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鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法的應用

作者:劉慶明    
時間:2013-04-22 16:07:52 [收藏]
通過工程實例提供對多向多角度鋼構(gòu)件加工、預拼裝及安裝檢測保證工程質(zhì)量的一種手段。這種方法簡單易行,利用全站儀配合計算機技術(shù)即可完成構(gòu)件的模擬掃描、建模、復模、修整及預拼裝、預安裝等一系列工程施
    關鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法

    摘 要:通過工程實例提供對多向多角度鋼構(gòu)件加工、預拼裝及安裝檢測保證工程質(zhì)量的一種手段。這種方法簡單易行,利用全站儀配合計算機技術(shù)即可完成構(gòu)件的模擬掃描、建模、復模、修整及預拼裝、預安裝等一系列工程施工及質(zhì)量控制過程。與傳統(tǒng)實體檢測、預拼裝方法相比,減少了大量的施工場地、人力、機械投入,只需幾個人即可完成施工的測量控制過程,大大提高了勞動生產(chǎn)率,保證了施工質(zhì)量,大大降低了施工成本,實現(xiàn)了低成本、高效率、 高效益,值得在復雜鋼結(jié)構(gòu)工程中進行推廣應用。
          關鍵詞:鋼結(jié)構(gòu);仿真測量;三維掃描;結(jié)構(gòu)檢測
          0 前 言
          我國近年鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,尤其在民用高層、公共建筑、工業(yè)建筑等大多采用鋼結(jié)構(gòu)設計,目前高層建筑最大高度已超過500m,如上海中心高度632m,迪拜哈利法塔高度達到828m;公共建筑的最大跨度已超過100m,如北京五棵松籃球館跨度120m,國家體育場長軸跨度332.3m,短軸296.4m。隨著大跨度、超高層建筑的發(fā)展及人們審美觀念的日益提升,鋼結(jié)構(gòu)這一優(yōu)勢結(jié)構(gòu)體系廣泛應用開來,隨之而來的就是復雜的結(jié)構(gòu)體系里有大量的多向多角度的復雜鋼構(gòu)件,如何控制這些復雜鋼構(gòu)件的加工及安裝精度不是一般鋼構(gòu)企業(yè)能夠做到的,這也是業(yè)界的一個難題。下面就結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)狀及自身的一些經(jīng)歷來講述構(gòu)件加工及安裝過程中如何利用三維仿真測量技術(shù)進行構(gòu)件及工程的質(zhì)量檢測與控制技術(shù)。
          1 示例工況
          以青島萬邦中心工程斜切角部位一個復雜節(jié)點柱SC16-1(圖1)為例。鋼柱下部斷面為兩個箱形支撐牛腿(□1200×800×80)從水平夾角96.26°的兩個方向向上匯交托起一個異型鋼柱(飛機形1224×621/167×80)及一個H型(H800×700×80×80)斜支撐牛腿,中間部位有樓層梁的連接牛腿及節(jié)點板。
          本構(gòu)件相當復雜,空間角度多,構(gòu)件有6個方向的安裝連接,且主要鋼板厚度均為80mm,主 要焊縫均要求一級,構(gòu)件制作焊接量大,焊接變形不易控制,構(gòu)件加工后各連接節(jié)點尺寸檢測困難,不易保證,構(gòu)件制作難度很大。對于這類的復雜構(gòu)件一般工藝均采取預拼裝方法,來控制加工尺寸,保證節(jié)點連接,但是這樣巨型的三維構(gòu)件由于空間所限只能采用多次平面預裝方法,預裝精度也只能保證各平面連接,不能完全保證空間連接,構(gòu)件加工質(zhì)量從根本上不易保證。因此決定采用仿真測量技術(shù)檢測構(gòu)件質(zhì)量,并對此構(gòu)件節(jié)點群進行整體預裝。

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    圖1 SC16-1立體圖 (鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法)

     2 構(gòu)件仿真測量技術(shù)
          本技術(shù)根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有條件采用全站儀進行鋼構(gòu)件的三維測量,根據(jù)鋼構(gòu)件的幾何特征,確定并測量數(shù)個重要的幾何特征點,然后將測量得到的點輸入到計算機,利用計算機描繪出構(gòu)件的三維模擬圖形,即模擬構(gòu)件。
          1)將構(gòu)件平放在穩(wěn)定的平臺上,在構(gòu)件上做出兩個基準點,以便測量倒點。
          2)在構(gòu)件上做出測量點,實際測量及點位如圖2所示。

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    2 SC16-1測量(鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法)

    a.確定出模擬構(gòu)件的基準面和基準點。在構(gòu)件上選擇一個重要的端面做為基準面,在基準面上確定數(shù)個點,選擇一個做為基準點。
           b.在構(gòu)件各端面、梁連接牛腿端面、柱體做出測量點,一般按每端面最少3點來做,如果采用多點,其他點作為參考點。這樣即可精確定位每個連接面。
           c.因為棱角上的點偏差較大,做點時要注意盡量不要選擇棱角上的點, 一定要選擇面上的點,這樣做出的模擬構(gòu)件精度很高。
           3) 實體測量。
           實體測量時要注意測量精度的控制,以盡量少的轉(zhuǎn)站測量盡可能多的點,以減少系統(tǒng)誤差。如果有螺栓孔,可以采用坐標測量,或用鋼尺測量出與端面的關系。做好測量記錄。
           4) 模擬構(gòu)件制作。
           a.在AUTOCAD中建立三維坐標系統(tǒng)。
           b.根據(jù)測量記錄輸入各點位坐標并標識。
           c.根據(jù)輸入的點做出相應的模擬平面。
           d.將模擬平面擴展連接成模擬構(gòu)件,在模擬構(gòu)件上做出定位軸線、定位平面及定位基準點。
           e. 制作模擬構(gòu)件時一定要以定位基準點、各測量平面定位點為中心做圖,這樣做出的模擬構(gòu)件才能更真實準確的反映實體構(gòu)件的尺寸。
           f.將制作完成的模擬構(gòu)件定義成塊,模擬構(gòu)件制作完畢。在計算機內(nèi)制作出的模擬構(gòu)件見圖3。

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    圖3 模擬構(gòu)件(鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法)
     

    3  鋼構(gòu)件仿真檢測技術(shù)
           模擬構(gòu)件制作完成后,即可以在計算機內(nèi)進行構(gòu)件幾何檢測,具體操作如下。
           1) 從設計三維模型中取出構(gòu)件SC16-1的三維理論模型。
           2) 將理論模型與模擬構(gòu)件放在同一三維系統(tǒng)中,確定共同的基準點、基準軸線、基準面,基準點應選擇軸線交點,基準面應選擇主連接面。
           3) 以基準點為中心旋轉(zhuǎn)模擬構(gòu)件,使基準點、基準軸線、基準面重合,即進行復模(圖4)。

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    圖4 構(gòu)件復模圖(鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法)

    4) 復模后檢查測量各連接部位節(jié)點尺寸偏差,做好標記,提供修整數(shù)據(jù)供施工班組對構(gòu)件修整。
          5) 工廠修整后再重新測量、建模、復?;蛐拚ぷ?,直至構(gòu)件合格。
          4  鋼構(gòu)件仿真預拼裝技術(shù)
          在構(gòu)件測控合格后,可進一步利用實際構(gòu)件模型在計算機內(nèi)完成完成構(gòu)件預拼裝工作。
          1) 在計算機內(nèi)利用AUTOCAD建立三維做標系統(tǒng),做出結(jié)構(gòu)的三維軸線。
          2) 將已做好的模擬構(gòu)件放出到三維坐標系統(tǒng)中,以相應軸線交點為基準點擺放全部模擬構(gòu)件,預拼裝效果如圖5。
          3) 檢查各連接點尺寸:如連接間隙、定位板位置、高強螺栓連接板孔距,并可由此確定高強螺栓連接板孔位,做出高強螺栓連接板詳圖,提供數(shù)控鉆床鉆孔。這樣即保證了節(jié)點連接尺寸,又保證了高強螺栓連接節(jié)點的過孔率。

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    圖5 構(gòu)件預裝效果圖(鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法)

    4) 標注各連接尺寸,節(jié)點連接編號,打印出圖提供給安裝單位以便安裝工作按預裝效果進行。從而保證了鋼結(jié)構(gòu)工程的整體質(zhì)量。
          5  結(jié) 語
          對于工廠的鋼構(gòu)件加工,采用現(xiàn)代化測量手段(全站儀)及計算機三維模擬技術(shù)進行構(gòu)件檢測及預拼裝是可行的,相比傳統(tǒng)的實體檢測、預裝工藝,具有節(jié)約施工投入--減少大量施工場地、人力、機械投入,只需幾個人即可完成構(gòu)件的檢測工作,大大提高了勞動生產(chǎn)率,保證了施工質(zhì)量,大大降低了施工成本,實現(xiàn)低成本、高效率、高效益。另外本技術(shù)也可以應用在鋼結(jié)構(gòu)的模擬安裝中,以提高安裝施工質(zhì)量。
          參考文獻
          [1] 劉慶明,鋼結(jié)構(gòu)三維掃描測控方法[P] 200810180512.5. 中國.2010-06-23.(中國二十二冶集團有限公司金屬結(jié)構(gòu)工程分公司,河北 唐山 064000)


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