信息化预拼装在钢结构成品检验中的应用.pdf

第4卷第 l 期 2 0 1 2年 3月 Vo 1 ． 4 No． 1 Ma r ． 201 2 信 息化预拼装在钢结构成品检验 中的应 用 丁一峰 陆 华 李文杰 宝钢钢构有限公司，上海2 0 0 1 2 2 【 摘要】我国的钢结构随着建筑业的高速发展应用领域也得到不断地扩大， 复杂钢构件的成品检验成为了工程 技术中的瓶颈。本文结合上海中心大厦项 目的第三道环带桁架钢构件的信息化预拼装的操作过程， 论述了综合利 用三维建模软件对复杂空间杆件放样定位优势， 以及全站仪精密测量空间坐标的特点， 有效地解决复杂钢构件的 检测难题 ， 提 高复 杂钢构件制作精度 ， 保 障现场安装顺利进行。 【 关键词】钢结构； 成品检验； 信息化预拼装 【 中图分类号】 T U 3 9 1 ； T U 1 9 8 ． 6 【 文献标识码】A 【 文章编号】 1 6 7 4 7 4 6 1 { 2 0 1 2 o 1 0 0 5 2 0 5 1 概述 1 ． 1背景 自上世纪8 0年代末开始， 钢结构在建设领域得 到广泛应用。随着经 济的发展钢铁工业技术 和产 能的提升 ， 高层建筑 、 体育场馆、 机场航站楼等建筑 物逐渐增多 ， 钢结构进入 了快速发展期。然而 国内 大多数钢结构加工企业 中， 普遍采用钢尺 、 拉线 、 放 样吊线和检验模板等传统方法来检验 钢构件是否 符合设计 的要求。对于复杂 的钢构件还 要通过实 物预拼装 ， 检验构件的空闾位置 ， 减小累积误差 。 如今的钢结构造型已经变得十分复杂 ， 如高层建 筑的避难层桁架构件、 雨棚网壳结构和顶冠造型； 又 如各种场馆的空问大跨度立体桁架构件和巨型的高 架桥梁， 给钢构件的检验增添了许多难度。采用现有 的检测手段不但需要大片的预拼装场地 ， 检测过程繁 琐， 测量时问长， 检测费用高， 而且检测精度低， 已经 无法满足现在钢结构加工制造技术的需求。 1 ． 2 应用简介 现在， 有一种信息化预拼装正在悄然兴起， 即 采用电脑模拟构件 的实际数据进行检验 和预拼装 的方法 ， 已在一些重大项 目中得到了应用。 这种方法的基本思路是 采用钢结构三维设计 软件构筑三维模型 以下简称理论模型 ， 从 中选择 合适的测量位置， 并予 以编号形成单一构件 的测量 图用于实物测量 如采用全站仪或三维扫描仪等没 备测量 ， 然后将构件实测数据输入 j维设计 软件 形成实测的三维模型 以下简称实测模型 ， 与原始 理论模 型进行 比对 ， 检验构 件是 否满 足设计 的要 求。然后将合格 的构件实测模 型导 入整体模型 中 进行构件之问各接 口的匹配分析 ， 起到构件实物预 拼装的效果 ， 保证最终构件满足现场安装的要求。 此类方法可以获取实物构件的三维数据信息， 但能够用于检验单个构件 ， 而且能够模拟复杂构件安 装后的真实情况 ； 既方便实物构件数据信息的存储， 还可以提供给现场 ， 作为实际安装的参考依据。 2 应用实例 下面以在建工程“ 上海 中心大厦项 目”第 三道 环带桁架为例进行具体介绍 。 上海中心是上海这 个国际化大都市新 的地标 性建筑 ， 代表着上海 新一轮的腾飞与发展。作为世 界瞩 目的工程 ， 上海 中心在其建造过程 中， 应用了 多项建筑科技领域 内的高新技术 ， 其 中钢构件信息 化检验技术是其中一大亮点。 该技术方案可分为 四个主要实施步骤 2 ． 1 确定整体坐标 系进行实体建模 对预拼装范围内结构建立整体坐标系， 然后建 立结构整体模 型。由于此模 型 中的尺寸均为理论 尺寸 ， 不考虑实际制作 中出现 的变形 ， 故称此模 型 【 作者简介】 丁一峰 1 9 7 2一 ， 男， 工程师 ， 工艺主管。主要研究方向 钢结构数控。 信息化预拼装在钢 结构成品检验 中的应用 5 3 为理论模 型。理论模型可分 为结构整体 的理论 模 型和单个构件的理论模型。 首先 ， 根据构件和结构的实际特点 ， 建立与结构特 点相适应的整体坐标 系。在整体理论模 型建立完毕 后， 为每个构件的理论模型选定测量控制点， 并根据 一 定的规则， 对各控制点进行合理编号。步骤如下 1 整体坐标系设定 由于环带桁架的基本结构呈环形布置， 属于中 心对称布局 ， 所以整体坐标系设置在环形的 中心位 置， z向高度设在桁架上弦杆顶面。构件主要包括 桁架巨柱、 弦杆 、 腹杆三大类型 ， 如图 1 所示。 图 1 上海中心大厦第三道环带桁架整体效果图 2 视图方 向和构件接 口名称的定义 内、 外侧 站在环 带桁架 的环外 向环 内看 ， 内 、 外侧是区别在 同一个构件 内所处 的不 同位 置 比较 而言的 ， 越靠近环外 即表示外侧 ， 反之越靠 近环 内 表示 内侧 ； 左 、 右端 站在环带桁架 的环外 向环 内看 ， 偏 向 左手的一侧为左端 ， 反之偏 向右手的一侧为右端 ； 上、 下端 参照建筑的高度方向， 根据该构件或 部件处于建筑的实际位置来决定的； 上翼缘 是指 H型的水平杆件在建筑 中位置较 高 的那块翼板。 3 控制点的选择 因为构件检验和 预拼装 的最终 目的是检验 各 构件现场接 口之间的匹配程度 ， 即通过预拼装的方 法检验构件 接 口间隙和错边 量。考 虑到接 口处 两 侧的杆件均为 H型截面 ， 为此测量控制点选择每个 H型截面接 口最外侧的四个点。 4 构件测量控制点的编号规则 该编号由三个部分组成， 分别是杆件符号、 方 位符号和流水号 ， 如图 2所示。 I }L一 流水 号 } 1 1 0 2 、0 3 一I 2 l L一方位符号 U 上端 、D 下端 、L 左侧 、R 右侧 L一杆件符号 B 本体 、F 腹杆、X 弦杆 图 2 构件测量控制点编号规则 构件测量控制点编号 中流水号的编号先保证 翼板一侧的两个控制点的流水号连续， 并保证每个 H型杆件四个控制点的流水号连续。先后顺序是先 左后右 ； 先 内后外 ； 先上后下为基本 原则 。构件编 号前两个符号的组合规则如下 A、 巨柱测量控制点编号规则 a 、 巨柱本 体 上端 接 口 B U ； 本 体 下端 接 口 BD ； b 、 巨柱 左端 弦 杆接 口 X L ； 右 端 弦杆 接 口 XR ； c 、 巨柱左 端 腹 杆 接 口 F L ； 右端 腹 杆 接 口 FR ％。 B、 弦杆测量控制点编号规则 a 、 弦杆 本 体 左 端 接 口 B L ； 本 体 右 端 接 口 BR ； b、 弦杆 左 端 腹杆 接 口 F L ； 右端 腹 杆 接 口 FR ； c 、 弦杆 中问腹杆接 口 F M 。 c、 腹杆测量控制点编号规则 a、 腹杆 本体 上端 接 口 B U ； 本 体下 端接 口 BD l。 5 构件测量控制点的具体编号 ， 如图3所示。 2 ． 2 单个构件测量控制点的理论值与实际值对比 提取单个构件模 型， 建立局部坐 标系， 提取其 上各控制点的局部坐标理论值。测量实际构件上 各控制点在其 自身局部坐标系下 的实际坐标 ， 将理 论值与实际值对 比以检验单个构件制作精度 。 1 构件局部坐标系的设定 对于单根构件的理论模型 ， 首先要根据实际情 况 ， 建立合适的局部坐标 系。局部坐标系的选定原 则 ， 是有利于理论模型和实测模型 的对 比。X O Y平 面设置在构件 上端铣削面 内， 在该平面 内， 取位于 构件截面中部的 H型杆件的截面形心点设 为原点 ， x轴指向右方 ， Y轴指向内侧 ， z轴指向建筑上方。 2 提取各控制点在其构件局部坐标系下的理 论坐标值 在对单个理论模型建立合适的局部坐标系后 ， 零 休 端 本体 F 端 f 豫轩右嫡 疆忤程虢 叫 BO 。 。 0 3 BU 0 4 c XL0 4 H XL02 缘 FL04 H ‘ FL02 艨 xR o3’II∞。蚺 } xR o1i辫 缘 FR ∞ l‘FR }舆 艨 韭 E 娶 U B D 0 4 X R 0 4 X R 0 2 i F R 0 4 F R 0 2 本体右湍 t ，H t B L04 口 q B L 02 弦杆 B L 0 7 n B L 0 5 B II l 胁 L 龚 缘 BLo 8 8 B L o 6 竖腹杆 内删 l L 一右侧 视 嘲方向 XL 07 n n XL 05 x R I 一 l X R 0 5 上 堤 缘 X L o 8 U U X L 0 6 胆扦右端 H 缘 F R0 ,4 F RO 2 FL0 8 0 8 F L 0 F L0 8’H FL06 l 越 本体 F 端 斜 腹 杆 tBs U。 。0 s34 e2 ，t 群 缘 斜 腹 杆 佃 。 。 。’l}| 一 _ J l B 。 。 ” t 群 缘 B U 0 4Ⅱ U B U G 2 图3 上海中心桁架测量控制点编号原则示意图 提取各控制点在局部坐标系下 的坐标 称为控制点 的局部坐标 理论值 。控制 点 的选 取和 编号见 前 述。形成构件的测量图 ， 如图 4所示。 3 实物测量后绘制实测模型 由于构件在制作时必然产生变形 ， 各控制点很 可能与理论模 型有偏差。为控制 构件的偏差度不 超过规范要求， 需确定各控制点的实际位置。为此 采用全站仪进行测量 ， 确定实际构件各控制点在其 局部坐标系下的坐标。由实测控 制点坐标所构成 的线框模型称之为实测模型 。 4 建立构件实测模型局部坐标系 采用与理论模型相 同的方法 为构件 的实测模 型建立局部坐标系。 5 调整实测模型与理论模型对 比 调整实测模型使之坐标系与理论模型坐标系吻 合 ， 通过控制点 的理论坐标和实测坐标对 比， 判断构 件的制作精度是否满足要求规范要求。当误差大于 公差要求时， 对构件超差部位提出整改要求， 制作部 门按要求进行整改。并将修整后的构件重新测量， 再 次比对直到构件符合要求为止， 如图5所示。 一 一 一 一 洲 ～ 眦 一 一 一 一 姗 一 一 一 子 住 沈 {宝 啪 ～ m m 一 砌 鲫 叫 附 叫 ∞一 叫 队 一 T下卡主一 ，1 33 55 『7_ 9 n0 O O O0 0 一 一 UD U O Up UD U 一 ～ 删 ～ 一 ～ 嘲 ～ 咖 一一 洲 一 信息化预拼 装在钢 结构成品检验 中的应用 5 5 图 4 典型 的下弦杆测 量图 图 5下弦杆对 比效 果图 2 ． 3 检验接口两侧的控制点实际值是否匹配 将各构件模型放 回到整体模型 中去 ， 根据各构 件 自身局部坐标系与整体坐标系之间的关系， 将各 控制点在局部坐标系下的理论坐标值和实际坐标值 转换为在整体坐标系下 的理论值 和实 际值 。根 据 接 口两侧 的控制点整体坐标实际值 ， 检验各构件接 口位置的匹配度 ， 如图 6所示 。 ≤ 图6 下弦杆 3 B T- D - 3与桁架巨柱 1 9 w C 1 1 1 6 S - 1接 口匹配效果 图 表1 下节巨柱 1 9 WCl 1 1 6 S - 1与下弦杆 3 B T- D - 3接口坐标匹配表 下弦杆 3 B T ． D- 3坐标 整体坐标系下 桁架 巨柱 1 9 WC l 1 1 6 S 一 1坐标 整体坐标系下 位置 控制点 实际坐标值 位置 控制点 实际坐标值 B R - 0 1 一 3 8 2 8， 1 2 0 5 ， 一 2 9 9 2 XL - O 1 一3 8 0 8 ， 1 1 9 8 ， 一2 9 9 2 2 1 ． 2 B R - 0 2 一 3 9 7 2 ， 7 7 9， 一 2 9 9 2 X L - 0 2 一3 9 5 5， 7 7 3 ， 一 2 9 9 2 1 8 ． 2 弦杆 B R - 0 3 一 3 8 2 8 ， 1 2 0 3 ， 一 3 9 9 2 柱子X L - 0 3 一 3 8 0 8 ， 1 1 9 7 ， 一 3 9 9 2 2 0 ． 8 本体 B R - 0 4 一 3 9 7 3 ， 7 7 7 ， 一 3 9 9 2 左端X L - 0 4 一 3 9 5 5 ， 7 7 2 ， 一 3 9 9 2 1 8 ． 6 右端 B R - 0 5 一 4 2 5 3 ， ～ 2 6， 一 2 9 9 2 弦杆XL - 0 5 一 4 2 3 5 ， 一3 3 ， 一 2 9 9 2 1 9 ． 3 接 口 B R- 0 6 一 4 4 7 1 ， 一6 9 1 ， ～ 2 9 9 2 接 口XL - 0 6 一 4 4 5 2 ，一 6 9 7 ， 一2 9 9 2 1 9 ． 9 B R - 0 7 一 4 2 5 2， 一 2 5， 一 3 9 9 2 XL - 0 7 一 4 2 3 3 ， 一3 2 ， 一3 9 9 2 2 0 ． 2 B R - -0 8 一4 4 7 0， 一 6 9 1 ， 一3 9 9 2 X L - 0 8 一 4 4 5 1 ， 一6 9 8， 一 3 9 9 2 2 0 ． 2 56 2 ． 4 信息化检验和预拼装的验收 构件先通过控制点 的理论 坐标 和实测坐标对 比， 确保单个构件的制作精度是否满足要求。然 后通过整体模 型 的信 息化预 拼装 ， 将每 一个接 口 相关的实测 数据提 取 出来作 对 比， 检验 接 口部 位 的实际间隙是否符合规 范要求。当数 据超出规范 要求时 ， 对超差部位进行整改 ， 以达到实物预拼装 的效 果 表2 构件允许偏差表 3 实施效 果 上海中心第三道环带桁架外圈直径为 6 3 m， 高度 为 1 3 m， 最大构件 的重量近 1 0 0 t ， 环带桁架和桁架层 巨型外框柱整体重量达到 3 3 0 0多吨。如果将这些 构件进行整体预拼装至少花费一个月的时问， 用于搭 建预拼装胎架和辅助支撑等设旋用钢量也要近百吨。 实物预拼装不但需要用人、 机的密切配合 ， 更要注意 安全方面的问题。另外此等规模 的拼装场地一般设 置在室外 ， 还会受到天气因素的影响。如今采用了信 息化检验技术 ， 不但解决 了复杂构件的检验问题 ， 提 高了检测精度高， 并且测量时间短， 检测费用低 ， 安全 系数高， 是今后钢结构行业推行的方向。 参考文献 [ 1 ] 钢结构工程施工质量验收规范G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 ． [ 2 ] 高层民用建筑钢结构技术规程J G J 9 91 9 9 8 ． [ 3 ] 建筑工程施工质量验收统一标准G B 5 0 3 0 0 2 0 0 1 ． [ 4 ] 工程测量规范G B 5 0 0 2 59 3 ． [ 5 ]T e k l a S t r u c t u r e s 1 3 ． 0建模手册． The App l i c a t i o n o f I n f o r ma t i o n Te c h n o l o g y Pr e - As s e m b l y i n Fi n i s he d Pr o d uc t I ns pe c t i o n ＆ Te s t o f S t e e l St r uc t ur e s D i n g Y i f e n g ， L u H u a ，L i We n j i e B a o s t e e l C o n s t r u c t i o n C o ． ， L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 0 1 2 2 ， C h i n a Abs t r a c t W i t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f c o n s t r u c t i o n i nd u s t r y i n Ch i n a，t h e a p p l i c a t i o n s o f s t e e l s t ru c t u r e i n c o n s t r u c t i o n i n d u s t r y a l s o c o n t i n u e s t o e x p a n d．T he fin i s h e d p r o d u c t i ns p e c t i o n t e s t o f c o mp l e x s t e e l c o mpo n e n t s h a s b e c o me a b o t t l e n e c k i n e n g i n e e r i n g t e c h n o l o g y ．C o mb i n i n g wi t h t h e i n f o r ma t i o n t e c h n o l o g y p r e a s s e mb l y o f t h e t h i r d ri n g s t e e l t rus s c o m p o n e n t s i n S h a n g h a i C e n t e r T o w e r p r o j e c t ， t h i s t h e s i s d e s c r i b e s t h e a d v a n t a g e s o f I n t e g r a t e d u t i l i z a t i o n o f t h r e e-- d i me n s i o n a l mo de l i n g s o f t wa r e i n c o mp l e x s p a c e b a r l o f t i n g a n d t h e f e a t u r e s o f p r e c i s i o n me a s ．． u r e me n t o f s p a c e c o o r d i n a t e s b y u s i n g t o t a l s t a t i o n i n s t rume n t ．I t e f f e c t i v e l y s o l v e t h e c o mpl e x p r o b l e m o f i n s pe c t i o n t e s t o f s t e e l c o mp o n e n t s a n d i mp r o v e f a b ric a t i o n p r e c i s i o n o f c o mpl e x s t e e l c o mpo n e n t s t o e n s u r e s mo o t h e r e c t i o n a t s i t e ． Ke y W o r d s S t e e l S t ru c t u r e；Fi ni s h e d P r o d uc t I n s p e c t i o n Te s t ；I n f o r ma t i o n Te c h n o l o g y Pr e As s e mb l y