（机械工程专业论文）非滑道大型多层钢结构建造过程精度控制技术研究.pdf

中文摘要 随着经济的发展，大型多层钢结构在各种场馆建筑、集成化工业厂房等方面 得到了越来越多的应用。由于大型多层钢结构各层的制造误差和安装误差的积 累，在合理的建造效率下，实现钢结构的安装精度非常困难，非滑道区域建造的 地基沉降加大了这一难度，所以安装精度控制是非滑道大型多层钢结构建造的主 要技术难点。本研究通过采用合理的安装技术和变形控制手段降低建造难度，并 使用空间测量的技术获得大型钢结构建造的位置和误差信息，基于最小二乘法建 数学模型对安装定位进行优化，减少误差，指导钢结构安装并预先修整结构层， 达到提高精度和效率的目的。本文的主要研究内容有： 1 为实现大型多层钢结构建造的精度监控而采用的三维测量技术，包括：建 立测量控制网，并实现控制点的高程传递，从而建立测量体系；为保证测量不受 杆件阻碍而采用的自由设站等测量技术；为获得制造和安装信息而使用的甲板片 测量技术和测量数据在不同坐标系间的匹配方法。 2 为了保证非滑道大型多层钢结构顺利建造并满足精度要求而采用的安装 技术，包括：钢结构安装的整体工艺流程和立柱插接技术；为调整制造误差而使 用的钢结构误差矫正方法。 3 针对非滑道建造过程建立桩土耦合的有限元模型，对建造过程的变形进 行分析，并使用临时支撑等手段，减少结构物竖向变形，减少地基的不均匀沉降； 采用测量技术，对结构和设备安装时的地基沉降和结构变形进行监控，保证安装 精度，为下一层结构的安装的降低难度。 4 以测量数据为基础，基于最小二乘法和空间坐标变换，建立精度优化的 目标函数，并以安装技术要求为约束方程，实现了提高安装精度的定位优化。 5 基于a u t o c a d 二次开发的精度控制软件的实现，包括：包含模型导入、 结构分层、精度点设定的三维模型处理模块的开发；实现测量数据导入和匹配的 测量数据处理模块的开发；实现了提高建造精度的定位优化和误差分析模块的开 发；实现数据储存、调用和显示的数据库和数据管理模块的开发。 6 以镍矿工程的3 m 1 0 2 模块为例，展示模块的建造过程和大型多层钢结构 建造过程精度控制软件的使用及结果。 关键词：大型多层钢结构安装精度控制定位优化测量技术二次开发 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i c ，t h ea p p l i c a t i o no fl a r g es t e e ls t r u c t u r e w i t hm u l t i l a y e r sh a sb e c o m e m o r ea n dm o r ew i d e l yi nv a r i o u sc o n s t r u c t i o no f b u i l d i n g sa n di n t e g r a t e di n d u s t r i a lp l a n t s a se r r o ra c c u m u l a t i o n o fl a r g es t e e l s t r u c t u r ew i t hm u l t i l a y e r sw h e nm a n u f a c t u r i n ga n di n s t a l l i n g ，i ti sv e r yh a r dt o r e a l i z et h ea c c u r a c yo fi n s t a l l a t i o ni nr e s p o n s i b l ec o n s t r u c t i n ge f f i c i e n c y , w h a t sm o r e ， t h ef o u n d m i o ns e t t l e m e n ti nn o n s l i d i n gr e g i o nm a k e si tb e c o m em u c hm o r ed i f f i c u l t t h e r e f o r e ，i tb e c o m e st h ek e yt e c h n i c a ld i f f i c u l t yt oc o n t r o lt h ei n s t a l l a t i o na c c u r a c y w h e nc o n s t r u c t i n gl a r g es t e e ls t r u c t u r ew i t hm u l t i l a y e r si nn o n - s l i d i n gr e g i o n t h e r e a s o n a b l ei n s t a l l a t i o nt e c h n o l o g ya n dd e f o r m a t i o nc o n t r o l l i n gm e t h o dh a v e b e e n u s e dt or e d u c et h ed i f f i c u l t i e si nc o n s t r u c t i o n t h ep o s i t i o ne r r o rw h e nc o n s t r u c t i n g l a r g es t e e ls t r u c t u r ec a nb eo b t a i n e dt h r o u g hs p a c em e a s u r i n gt e c h n o l o g y t h em o d e l b a s e do nt h el e a s ts q u a r em e t h o do p t i m i z e st h ei n s t a l l a t i o nl o c a t i o na n dr e d u c e st h e p o s i t i o ne r r o r t h r o u g h t h em e t h o d ，t h el a y e r so fl a r g es t e e ls t r u c t u r ec a nb e p r e l i m i n a r i l ya d j u s t e di no r d e rt oi m p r o v et h ei n s t a l l a t i o na c c u r a c ya n de f f i c i e n c y t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sp a p e rc a nb ei n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 i no r d e rt or e a l i z ec o n t r o l l i n gt h ec o n s t r u c t i o na c c u r a c y ，t h e r e d i m e n s i o n a l m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e ne s t a b l i s h e dw h i c hc o n t a i n s ：e s t a b l i s h i n gt h e m e a s u r e m e n ts y s t e ma i m sa te s t a b l is h i n gm e a s u r e m e n tc o n t r o ln e t w o r ka n dr e a l i z i n g t h ee l e v a t i o nt r a n s f e r r i n go ft h ec o n t r o lp o i n t ；m e a s u r i n gm e t h o d ss u c ha sf r e e s t a t i o n i n g c a ne n s u r et h em e a s u r i n gp r o c e s ss u c c e s s f u l ；i no r d e rt oo b t a i nt h e m a n u f a c t u r i n ga n di n s t a l l i n gi n f o r m a t i o n ，t h em e t h o do fm e a s u r i n gt h ed e c km a t c h e s t om e a s u r i n gd a t ai nd i f f e r e n tc o o r d i n a t es y s t e m 2 t h ei n s t a l l a t i o nt e c h n o l o g yt h a ti n s u r e st h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o ns u c c e s s f u l l y c o n t a i n s ：t h ew h o l ei n s t a l l a t i o np r o c e s sa n dt h et e c h n o l o g yo fp l u g g i n gc o l u m nw i t h a n o t h e r ；t h ee r r o rr e d r e s s i n gm e t h o dw h i c hc a ne n s u r et h ei n s t a l l a t i o na c c u r a c y 3 t h ep i l e - s o i lc o u p l i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e dt oa n a l y s i s t h ec o n s t r u c t i o nd e f o r m a t i o n i no r d e rt or e d u c et h ev e r t i c a ld e f o r m a t i o na n d f o u n d a t i o ns e t t l e m e n t ，t h em e t h o do fa d d i n gt e m p o r a r ys u p p o r th a sb e e nc a r r i e do u t w h i c hc a na l s or e d u c et h ed i f f i c u l t yo fi n s t a l l a t i o n 4 t a k i n gm e a s u r i n gd a t aa sp r e m i s e ，t h eo b j e c t i v ef u n c t i o nt o o p t i m i z ef o r a c c u r a c yh a sb e e ne s t a b l i s h e d t a k i n gt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa sc o n s t r a i n te q u a t i o n s ， t h ep o s i t i o n i n go p t i m i z a t i o nh a sb e e nr e a l i z e d 5 b a s e do i la u t o c a ds e c o n d a r y d e v e l o p m e n t ，t h e s o f t w a r eo fa c c u r a c y c o n t r o l l i n gh a sb e e na c h i e v e dt h a tc o n t a i n s ：t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lh a sb e e n d e v e l o p e di n c l u d i n gm o d e li m p o r t i n g ，l a y e r i n ga n da c c u r a c yp o i n ts e t t l i n g ；m e a s u r i n g d a t ai m p o r t e da n dm a t c h i n gd a t ap r o c e s s i n gm o d u l ed e v e l o p i n gh a v eb e e nr e a l i z e d ； p o i s o n i n go p t i m i z a t i o nf o ri m p r o v i n gc o n s t r u c t i o na c c u r a c ya n de r r o ra n a l y s i sm o d e l h a v e b e e n d e v e l o p e d ；d a t a b a s ef o rd a t as t o r a g e ，t r a n s f e ra n dd i s p l a yh a sb e e n d e v e l o p e da sw e l la sd a t am a n a g e m e n tm o d e l k e y w o r d s ：l a r g em u l t i - l a y e rs t e e ls t r u c t u r ei n s t a u a t i o na c c u r a c yc o n t r o l l i n g p o i s o n i n go p t i m i z a t i o nm e a s u r i n gt e c h n o l o g ys e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一旱殖记 大型钢多层结构件具有体积庞大、结构复杂、安全可靠、抗震性能好等特点， 在现代工业和人民生活中发挥着越来越大的作用，广泛地应用于工业厂房、高层 建筑、飞机场和海洋石油平 台等的建造。在大型多层钢 结构建造中，采用自下而 上，依次建造的方法，施工 时间过长，因此在建筑、桥 梁、造船、海洋工程等领域， 大型多层钢结构分层( 分 段) 同时建造、最后整体组 装的技术逐渐成为发展的 趋势【l 2 】。 如图1 1 所示，海洋钢 结构上层平台组块的框架 式结构是比较典型的大型 多层钢结构，它主要由甲板 片、层间立柱、斜拉筋和附 件组成，其中，甲板片上预 1 一甲板片2 层间立柱3 一甲板片上预制的短立柱4 拉筋 图1 1 分层组装的框架式钢结构 制一段短立柱，用于与上下层的层问立柱进行焊接安装。在建造施工中，大型多 层钢结构采用分层预制甲板片和层间立柱，再依次将甲板片和层问立柱进行组 装，其建造过程如图1 2 所示。在组块建造时，上下层甲板片和层间立柱存在制 造误差，为了保证整体组装符合精度要求，需要对甲板片的安装误差和定位位置 进行调整。在施工过程中，需要不断的调整甲板片的位置，不断的测量当前位置 是否满足精度要求，如果反复调整安装位置都不能满足精度要求，还要将甲板片 吊离安装位置，对立柱和甲板片进行矫正，反复吊装，反复测量，直到安装精度 满足技术要求为止。对于大型网架结构、钢桥结构，还可以通过预装配的方式来 减少从安装位置上返修，提高精度，但是，对于大型多层钢结构来说，预装配的 方法很难实现。由此可见，精度控制是大型多层钢结构整体组装的技术难点。 第一章绪论 图1 2 大型多层钢结构建造示意图 图1 - 3 冶炼厂总装三维效果图 2 o i ， ， f ， ， ，季 l ，y ， 第一章绪论 2 0 0 8 年，中国海洋石油工程( 青岛) 股份有限公司获得了k o n i a m b o 镍矿冶 炼厂主体模块的建造项目，由于场地限制，该工程在青岛海工建造场地非滑道区 域的夯土地基上建造 3 。图1 3 为该镍矿工厂三维图，该项目包括1 8 个模块，总 体重量近4 1 07 虹，标高达1 3 0 多米，其中，最大模块的重量达5 o o x l 0 6 蚝，单 模块最大尺寸为2 8 m x 3 5 m 3 5 m ，主体结构为大型多层钢架结构。如此大型的钢 结构在非滑道区域建造，必然会产生较大的地基沉降，对建造施工中的安全和精 度控制造成困难，为确保模块的顺利进行，中国海洋石油工程( 青岛) 股份有限 公司与天津大学签订了在非滑道基础上建造技术研究项目，本课题就是在这一基 础上提出的。 1 2 大型多层钢结构建造安装精度控制技术的要求 为了保证安装时的精度，一般从两个方面入手进行控制：一是严格控制每层 的制造精度，二是采用高精度的测量方法对结构安装位置进行监控，保证整体的 安装精度。 随着测量技术和计算机的发展，尤其是全站仪、激光经纬仪和激光跟踪仪等 集光、机、电为一体的先进测量仪器的出现，通过仪器与计算机通信和数据交换， 可以有效的利用计算机进行数据处理，达到较高的测量精度。同时，c a d 软件 与电子化测量仪器结合，实现准确的放样，达到较高的定位精度，已经在各种桥 梁、网架结构、复杂形面的钢结构建筑中得到发展和应用，如2 0 0 3 年南京长江 第三大桥索塔钢结构安装和2 0 0 6 年国家游泳馆水立方钢结构施工中的精密测量 技术 4 , 5 1 。 由于大型钢结构杆件多，空问结构复杂，一般应用三维软件定出测控点的理 论坐标，再用全站仪对测控点的空间位置进行检测【6 j 。其中，比较典型的应用是： 在天津机场航站楼大跨度管桁架钢结构屋盖安装过程中，用c a d 软件精确计算 出测点的空间坐标，用全站进行空间三维定位测量，并在吊装过程中指导校正， 边吊边校，实现了整个空间管桁架体系的准确安装 7 , 8 , 9 , 1 0 】。 因此，大型多层钢结构建造的安装技术应达到以下目标： ( 1 ) 保证钢结构的建造精度符合各项技术要求； ( 2 ) 减少低效的试探性定位调整和修改的工作量： r 3 ) 提高整体建造效率，特别是整体总装时的效率。 第一章绪论 1 3 安装精度控制技术在相关领域中的应用与发展 1 3 1 船舶总段合拢的精度控制技术 现代造船技术是以分段、总段建造技术为基础的建造技术，即将主船体分割 为沿船长方向的若干船体环形区段总段，再将总段按结构特点划分为甲板分 段、侧舷、底部、舱壁等分段，按照分段制造、总段组装、船体合拢的顺序进行 建造 1 。船舶建造过程具有建造周期长、工序多，累计误差大的特点，所以造船 中的精度控制技术就显得特别重要。 图1 - 4 船舶的总段合拢 造船的精度控制技术是指以船体建造标准为基本原则，通过科学的管理方法 和先进的工艺手段对造船的全过程进行尺寸精度分析与控制的一门技术【12 1 。它的 目的是最大限度地减少现场修整工作量，提高工作效率，缩短建造周期，降低建 造成本，保证产品质量1 13 | 。 造船中的精度控制技术的研究与发展主要有三个方面：一是以补偿量预测和 数理统计为核心的补偿量加放技术；二是焊接变形的预测和控制；三是以精度控 制测量与数据分析技术为主要工具的造船精度管理系统【l4 1 。其中，精度控制测量 是使用全站仪、激光跟踪仪、三维测量仪等非接触式三维测量工具，获取精度控 制点的坐标信息，按照一定的算法，与理论坐标进行对比、计算和分析，得出船 体的姿态和制造误差，实现质量检验的目的，并对不满足精度要求的产品局部， 编制出合理的修整矫正方案。 在研究方面，s h o j it a k e c h i 研究了以造船设计装配系统( s o d a s ) 为基础的焊 接误差预测系统和提高组装精度或减少工作量的优化方法；武市祥司研究了船体 分段合拢过程中的分段定位决策系统；奥本泰久使用遗传算法作为优化手段来确 定分段合拢过程中的分段位置 1 5 , 1 6 1 。 目前，韩国等造船强国已经拥有一套完整的造船精度控制体系，在船体分段 建造与船台搭载等阶段，以先进的三维坐标测量与数据分析系统作为精度控制的 4 第一章绪论 工具，实现分段无余量上船台，提高船舶大合拢的成功率【1 7j 。 日本、韩国的造船企业中广泛应用了韩国大宇造船研发一套集成了总段三维 测量和计算机仿真的测量定位系统，该技术使用激光经纬仪测量总段上测量基点 的坐标，并输入到计算机中，对测量数据进行分析，能够迅速地确定定位偏差， 提出修正数据，该技术可大大缩小船舶的实际制造重量与设计重量的差距，推进 总段之间的无余量对接；缩短总段吊装定位时间，保证尺寸精度：压缩搭载合拢 时间，缩短造船周期【l8 | 。 徕卡( l e i c a ) 公司具有多套用于造船的精度控制系统。空间坐标测量系统 软件a x y zs t m 可以用于军舰( 如航空母舰) 和商用船只总段的测量工作，该软 件的最大优点是，可以通过现场测量，对装配的切割余量进行预先的计算，达到 提高生产效率的目的。该公司的另一软件包d c p 2 0 3 0 ，可以对测量得到的数据 进行快速高效的分析，以用于精度管理【l9 | 。 ( a ) 精度点的设置 j ， wp ， ”瓣。学。 群! 蒜，譬落 奈 ： ( b ) 现场数据采集 ( c ) 精度分析( d ) 虚拟搭建 图1 5l e i c a 公司的造船精度控制与分析系统 目前，国内能够见到的造船精度控制软件有：中国船舶工业集团公司的 s r n e t 系统，徕卡公司针对中国用户的徕卡造船精度控制与分析系统，韩国 s a m i n 信息株式会社的e c o s y s t e m 系统。其功能都大体相同，可以实现：精度 第一章绪论 控制点的提取，数据现场采集，精度分析，模拟搭载等功能。 1 3 2 飞机制造的测量辅助装配技术 霪篓濯璺 攀鼍镑g 鞠迸鞘嗣 、。 “，一4 孽氅溅。鼍t ”矗l 菇a 蠢 图1 - 6 飞机的装配示意图 飞机的测量辅助装配技术( m e a s u r e m e n ta i d e da s s e m b l y ，m a a ) 基于装配 对象的设计模型，依靠数字化三维测量系统，在装配过程中对装配对象进行实时 测量，由获得的几何空间信息来指导定位和调整，保证对接工艺【2 。 测量辅助装配系统一般包括三个方面：辅助光学测量系统、测量数据与模型 对比系统以及机电执行系统，m m a 系统的工作原理如图l 一7 所示【2 1 l 。其中，辅助 光学测量系统主要是采用激光跟踪仪测量或i g p s 测量，如l e i c a 公司的a t 9 0 1 l o n gr a n g e 型号的激光跟踪仪。测量数据与模型对比系统多为各飞机制造公司自 行开发的软件，功能为对比分析测量数据与设计模型的理论数据，确定飞机部件 姿态上的偏差和制造误差，确定相应的处理策略，即飞机部件姿态调整方向，误 差部件的修整方法等，将信息以图形的形式显示并发出反馈信号。机电执行系统 接收反馈信号，并据此做出相应的运动，调整偏差和误差，实现飞机装配的自动 化 2 2 , 2 3 , 2 4 。 测量数据与模型对比系统一般会包含一个的优化程序，以优化两个对接部 件的定位。测量辅助装配系统的功能可分为：测量辅助零部件定位、辅助装配补 偿和辅助部段对接【2 川。 目前，国外企业中代表了航空制造业先进水平的波音公司和空客公司两大 飞机生产巨头，基本上都已经实现了包括测量辅助装配技术在内的数字化装配， 并显著地提高了制造水平、生产效率和经济效益。 在国内的研究中，很多学者也开始致力于测量辅助装配技术的研究，比较典 6 第一章绪论 型有2 0 0 7 年牛鎏等，2 0 11 年朱三山等分别研究开发的测量辅助装配系统 2 6 , 2 7 1 。牛 鎏等研制了基于激光跟踪的数字化装配定位原型系统，可以实现数据测量和采 集、数据分析处理、实时可视仿真和姿态自动调整功能。朱三山等研发的飞机数 字化装配测量系统实现的功能除了没有姿态自动调整功能外，与牛鎏等人研制的 系统相同。 1 4 课题研究的主要内容 图1 7 m m a 实施原理图 目前，大型多层钢结构建造还没有发展出一套成熟完整的安装精度控制技 术，而大型钢结构具有结构复杂，杆件多的特点，其建造安装过程中需要对接的 部位多，两层结构物之间也往往存在独立的杆件或者立柱，这使得船舶分段建造 和飞机制造的安装精度控制技术不可能一成不变的复制过来。根据自己自身的特 点和技术发展，并借鉴相关领域的先进技术，完全可以研制出一套适合大型多层 钢结构建造的安装技术和精度控制技术。 本文主要以大型多层钢结构建造为研究对象，以实现建造过程的精度控制为 研究目标，主要研究内容如下： ( 1 ) 为实现大型多层钢结构建造的精度监控而采用的三维测量技术，包括： 建立测量控制网，并实现控制点的高程传递，从而建立测量体系；为保证测量不 受杆件阻碍而采用的自由设站等测量技术：为获得制造和安装信息而使用的甲板 片测量技术和测量数据在不同坐标系间的匹配方法。 第一章绪论 ( 2 ) 为了保证非滑道大型多层钢结构顺利建造并满足精度要求而采用的安 装技术，包括：钢结构安装的整体工艺流程和立柱插接技术；为调整制造误差而 使用的钢结构误差矫正方法。 ( 3 ) 针对非滑道建造过程建立桩土耦合的有限元模型，对建造过程的变形 进行分析，并使用临时支撑等手段，减少结构物竖向变形，减少地基的不均匀沉 降；采用测量技术，对结构和设备安装时的地基沉降和结构变形进行监控，保证 安装精度，为下一层结构的安装的降低难度。 ( 4 ) 以测量数据为基础，基于最小二乘法和空间坐标变换，建立精度优化 的目标函数，并以安装技术要求为约束方程，实现了提高安装精度的定位优化。 ( 5 ) 基于a u t o c a d 二次开发的精度控制软件的实现，包括：包含模型导入、 结构分层、精度点设定的三维模型处理模块的开发；实现测量数据导入和匹配的 测量数据处理模块的开发；实现了提高建造精度的定位优化和误差分析模块的开 发；实现数据储存、调用和显示的数据库和数据管理模块的开发。 ( 6 ) 以镍矿工程的3 m 1 0 2 模块为例，展示模块的建造过程和大型多层钢结 构建造过程精度控制软件的使用及结果。 第二章大型多层钢结构建造的测量技术 第二章大型多层钢结构建造的测量技术 2 1 测量控制网的建立 l 、平面控制网的建立 大型钢结构总装施工的平面控制网建议采用两级控制，首级控制为一级导线 网，主要作为整个工程各个工种控制测量起始依据及用于建筑平面控制网的测设 与校核。二级为建筑物平面控制网，主要用于主体施工测量控制。 依据首层平面导线控制网，布设出钢结构定位基准线和各个主要轴线控制线 和控制点，各控制点处应埋设控制桩。 2 、高程控制网的建立 在大型工业建设场地上，高程控制网通常分两级布设。首级为三等水准网， 控制整个建筑场地。除原有可利用的三等水准点以外，还应增设水准点。一般在 厂区内距离4 0 0 m 8 0 0 m 应埋设一点，点位一般应选在距离厂房或高大建筑物2 5 m 以外，与震动源的距离不应小于5 m ，距离回填土边线应不小于1 5 m 。第二级高 程控制是在三等水准网的基础上加密的四等水准网。四等水准点一般不单独埋 设，可与建筑方格网点共用。 3 、平面控制点的竖直投测及高程传递 图2 一l 控制点竖直投测 第二章大型多层钢结构建造的测量技术 平面控制点的竖直投测可以采用内控法、外控法和内外相结合的控制方法。 内控法是在钢结构的四角的预开2 0 0 m m 2 0 0 m m 的方孔，将激光垂准仪( 或激 光经纬仪) 放置在首层的平面控制点上，精密整平对中后，通过预留方孔向上发 射激光到投测层的接收靶上。调整接收靶位置，使激光与接收靶靶心重合，并将 其固定作为该层的控制点。将所有的控制点都投测完毕后，使用全站仪测量各点 间的边角关系进行平差归化，如图2 1 所示。 大型钢结构建造中的高程传递可以采用的方法有：钢尺传递、三角高程传递 和使用具有测距功能的电子仪器，如全站仪测量传递。图2 2 为使用全站仪天顶 测高的方法进行的高程传递，在图中高程控制点q 架设仪器，在预留传递孔p 处架设棱镜，p 点高程的计算方法见公式( 2 1 ) 。 耳= 也+ d + i c ( 2 - 1 ) 其中，h ，为p 点高程，e ，为o 点高程，d 为全站仪读数，f 为仪器高，c 为棱镜常数。 ，j 爹? 。一“i j 骂 “一i 一一一。 矿一 2 2 三维测量原理 图2 - 2 全站仪天顶测高法 三维坐标测量，也称坐标正算，是根据已知点的坐标、已知边的坐标方位角， 计算未知点的坐标的一种方法。全站仪坐标测量原理是用极坐标法直接测定待定 点坐标：在己知测站坐标的同时采集角度和距离，经微处理器实时进行数据处理， 显示并存储测量结果。施测时，可输入空气压强( p ) 和温度( t ) 等气象参数， 由仪器进行自动修正测量结果，补偿由大气折光率造成的误差。三维坐标测量的 izii，+|；|；萎一 ； 一 第二章大型多层钢结构建造的测量技术 原理如图2 3 所示，a b 是一条己知角度的直线，全站仪设在坐标己知的a 点， b 点己知，测p 点坐标。全站仪三维测量的数学模型，如公式( 2 2 ) 所示。 x 图2 - 3 三维测量示意图 x d = x a + d c o s ( a 柚+ 2 e + d c o s ( a a r + 历 r ，) ，) 、 d = s c o s a l = 吼+ s s i n c t + f v 其中，s 为方向a p 的斜距；d 为所测的平距；口为方向a p 的垂直角；x 、 l 为待定点坐标；x 。、l 为己知点坐标；a 一日为起始边a b 的坐标方位角；为 所测方向与起始方向间的左角值；h 。为已知点高程；日。为待定点高程；s 为仪 器到棱镜的斜距；i 为仪器高；v 为前视棱镜高。 全站仪平面测量精度与测量的长度有很大关系，在实际测量中，应避免测量 距离过长。全站仪高程测量精度与测量距离长短与大气折光率有关，所以实际测 量在避免测量距离过长的同时，应该输入准确的气象信息，如温度，湿度和大气 压等，以便全站仪计算出准确的大气折光率。 2 3 自由设站技术 2 3 1 自由设站技术概述 全站仪自由设站功能，即后方交会测量方法，是指通过观测待定点到两个控 制点的距离来快速确定待定仪器点的坐标( 两边交会) 1 2 8 。 自由设站法在合适的位置架设仪器，通过与己知点的联测，得到设站点的坐 标，当得到设站点坐标以后，就可将此作为己知点，来放样和测量钢结构建造的 第二章大型多层钢结构建造的测量技术 各个细部点。目前，由于测距的精度高且方便快捷，在自由设站法中大多采用测 距的方式来测定设站点( 即利用边长交会的方式来测定) 。当精度要求较高时，也 可采用边、角同测的方法来定点。自由设站法的数据处理可用常规的控制网平差 软件进行，也可根据需要编制特定的计算程序进行。 该方法因不需要已知点之间相互通视，不必考虑大气折光对长距离测角的 影响，且大多数全站仪都有该方法的固化程序模块等优势，因此在控制、监测等 实际测量工作中得到非常广泛的应用。一般在保证己知点位精度的前提下，所观 测的已知点越多，待定点的精度也就越高。 在大型钢结构的建造中，以己有控制点为依据，通过全站仪自由设站功能， 将测量站点设在任何通视良好，可以设站的位置，从而大大提高了测量和施工的 效率和精度【2 圳。 2 3 2 自由设站原理 a 图2 4 全站仪自由设站两边交会法 如图2 - 4 所示；a 、b 为两个已知点，坐标分别为( _ ，y 。) 、( ，y b ) ，两点 之间的距离为s o ，p 为待定点，在p 点上设置全站仪，测距离s i 和s 2 ，即可确 定p 点之坐标( x py p ) 。交会点p 的坐标计算公式为： x p = x _ + ( z b x ) 三一( 少b y a ) h y 。= y _ + ( 一y a ) 三一( _ c 日一x a ) h 三= 学 2 s ： h = ( 2 3 ) ( 2 4 ) 在现场施工中，全站仪可以后视多控制点，仪器的内置程序将对数据进行自 第二章大型多层钢结构建造的测量技术 动平常处理，提高测量精度。 2 3 3 自由设站精度分析 联立式( 2 - 3 ) 、式( 2 - 4 ) ，并对x 。、y p 进行全微分，如果忽略起始点误差， 则： d x 。：一罢堑出。+ 罢堑d s ： s l n ，s l n y ( 2 5 ) 砂。：一单凼，+ 掣出： 式中，口即、口爿p 分别表示线段b p 、a p 跟x 轴成的方向角。根据误差传播 定理，将( 2 5 ) 写成中值误差的形式，即测站p 的中值误差为： 删，巫巫季巫2 。 s i ny 厂了了_ 厂_ 厂 迎型蔷坐巫 朋；2m 。2 + m 。2 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 进一步化简为： 朋；= 警 泣8 ， 由式( 2 8 ) 可以得出结论，边长交会的全站仪自由设站，其精度与所测边 长的大小无关，与距离的测量精度与两边的夹角有密切关系，若测边的精度不变， 当夹角达到9 0 度时，自由设站的测量精度最高。 2 4 大型多层钢结构空间测量 对于大型多层钢结构，如图2 5 设置两个坐标己知的测量基准a 、b ，利用 这两个点，在结构周围设计几个控制点( 如图2 5 中的s t a t i o n l s t a t i o n l 2 ) ，通过 测量和平差建立控制网。通过全站仪自由设站功能，可以测量站点设在任何通视 良好，方便设站的位置，测量目标点的三维坐标，与其理论位置比较，得到目标 点的偏差。 在甲板片上预制的短立柱的上下两端，各设三个控制测量点，如图2 6 a 所 示，两翼板的测量点主要用来确定h 型钢的扭曲，腹板的测量点用来测量立柱 第二章大型多层钢结构建造的测量技术 中心线的偏移量。在甲板片水平梁上设置测量点，如图2 6 b ，用来测量甲板片的 水平和标高。 一|0 一固b ，一l ? ”虑“ s 。a ： k 图2 - 5 模块总装时控制点的设置 图2 - 6 测量控制点的确定 = ；= | 在甲板片预制过程中，可采用全站仪对各精度控制点进行测量，获得这些点 的偏差，判断尺寸是否合格。甲板片的预制共有4 个停检点，分别是甲板片组对、 甲板片焊后、立柱组对、立柱焊后。只有当所有精度控制点的尺寸合格后才能进 1 4 乍亡 a 专 第二章人型多层钢结构建造的测量技术 行下一步的制造，否则对超差的结构采取一定的措施。尺寸检验控制的具体过程 如下： ( 1 ) 甲板片焊前焊后测量 按照建造工艺，甲板片的梁格及甲板铺设焊接完毕后，才能组对焊接立柱。 将甲板片焊前即组对完毕后作为一个停检点，对甲板片的水平度和尺寸进行检 查。整层甲板片的主梁和梁格焊接完成、甲板铺设焊接完成后，作为一个停检点， 再对甲板片的水平度和尺寸进行检查。 ( 2 ) 立柱测量 立柱焊前焊后测量的具体操作过程：在甲板立柱组对前首先确定甲板片的 基准线( 如图2 7 所示) ；据此基准线定出各立柱的位置；立柱组对，测量 焊前及焊后尺寸。立柱检验的项目有：立柱之间的尺寸、立柱的垂直度、标高、 扭曲度、偏移量。 图2 7 甲板片基准线设置 在钢结构安装的测量工作中，要对己安装甲板片上的控制点进行测量，以确 保己安装部分符合技术要求，同时还要对待安装的预制甲板片进行测量，对这两 部分测量数据进行分析，才能对甲板进行定位优化和预调整。图2 - 8 所示为甲板 片上尺寸测控点。 钢结构整体安装时，施工现场有多个工种同时作业，脚手架、结构等可能会 阻碍测量，使得某些局部的测量无法实现。在高于钢结构安装层的位置搭建二至 三个视野通畅的观测平台，将钢结构安装现场的平面和高程测量点引测到观测平 台上，使用全站仪对安装过程进行监测，并对安装结果进行检验。将反光标靶贴 在要测量的点上，使用全站仪放样功能，自动比对观测点的目标值与实测值，指 导钢结构安装【3 。 第二章大型多层钢结构建造的测量技术 图2 8甲板片上尺寸测控点 测量数据要整理成测量报告，如图2 - 9 所示，测量报告的内容包括，测量点 的设计值，测量结果，制造误差，还应包括超差点的原因分析，以备总结经验和 查询之用。 1 6 第二章人型多层钢结构建造的测量技术 r - - 嘲，瞳i 椭卜_ l 膈t 柚t 懿 | 7 糊斧 ：? 嚣 i i 燃擀“ 薰逢：二一- ：爹” 项目测量位置设计獭据灾谢数据差值 设( t - 霉测 x z xrx a y z l ll i ：星_ 1 11 u 2 码1 ul u u：5 5u j 4：u 2t 5 l ji = 嗄j u _ u0 0 q1 = iu 0 eu u 抓j 2 2一l e 6 搴) 11 0 2t 4 50c 0 0一：6 55 j 0：o zt 50 0- 。0 0 300 0 c0 0 。c 1 1 70 l 1 0 2 。巧20 0 0：t r0 ：2：0 27 5 2 0 0 00 0 0 000 3 c00 。c 4 - 4- i e 50 0 8口4 巧60c o o一：5 s0 ：2 口t7 5 5 0 0 0 0 _ 。0 0 4- 00 0 l00 。c 5 5一l e 65 1 29 4 了6 ：0 亡0 0一：6 55 0 1 虬7 5 5 0 0 00 0 ：1- 00 3 600 孵 b 一巴一1 1 t t9 4 1 s 30 ( i j ul t t0 0 39 47 1 9j 叩00 0 0 5- 00 0 quu 毗 三缱精赝 t 71 1 t t 4 00 3 0j t t0 0 60 07 b0 0 0 0勺0 0 2 一00 0 100 9 c 8 一e - 1 5 80 1 c0 幅0c 0 0一：5 50 ：3t 37 5 30 0 0 0- 30 0 3- 00 0 lo0 q 一 一1 e 8 射2”g 眄0c 0 0j 8 ss o q7 9t e 80 0 00 0 0 300 0 400 】0 1 01 盯27 9t 5 20 03 了59 9 87 97 s 300 0 000 0 400 0 l00 】卜1 ll s 50 1 03t s oo 【0 03 5 50 港r j t 5 z) 呻0- a0 0 50 叩z00 1 21 2l e 6 st 31 4 t0c 0 0一j 6 b5 0 3t 37 5 5 0 0 00 0 0 200 0 e00 孵 1 3 1 3- 1 1 6 e3 7 5 00 0一：7 s0 口57 37 5 30 0 0 000 0 100 0 300 口c 目露点晕困习篇备 项目：啦平6 珈帜寸，g u垂直度隆9 叫端差沁舡单位： 橙蠢敦湖最墨 不良数 找准 ： 不良辜 图2 - 9 甲板片制造的精度控制表( m ) 2 5 测量数据的匹配 由于加工制造和结构安装现场使用不同的坐标系，为了对两种数据进行比 较，还需要将加工制造位置上甲板片的测量数据匹配到模块整体的设计坐标系 中。具体的方法是将这些坐标值乘上一个匹配矩阵【3 1 i 。 计算匹配矩阵的过程如下： 取加工制造位置甲板片局部坐标系的原点p d 和x 、y 轴上各一点尸，和p 2 ， 甲板片理论安装位置局部坐标系的原点，x 、y 轴上各一点9 、q ，和9 。 分别用上述点构造测量局部坐标系和设计局部坐标系，以n 点为原点，p o 第二章大型多层钢结构建造的测量技术 到p ，方向为x 轴，构建单位向量： 铲隅 ( 2 9 ) 然后以x 轴的方向i f i - 量e 。与n 到n 的方向矢量的叉乘来确定z 轴方向，构 建z 轴的单位向量： 然后使用e 。、e 3 的叉乘计算y 轴单位向量： ( 2 1 0 ) ( 2 11 ) 同样道理，利用设计模型中的q 、q 、9 来计算设计模型中三个坐标轴的 单位向量： ， q 1 一p o p l 2 i o l , - o o l 妒 r 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) f 2 - 1 4 ) 经过坐标变换，两个坐标系必能完全重合，如有同一向量在两坐标系下的坐 标分别为m 和m ，则： k ：p ：p ；抛= k m 7 = ( k ：p ：p ；】7 ) 一1 k 。p ：e 3 】7xm 因为k ：p ：p 圩为正交矩阵，所以匹配矩阵中的旋转r 应为： r = k ：p ：p 】k 。p ：e 3 】7 匹配矩阵的平移矩阵t 为： 完整的匹配矩阵为： t = q 0 一t o c = 瞄 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 盟叫 一一一 芝一芝 ，ii、一，i p 一 p p = 吃 第三章非滑道大型多层钢结构建造安装技术 第三章非滑道大型多层钢结构建造安装技术 3 1 多层钢结构立柱插接技术 在多层钢结构模块建造过程中，模块被分为各层甲板片和层间立柱分别预 制，相应地，一根完整的立柱就被分割为预制在甲板片上的短立柱和层问立柱。 为了提高制造精度，在甲板片的预制过程中，首先组对并焊接由梁搭建成的框架， 然后再对梁跟立柱组对的余量进行打磨，最后将短立柱插入，组对焊接，这就是 立柱的插装。而层间立柱和甲板片上的短立柱的连接，被称为立柱拼接。上述两 种立柱的安装和连接方法，统称为立柱的插接工艺。 3 1 1 甲板片上预制短立柱的插装 1 、预制短立柱的插装形式 如图3 1 所示，是h 型立柱的插装顺序和节点形式。在将由甲板片梁组成的 框架焊接好后，插入立柱并焊接肋板，最后插入过