钢结构三维扫描测控方法的应用
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摘 要:通过工程实例提供对多向多角度钢构件加工、预拼装及安装检测保证工程质量的一种手段。这种方法简单易行,利用全站仪配合计算机技术即可完成构件的模拟扫描、建模、复模、修整及预拼装、预安装等一系列工程施工及质量控制过程。与传统实体检测、预拼装方法相比,减少了大量的施工场地、人力、机械投入,只需几个人即可完成施工的测量控制过程,大大提高了劳动生产率,保证了施工质量,大大降低了施工成本,实现了低成本、高效率、 高效益,值得在复杂钢结构工程中进行推广应用。
      关键词:钢结构;仿真测量;三维扫描;结构检测
      0 前 言
      我国近年钢结构产业发展迅速,尤其在民用高层、公共建筑、工业建筑等大多采用钢结构设计,目前高层建筑最大高度已超过500m,如上海中心高度632m,迪拜哈利法塔高度达到828m;公共建筑的最大跨度已超过100m,如北京五棵松篮球馆跨度120m,国家体育场长轴跨度332.3m,短轴296.4m。随着大跨度、超高层建筑的发展及人们审美观念的日益提升,钢结构这一优势结构体系广泛应用开来,随之而来的就是复杂的结构体系里有大量的多向多角度的复杂钢构件,如何控制这些复杂钢构件的加工及安装精度不是一般钢构企业能够做到的,这也是业界的一个难题。下面就结合国内现状及自身的一些经历来讲述构件加工及安装过程中如何利用三维仿真测量技术进行构件及工程的质量检测与控制技术。
      1 示例工况
      以青岛万邦中心工程斜切角部位一个复杂节点柱SC16-1(图1)为例。钢柱下部断面为两个箱形支撑牛腿(□1200×800×80)从水平夹角96.26°的两个方向向上汇交托起一个异型钢柱(飞机形1224×621/167×80)及一个H型(H800×700×80×80)斜支撑牛腿,中间部位有楼层梁的连接牛腿及节点板。
      本构件相当复杂,空间角度多,构件有6个方向的安装连接,且主要钢板厚度均为80mm,主 要焊缝均要求一级,构件制作焊接量大,焊接变形不易控制,构件加工后各连接节点尺寸检测困难,不易保证,构件制作难度很大。对于这类的复杂构件一般工艺均采取预拼装方法,来控制加工尺寸,保证节点连接,但是这样巨型的三维构件由于空间所限只能采用多次平面预装方法,预装精度也只能保证各平面连接,不能完全保证空间连接,构件加工质量从根本上不易保证。因此决定采用仿真测量技术检测构件质量,并对此构件节点群进行整体预装。

 
图1 SC16-1立体图 (钢结构三维扫描测控方法)

 2 构件仿真测量技术
      本技术根据国内现有条件采用全站仪进行钢构件的三维测量,根据钢构件的几何特征,确定并测量数个重要的几何特征点,然后将测量得到的点输入到计算机,利用计算机描绘出构件的三维模拟图形,即模拟构件。
      1)将构件平放在稳定的平台上,在构件上做出两个基准点,以便测量倒点。
      2)在构件上做出测量点,实际测量及点位如图2所示。

 
图2 SC16-1测量(钢结构三维扫描测控方法)

a.确定出模拟构件的基准面和基准点。在构件上选择一个重要的端面做为基准面,在基准面上确定数个点,选择一个做为基准点。
       b.在构件各端面、梁连接牛腿端面、柱体做出测量点,一般按每端面最少3点来做,如果采用多点,其他点作为参考点。这样即可精确定位每个连接面。
       c.因为棱角上的点偏差较大,做点时要注意尽量不要选择棱角上的点, 一定要选择面上的点,这样做出的模拟构件精度很高。
       3) 实体测量。
       实体测量时要注意测量精度的控制,以尽量少的转站测量尽可能多的点,以减少系统误差。如果有螺栓孔,可以采用坐标测量,或用钢尺测量出与端面的关系。做好测量记录。
       4) 模拟构件制作。
       a.在AUTOCAD中建立三维坐标系统。
       b.根据测量记录输入各点位坐标并标识。
       c.根据输入的点做出相应的模拟平面。
       d.将模拟平面扩展连接成模拟构件,在模拟构件上做出定位轴线、定位平面及定位基准点。
       e. 制作模拟构件时一定要以定位基准点、各测量平面定位点为中心做图,这样做出的模拟构件才能更真实准确的反映实体构件的尺寸。
       f.将制作完成的模拟构件定义成块,模拟构件制作完毕。在计算机内制作出的模拟构件见图3。


图3 模拟构件(钢结构三维扫描测控方法)
 

3  钢构件仿真检测技术
       模拟构件制作完成后,即可以在计算机内进行构件几何检测,具体操作如下。
       1) 从设计三维模型中取出构件SC16-1的三维理论模型。
       2) 将理论模型与模拟构件放在同一三维系统中,确定共同的基准点、基准轴线、基准面,基准点应选择轴线交点,基准面应选择主连接面。
       3) 以基准点为中心旋转模拟构件,使基准点、基准轴线、基准面重合,即进行复模(图4)。


图4 构件复模图(钢结构三维扫描测控方法)

4) 复模后检查测量各连接部位节点尺寸偏差,做好标记,提供修整数据供施工班组对构件修整。
      5) 工厂修整后再重新测量、建模、复模或修整工作,直至构件合格。
      4  钢构件仿真预拼装技术
      在构件测控合格后,可进一步利用实际构件模型在计算机内完成完成构件预拼装工作。
      1) 在计算机内利用AUTOCAD建立三维做标系统,做出结构的三维轴线。
      2) 将已做好的模拟构件放出到三维坐标系统中,以相应轴线交点为基准点摆放全部模拟构件,预拼装效果如图5。
      3) 检查各连接点尺寸:如连接间隙、定位板位置、高强螺栓连接板孔距,并可由此确定高强螺栓连接板孔位,做出高强螺栓连接板详图,提供数控钻床钻孔。这样即保证了节点连接尺寸,又保证了高强螺栓连接节点的过孔率。

 
图5 构件预装效果图(钢结构三维扫描测控方法)

4) 标注各连接尺寸,节点连接编号,打印出图提供给安装单位以便安装工作按预装效果进行。从而保证了钢结构工程的整体质量。
      5  结 语
      对于工厂的钢构件加工,采用现代化测量手段(全站仪)及计算机三维模拟技术进行构件检测及预拼装是可行的,相比传统的实体检测、预装工艺,具有节约施工投入--减少大量施工场地、人力、机械投入,只需几个人即可完成构件的检测工作,大大提高了劳动生产率,保证了施工质量,大大降低了施工成本,实现低成本、高效率、高效益。另外本技术也可以应用在钢结构的模拟安装中,以提高安装施工质量。
      参考文献
      [1] 刘庆明,钢结构三维扫描测控方法[P] 200810180512.5. 中国.2010-06-23.(中国二十二冶集团有限公司金属结构工程分公司,河北 唐山 064000)


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