁架圍繞著體育場內部碗狀看臺區旋轉而成。結構組件相互支撐、形成網格狀構架，組成體育場整體的“鳥巢”造型。 國家體育場鋼結構主要分為：桁架柱、主桁架、立面次結構、頂面及肩部次結構、鋼樓梯等，鋼結構采用分段高空散裝的安裝方法。結合體育場鋼結構的結構形式，鋼結構分段較為復雜，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多個復雜節點拼裝而成；每跨立面次結構拼裝占地長、寬分別為60米、33米左右，有30多個直桿件和10多個復雜節點拼裝而成。為了保證鋼結構順利安裝，最終保證鋼結構的安裝精度，國家體育場要求對各個部位的鋼結構都要進行地面拼裝，因此拼裝的精度直接影響著鋼結構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柱、外柱及腹桿組成，桁架柱的整體結構外型為上大下小的倒三棱椎結構。桁架柱結構復雜、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，根據鋼柱的現場安裝方案，每根鋼柱分為二段進行吊裝，從保證施工質量要求考慮，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，鋼柱現場拼裝采用在平臺上以外柱外側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，采用常規測量與 MetroIn工業三維測量系統是相接合的方法，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工業三維測量系統。將制作合格的部件運至現場后，通過設計圖紙計算出各個部件之間的相對位置關系，并在已搭建好的胎架基礎上將其調整、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工業三維測量系統
    上下段桁架柱分開拼裝的質量控制關鍵點為對接接口的坐標偏差值及因該偏差產生的對接焊接質量和外觀質量的影響，因此嚴格控制上下段對接接口的空間坐標是控制該節點質量的有效手段，針對國家體育場鋼結構工程的特殊性，拼裝定位、測量采用了MetroIn工業三維測量系統，并且在拼裝就位過程中配備了同型號的全站儀進行構件空間坐標的實時測量，保證拼裝控制精度。MetroIn工業三維測量系統是由信息工程大學測繪學院工業測量中心研發，并成功的應用于多個領域。國家體育場“鳥巢”鋼結構工程利用MetroIn工業三維測量系統進行拼裝單元最后的整體檢測。
    MetroIn工業三維測量系統是以兩臺以上電子經緯儀或單臺全站儀為傳感器而構成的空間三角交會法/極坐標法空間坐標測量系統。主要用來采集空間點（被測工件等）的三維坐標數據，并對測量數據進行管理及點、線、面的幾何計算與分析，還具有數據的輸入、輸出和用戶應用軟件等功能。
    2.1MetroIn工業三維測量說明

    （1）安置儀器于M1站點，與計算機聯機采集測量1、2、3、4各點三維坐標。
    （2）測量公共轉換點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） 提前查看現場的環境是否能滿足測量作業的順利正常進行。
    （2） 編制切實可行的測量方案。
    （3）查看儀器設備的使用狀態及各種附件是否裝配齊全；準備詳實、可用的施工圖紙。
    （4） 將理論數據輸入計算機，并以相應的格式保存。
    2.3操作步驟：
    （1） 現場選擇適宜的地點安置全站儀，并對儀器的通訊參數、顯示紀錄格式、ppm改正值進行設置。
    （2）將計算機與全站儀用LINK電纜在儀器關機狀態下連接起來，在運行聯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，然后再進行聯機測量。在聯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，否則會出現聯機失敗或得不到正確的測量數據。
    （3）在計算機上啟動MetroIn模塊，在聯機狀態下進行測站相關設置并初始化測站。
    （4） 進行單向點、定向點測量，并將采集到的數據存入計算機中。
    （5）MetroIn 測量模塊當只設一站時，無需進行定向測量或定向解算即可進行測量。當用單臺全站儀構成的工業測量系統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。當在第一設站A處測量了物體的正面，欲測量物體的側面則需要將儀器搬動至B處，在第二設站B處測量物體的側面。在搬站時相應地需要在軟件“測站設置”中增加測站，設置好測站的相關參數后對儀器初始化。由于測量系統由一臺全站儀組成，當把儀器從A處搬動后，第一設站的基準也隨之消失了。為了把搬動儀器以后所設置各站的觀測數據統一到第一設站的基準上（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定，當在A處測量完畢所有物體上的測量點后，對所設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一致。然后對定向觀測數據進行解算即可將第二設站統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（電子經緯儀、全站儀）構成的工業測量系統，主要功能是對空間點進行三維坐標測量，要實現該功能，首先必需標定各傳感器之間的相對位置關系，從而求解定向參數。已經完成定向參數標定的各傳感器再對空間點進行測量，依據觀測值及已知的各傳感器之間的相對位置關系，就可以解算空間點的三維坐標。因此定向參數標定包括定向觀測及定向解算，它是多傳感器工業測量系統實現空間點三維坐標測量的一個重要步驟。MetroIn工業測量軟件采用了基于測站坐標系與測量坐標系相互轉換的統一算法來標定定向參數。
    （6）數據采集完成后，利用MetroIn測量軟件進行數據的參數改正、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）本工程鋼結構形式復雜，須建立三維空間坐標系進行測量控制，坐標數據轉換、計算工作量大。
    對策：選取關鍵點測量，減少坐標轉換計算量，坐標轉換采用電腦軟件自動轉換。
    （2）構件體積巨大，空間位置非常復雜，一站測量無法滿足施工要求，須多次轉站測量。
    對策：提前做好技術準備工作盡量少設站測量，對于復雜構件進行測點設計。
    （3）吊裝單元的組拼構件眾多，焊接量大，導致焊接產生構件較大變形，整體拼裝精度控制難度大。
    對策：設計科學的焊接工藝措施，如：優選焊接順序、選擇合適的焊接工藝參數等。
    （4）設計坐標值多為角點坐標，但構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控制網點設置
    為滿足拼裝測量要求，保證整體精度，在拼裝平臺左右兩側分別布設三個以上的測量控制點，形成一個閉合控制網。控制點采用挖坑現澆混凝土，并在頂部預埋鋼板，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，都需對控制網進行復測，計算各點的位移量和各點的高程，根據測量數據對點位進行調整，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 拼裝坐標的轉換
    在施工圖紙中構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，因此轉換采用模型取點轉換的方法。根據設計院提供的結構模型，結合現場拼裝的要求，如：現場的拼裝場地環境、吊機的使用情況、拼裝胎架的結構形式、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柱CA切面投影點的連線方向；局部坐標系YZ坐標面位于內柱CA切面內。
    根據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、中點及胎架設置點）的相對坐標，以確定桁架柱的準確拼裝位置。這種轉換方法可根據拼裝測量的相關要求建立坐標系，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
    根據整體構件的三維幾何尺寸，首先搭建一個與之對應的拼裝平臺及拼裝胎架,并采用全站儀將整體構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。根據胎架與投影軸線及特征點之間的位置關系,采用在軸線控制線上架設經緯儀或在軸線上吊鉛錐的方法對胎架的平面位置進行調整；用全站儀檢測胎架各部位的高差，對胎架的高程進行調整，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，分別在已投設在平臺上的兩條軸線控制線上架設經緯儀，保證待拼件的準確位置并檢測構件的直線度（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）將設計三維坐標系中各特征點坐標轉換到相對坐標系中，在胎架上將內柱待拼件的位置用全站儀放出，根據測量結果對胎架進行調整，以使內柱待拼件放置后，誤差在微調范圍內。
    （3）將內柱待拼件放置在胎架上的設計位置，根據各內、外柱待拼件上的點位標記進行整體位置關系的測量。利用全站儀、經緯儀檢測軸線，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系，通過各點的設計三維坐標，計算出各點之間的設計空間位置關系，對照分析后對構件進行調整。
    （4）構件調整固定后，根據待拼件上的點位標記，使用鋼尺、鉛錐等在構件上找出連接腹桿的點位，用點焊固定，使用MertoIn工業三維坐標測量系統軟件V1.3對鋼柱進行整體空間位置的檢測，并將檢測數據記錄保存，與設計圖紙比較分析，如構件不符合要求，則進行調整；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，將檢測數據記錄存檔，并與焊接前的檢測數據對照分析，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。
    結束語
    鋼結構（預）拼裝本是鋼結構工程施工中的一道重要工序，隨著鋼結構施工技術成熟，鋼結構加工技術的提高，構件的加工精度有了明顯的改善，目前很多鋼結構工程中特別是在鋼框架結構的工程中鋼結構（預）拼裝已經很少進行。但是隨著工程設計、施工技術的發展，一些復雜結構的鋼結構工程將會在今后的生活中出現，以國家體育場為例，該工程的設計、施工沒有類似的工程實例可以參照，工程中的構件體積龐大、形式復雜、構件的種類繁多，在這樣的現實條件下，要保證鋼結構的安裝質量和安裝進度，鋼結構（預）拼裝被提到一個新的高度，每一個吊裝單元的（預）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量的對接環境。鋼結構（預）拼裝中的工序可以細分為：胎架設計、胎架施工、桿件工裝、拼裝測量，其中拼裝測量是鋼結構（預）拼裝中的核心工序，在實際工程的（預）拼裝過程中要根據工程的實際情況選擇合適的測量工藝和測量系統，結合目前測量技術的發展趨勢，全站儀的應用將會越來越廣泛，一些以全站儀技術為基礎的綜合測量系統也會越來越多的應用到實際工程中。

    參考文獻
    [1] 楊俊峰、邱德隆、高樹棟等，國家體育場鋼結構施工組織設計，2004.12
    [2] 國家體育場鋼結構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] 國家體育場鋼結構工程桁架柱拼裝方案，浙江精工鋼結構有限公司，2005，8
    [4] MetroIn/D數據管理與處理模塊操作手冊，信息工程大學測繪學院
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