（机械制造及其自动化专业论文）大型高精度空间钢结构精度控制技术研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 以大型异型空间钢结构为基础的空间玻璃幕墙构造方法的多样化和复杂 化，造成施工阶段精度控制的更高要求和复杂性。为确保工程建设安全、经济、 顺利地进行，保证空间异型钢结构玻璃幕墙的安装精度，需要在钢结构建造过 程中了解其实际形位和精度状况，并根据建设过程对其进行预变形估算。 本论文以上海国际航运中心高精度空间异型玻璃幕墙的精度控制为研究对 象，研究了利用高精度大型数字化测量装备一激光测量设备进行测量的方法， 提出了相应的精度分析与控制方法。通过对空间主钢结构的实际测量，掌握了 主钢结构的施工精度信息，并在此基础上，通过对主钢结构的逆向设计，利用 有限元分析工具分析了施工阶段温度对该主钢结构变形的影响情况，估算了玻 璃幕墙安装阶段次结构补偿参数，为玻璃幕墙的设计修正与顺利安装提供了必 要的信息。 本项目的研究成果已直接应用于上海国际客运中心玻璃幕墙工程，验证了 测量工艺和有限元分析计算的正确性，显著提高工程建设水平、节约投资、缩 短工期、确保了施工质量，取得了良好效果。 关键词：大型空间钢结构激光测量系统测量逆向设计变形估算 精度控制 v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r em a n yc o n s t r u c tm e t h o d so fl a r g es p a nn o n r e g u l a rh i g h p r e c i s i o ng l a s s s t e e ls t r u c t u r e ss o m eo fw h a ti sv e r yc o m p l i c a t e d ，s op r e c i s i o nc o n t r o lo fs t r u c t u r e s i si n t r i c a t ea n da l t e r n a t i v e w es h o u l dm e a s u r et h ea c t u a ls h a p ea n dp o s i t i o nd u r i n g t h ep r o c e s so fe r e c t i o nt om a k es u r et h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ng os a f ea n d e c o n o m i c a l w em u s td ot h ea c t u a lm e a s u r ea n dd i s t o r t i o ne s t i m a t et oe n s u r et h e n o n r e g u l a rg l a s ss t e e ls t r u c t u r e sa c t u a ls h a p ea n dm a n u f a c t u r ep r e c i s i o n t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h i sp a p e ri st h ee r e c t i o ne n g i n e e r i n go fs t e e lr o o f s t r u c t u r eo fs h a n g h a ii n t e r n a t i o n a ls h i p p i n gc e n t r e sg l a s ss t r u c t u r ep r e c i s i o n c o n t r 0 1 t l l i sp a p e rr e s e a r c ho nt h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n dt h ew a yo fp r e c i s i o n c o n t r o lb yt h el a s e rt r a c k e rs y s t e m ，d e s i g nt h ep r o j e c tp r o c e s sw a ya n dp r e c i s i o n c o n t r o lm e t h o d d i s s e r t a t i o nr e s e a r c ht h ea c t u a lm e a s u r eo fs t e e ls t r u c t u r e ，a tt h e s a m et i m e ，d ot h er e v e r s ed e s i g na n ds t r u c t u r ea n a l y s i st ok n o wt h es t r u c t u r e s d i s t o r t i o nb yt e m p e r a t u r ec a u s e d f i n a l l y , b yd ob e s t f i tt ot o u c ht h eg o a lo fp r e c i s i o n c o n t r o l ，a n do f f e rt h ee f f i c i e n td a t at oe n g i n e e r i n g t i l i sp a p e r a p p l yt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fc i v i le n g i n e e r i n gt ot h e c o n s t r u c t i o no fl a r g es p a c es t r u c t u r e st os h o r t e nt h ep e r i o do fe r a c t i o n ，t oe n s u r et h e q u a l i t ya n dt os a v et h ei n v e s ta n dt oe n h a n c et h eb u i l d i n gl e v e l 1 1 1 ep r o d u c t i o no f t h e s i sh a v eu s e di ns h a n g h a ii n t e r n a t i o n a ls h i p p i n gc e n t r e ，a n dt h ep r o c e s sw a ya n d a n a l y s i sr e s u l ti sc o r r e c t k e y w o r d s ：l a r g es p a ns t r u c t u r e ，l a s e rt r a c k e rs y s t e m ，m e a s u r e ，r e v e r s ed e s i g n , d i s t o r t i o na n a l y s i s ，p r e c i s i o nc o n t r o l v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一碑冁 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：翻嗍趁碰 上海大学硕i 学位论i 1 1 课题来源及介绍 第一章绪论 本课冠来源于上海港国际客运中心工程建设项目，研究对象为新上海港国际 客运站，其主体为钢结构，钢结构上安装次结构玻璃幕墙，整体造型十分奇特， 似蛋非蛋、似球非球，外形像一滴水的形状，业内称之为“双体薄壳非标球体” 的次钢结构精度控制工程。其外形如图卜1 、卜2 所示： 目l 一1 客运站钢结构实际图图卜2 钢结构客运站效果圈 1 2 大跨度空间钢结构的分类及施工方法 21 大跨度空间钢结构类型分类 空间钢结构是一类蓬勃发展的新兴结构，并在近3 0 年取得了长足进展，新 空l 司结构形式的不断涌现，推动了空间钢结构理论的发展。空间钢结构至今已发 腥成一个相当广阔的领域。在这个领域中，结构类型繁多，各种结构的个性鲜明， 令人跟花缭乱。因此，要将空间钢结构作出合理而又统一的分类显得比较困难。 文献。”根据结构空问刚度的差异将空丑j 钒结构作如下分类： 空j 日钢结构按结构的整体刚度差异可分为刚性空间钢结构、柔性空问钢结 上海大学硕士学位论文 构、混合空间钢结构。 ( 1 ) 刚性空间钢结构 a 空间网格：又细分为平板型网架、曲面网壳、网格梁； b 拱型结构； c 表皮应力结构。 ( 2 ) 柔性空间钢结构 a 悬索结构：按索的刚度又细分为柔性索系一单向( 单层、双层及辐射状) 、 索网( 刚性边缘、柔性边缘构件) 和半刚性杆件系； b 。薄膜结构：按薄膜的成形方式不同，可分为充气薄膜结构( 薄膜索体系、 双层薄膜体系) 和张拉薄膜结构； c 全张力结构( 索穹顶结构) 。 ( 3 ) 混合空间钢结构 由传统的空间钢结构形式杂交组合形成的各新型的空间钢结构体系。 1 2 2 大跨度空间钢结构基本安装方法和施工新技术 大跨度空间钢结构常见的基本安装施工方法畸3 有：高空散装法、分条( 分块) 吊装法、整体吊装法、滑移就位法和整体提升( 顶升) 就位安装法。新型结构形 式的不断涌现也推动着空间钢结构安装施工新技术的发展，合理地选择施工技术 对空间结构安全、平稳、高效地成型起着至关重要的作用。近年来一些较著名的 钢结构施工新技术有：日本法政大学川口卫教授提出的攀达穹顶( p a n t a d o m e - - 伸缩穹顶体系) 施工技术3 、浙江大学提出的整体顶升一折叠式施工技术n 们、多 次预应力钢结构施工技术n 、索托结构施工技术n 羽、索膜结构整体张拉施工技术 c t 3 、网壳结构外扩法施工技术n 钔、小拼单元悬挑安装施工技术n 副、微机同步控制 技术、以及由拱式桥梁结构施工移植而来的旋转安装等新型施工安装技术。各种 施工新技术的应用大大加快了钢结构施工安装的劳动生产率，将一般进展较慢的 施工推向高科技、高技术的数字化方向。 2 上海大学硕士学位论文 1 3 大跨度空间钢结构发展及其应用现状 国际空间结构杂志主编马考夫斯基( z s m a k o w s k i ) 曾有过如下表述n 们： 3 0 年前“空间结构还被认为是一种有兴趣但仍属陌生的非传统结构，然而今天 已经被全世界广泛接受。可以这样说，大跨空间结构是近2 0 年来发展最快的 结构形式，而大型公共建筑一直是空间钢结构的主要生长点。这里分别结合国内 外一些典型工程，回顾近年来空间钢结构的发展历程，并对其现阶段的设计、施 工的发展状况作一概述。 1 3 1 空间钢结构在国内的发展及典型工程 在国内，作为全国运动会比赛之用，九十年代初相继建成了国家级的上海体 育中心、广州体育中心和北京奥林匹克体育中心，这三大中心的体育场馆主要是 采用了空间网格结构。面对着1 9 9 0 年在我国北京举办十一届亚运会的大好契机， 北京相继新建了1 3 个体育场馆，虽然大部分屋盖是网架结构，但其中北京体育 学院体育馆和北京朝阳体育馆采用的网壳结构预示着空间钢结构选型的转向，其 后的天津体育馆、攀枝花体育馆都采用了圆球面网壳，黑龙江速滑馆的网壳( 图 卜3 ) 由中央圆柱面壳和两端半球壳组成。此后凡是大中型体育馆采用的基本是 网壳，专为江苏省南京市举办的第十届全国运动会新建的“三馆一场”造型设计 新颖别致，也基本采用网壳或组合网壳的钢结构屋盖形式。同时网架在一般的练 习馆、健身房仍有用武之地。特别值得一提的是在八十年代末、九十年代初还出 现了采用悬索结构的热潮，一些省市体育馆，如四川、安徽、丹东、青岛等有六 七个体育馆的屋盖结构采用形式各异的悬索结构，其中还有所创新。可是这种情 形没有持续多久，随着世界各国公共建筑的大规模新建，继悬索结构之后又有另 一种更新的张拉结构一膜结构显示出良好的发展势头和应用前景。国内自从1 9 9 7 年上海八万人体育场的膜结构挑篷( 图1 - 4 ) 建成之后，约有近十个体育场屋盖 都采用膜结构，使张拉结构得以继续发扬光大。而近期相继建成深圳会议展览中 心箱型钢屋面( 图卜8 ) 和重庆江北国际机场箱型桁架屋盖结构( 图1 - 9 ) 是目 上海大学硕士学位论文 前中国箱型钢屋盖结构最大的结构，深圳会议展览中心是国内最早将预应力张拉 钢棒用于屋面钢梁下弦的大型公共建筑。表1 - 1 列举了近1 0 年来国内部分著名 的空间钢结构建筑及其相关工程参数。 表卜l 近十年国内部分典型空间钢结构信息一览表 工程名称竣工时间平面尺寸屋面钢结构类型施工概况 北京朝阳体育双曲正交索、网悬单根挂锁、整体 馆 1 9 9 0 7 8 m 6 6 m 索体系成型 攀枝花市体育 7 4 8 m 馆 1 9 9 4 7 4 8 m 八角花 多次预应力双层分布：3 次加载、2 球、柱面组合网壳次卸荷 瓣形 黑龙江速滑馆 1 9 9 51 9 5 m 8 6 m 双层球面网壳内扩安装法 首都机场四机1 5 3 m ( 双跨) 微机控制液压千 位机库 1 9 9 6 3 层平面网架 x9 0 m 斤顶同步提升 上海八万人体 1 9 9 72 8 8 m 2 7 4 m 双曲抛物面单层网 育馆 = 士? 分块吊装 冗 6 0 m 4 0 m 椭 散装，劲索一柔索 鞍山体育中心 1 9 9 8 劲柔索穹顶 圆形循环张拉 1 6 0 m x1 l o m主次梁空间桁架体综合主桁架分段 广卅i 新体育馆 1 9 9 9 树叶状系吊 上海浦东新国1 6 4 m x 7 2 m 矩 综合安装、同步 际博览中心 2 0 0 0 梭形截面空间桁架 形 卸载 威海体育中心 2 0 0 12 3 6 m x2 0 6 m 张拉膜结构力柱吊 内环梁整体提 升、膜结构分片 体育馆拉 张拉 深圳宝安体育 2 0 0 21 4 0 m x1 4 0 m 空间管桁架、周边 提升+ 顶升、外围 悬挑桁架高空拼 馆 大悬梁 接 哈尔滨会展体 2 0 0 35 l o m x1 3 8 m 预应力索拱 地面拼装、累积 育中心滑移法就位 主拱跨度 主拱分段、箱梁 南京奥体中心 2 0 0 5 3 6 1 6 m ，箱梁 中空马鞍形、拱支 体育场网架 整根吊装、分批 最长6 9 m分区卸载 北京2 0 0 8 奥运 建设中 3 4 0 m x2 9 2 m鸟巢形空间交错桁 内环梁整体提 升，外部辐射桁 会鸟巢主赛场 椭圆形 架、开合屋面 架单榀吊装 4 海大学硕十学位论文 图卜7 深圳宝安体育中心钢管桁架屋盖图卜8 深圳会议展览中心箱型钢结构屋面 圈卜9 重庆旺北国际机场箱形桁架屋盖 = 海大学硬学位论女 图卜1 0 北京奥运鸟巢 132 空司钢结构园外典型工程( 以体育场馆建筑为例) 1 9 6 0 年罗马奥运会的罗马小体育馆以其创新的结构设计被许多结构教科书 作为2 0 世纪薄壳结构的经典之作收列其中；1 9 6 4 年东京奥运会，代代木游泳馆 以独特的造型和结构安排确立了以丹下健三为代表的一代日本设计师在世界建 筑界的地位；1 9 7 2 年德国幕尼黑奥运会场馆建设中，fo t t o 的大型帐篷式屋盖 理论得以实现，开创了用计算机程序求解结构性能的先河；1 9 8 8 年汉城奥运会 g e i g e r 将f u l l e l 关于张拉整体结构的思想加以改良创造了索穹顶这一新型结 构形式并在奥运会的体操馆和击剑馆得以实现：1 9 9 2 年巴塞罗那奥运会圣乔 地奥运馆网壳采用了同本学者川口卫发明的攀达穹顶施工法该方法首先在1 9 8 2 年日本神户纪念馆网壳中得以应用；1 9 9 6 年亚特兰大奥运会，l e v y 改良了g e l g e t 的索穹项构造，使之更加美观和便于施工。；2 0 0 0 年的悉尼奥运会足球场更是 获得了“2 0 世纪1 0 0 座经典建筑”的桎冠：2 0 0 4 年雅典奥运会也为世人奉献了 数个精美绝伦的建筑精品。 历史表明，从1 9 6 0 年开始的几乎每一届奥运会及其它大型国际盛会，都会 涌现出一批设计独特的场馆，不仅为这些城市和国家赢得了美誉，也极大地推动 了现代空间钢结构建筑设计思想和建造技术的发展与演变，不少奥运场馆甚至成 为2 0 世纪的经典建筑。表卜2 列举了近l o 年来国外部分著名的空间钢结构体育 建筑及其相关工程参数。 上海大学硕士学位论文 表卜2 近年来国外部分典型空间钢结构信息一览表 建筑总造 工程名称竣工时间 屋面钢结构类型场馆概况 价 日本n a g a i 体 1 9 9 6 双层铝合金中空球3 8 亿美容纳4 7 0 0 0 人，屋面覆盖 育馆 面壳体 兀 特富龙涂层的复合膜片 法国冰凌体育悬挂中空双曲双层3 6 亿美8 万人可伸缩看台体育 场 1 9 9 7 抛物面网壳兀场，屋盖用钢1 3 万吨 英国千年体育 1 9 9 9 梭形桅杆支撑结构1 3 亿美英国首个可伸缩屋面结 场支撑主钢架兀构，重8 0 0 0 吨 悉尼奥体中心 1 9 9 9 正交拱支承球面网 6 亿澳元 m u l t i p l e x 和西门子重工 体育场壳屋盖结构安装屋面工钢结构 前、背拱及三角变高 2 2 8 亿 韩国大邱体育 2 0 0 0 截面空间管桁架组韩国目前最大的体育场 场美元 合网壳 日本s a i t a m a 2 0 0 0 圆锥面短程线空间 5 亿美元 日本最大的智能建筑，地 体育场双层网壳面、座位、吊顶均可移动 马德里a l e g r e 2 0 0 1 气承式索网膜结构、2 8 0 0 万桅杆设置垂直提升设备、 体育场屋顶可升降屋顶美元屋盖在两分钟内升起 美国密尔沃基 2 0 0 1 7 榀可转动空间拱形5 0 0 0 万转动屋面重1 2 0 0 0 吨，1 0 棒球馆架桁架美元分钟内闭合 日本札幌穹顶 2 0 0 1 正交拱型桁架网格3 2 亿美日本最现代化的体育场、 体育场承重体系 兀 具有空气悬浮草皮系统 韩国大田体育 2 0 0 1 大悬臂可展钢架 1 1 8 亿韩国首个开合屋面结构 场美元专业足球场 韩国汉城体育 2 0 0 2 1 6 根力柱支撑的拉3 5 0 0 万 h a n y a n g 、h a n j u n 、 t o n g y a n 9 3 家公司共同建 场索一网壳混合结构美元 造 伦敦温布利大 2 0 0 3 单个倾斜拱吊拉球3 1 亿英拱直径7 米、跨度3 1 5 米、 球场面网壳镑用钢量1 5 万吨 美国亚利桑那 2 0 0 6 两片分离的正交拱4 5 亿美 北美首个设有可伸缩屋 顶和可移动草皮的体育 州体育馆形钢网壳 兀 场 上海大学碗学位论女 ) 圈卜1 2 英国千年体育场 圈11 4 韩国汉城体育场 幽l1 7 韩国大邱体育场图1 1 8日本札幌穹顶体育场 上海大学硕士学位论文 图卜1 9 英国温布利大球场图卜2 0 美国亚利桑那州体育场 图卜2 1 大汾综台竞技场屋盖内景及其开合机理 1 4 点支式玻璃幕墙次结构发展历程 随着经济和技术的不断发展，人们对建筑物使用品质的要求也不断提高。追 求建筑物内外空间的流通和融合，要使工作和生活空间最大限度地与自然溶为一 体，人们自然会想到更多地利用玻璃透明的特性。 点支式玻璃幕墙的出现基于玻璃、金属材料科学和制造工艺技术的飞速发展 以及人们对玻璃幕墙通透性要求的提高。在2 0 世纪6 0 一7 0 年代，英国的玻璃生 产商皮尔金顿首先开发了建筑玻璃点式连接法( d o tp o i n tg l a z i n gf u l lg l a s s c u r t a l nw a l l ) ，那时被称为补钉式装配体系( p a t c hf i t t i n gs y s t e m ) 。其基本 构造就是在经过强化处理后的玻璃四角打孔，然后用方形的连接板前后夹住玻 璃，并以螺栓加以固定，位于玻璃后面的连接板则与金属肋连接，从而把玻璃吊 住，这样做成的幕墙，有许多明显的补丁，极大的影响了建筑物的整体美观( 图 1 2 2 ) 。 上海大学硕士学位论文 购廿 图卜2 2 旱期玻璃幕墙整体及连接件 进入7 0 年代，皮尔金顿公司进一步开发了称为第二代的安装方式，当时被 称为平式装配体系( p l a i nf i t t i n gs y s t e m ) ，它是在原有连接方式的基础上，取 消了立面上看的十分清楚的连接板，而代之以立面上看不清楚的面积极小的四个 平头螺钉，也就是先强化玻璃的四角后按照螺栓的断面形状打孔，然后用螺栓加 以固定的方法。由于玻璃和螺栓本身都是硬的材料，打孔处很容易因重力、风力、 地震力等因素引起应力集中，所以应用了厂家专利的软连接技术，即在螺栓与玻 璃孔阃隙及玻璃后面加上垫圈起缓冲作用，这样每块玻璃上所受的外力都通过垫 圈、弹簧板等构件传走。 1 9 8 6 年，法国建筑师安德良在纪念法国大革命2 0 0 周年的十大建筑物之一 拉维莱特科学馆的立面图设计中，应用了点支式( s p i d e rs y s t e m ) 玻璃技术， 为全世界的建筑师们所瞩目，被人们称之为拉维莱特体系( l a v i i l e t t e s y s t e m ) 。该体系的主要特点就是在玻璃的四角开的孔洞中安装了一个半球形的 螺栓，它可以自由转动，而且这个特制的螺栓的转动中心和玻璃的重心( 即厚度 的重心) 是一致的。这就与以往的平式体系有了根本的不同，平式体系由于玻璃 的支承构件都突出于玻璃之外，这很容易在连接处产生扭转弯矩，但拉维莱特 体系则使转动中心与玻璃重心一致而避免了这个问题，同时每四块玻璃的四个孔 洞用一个h 形或x 形的构件加以连接，在四个点上分设每块玻璃各自的回转铰， 以此来控制因风力和地震力引起的每块玻璃的位移，这样也使这种体系可以应用 上海大学硕士学位论义 于变形较大的结构骨架上( 图卜2 3 ) 。 图卜2 3 点支式玻璃幕墙示意图 1 9 9 3 年，著名建筑大师贝幸聿铭在卢浮宫改建工程地下广场的中心部位， 采用单拉互连点式技术，设计了一个金字塔形的玻璃结构，令建筑、结构、机械 技术绝妙结合，成为建筑极品，获得世人的赞赏( 图卜2 4 ) 。只有进入其中才会 消失的埃菲尔铁塔和只有进入其中方可显现的玻璃金字塔，使“过去和现在的时 代精神缩到了最小距离”，前者以强制姿态改写历史进程，而后者则隐匿地把历 史拽到现代中来。由v o l k w i n m a z g 大师设计，并于1 9 9 6 年完工的德国莱比锡展 览中心，是目前世界上最大的用点式玻璃作为围护结构的建筑物，其总面积 2 6 0 5 0 m 2 ，采用2 0 m m 厚玻璃屋顶，应用活动弹性球支座悬挂在钢管拱结构上，玻 璃屋顶的跨度n o m 。日本应用点连接式玻璃幕墙也是9 0 年代以后，东京日本长 期信用银行就是较早的一个实例，坐落在日比谷公园对面的高层建筑底座处有2 个3 0 m 高的玻璃盒子，前面的一个透明入口大厅采用点式连接法，其点式连接法 几乎完全参照法国拉维莱特体系。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国在一些大中城市和沿海开放城市，开始在公共建 筑物，如商场、宾馆、写字楼、体育馆和机场等，广泛使用了有框( 隐框、半隐 框) 玻璃幕墙，取得了较好的社会经济效益，为美化城市作出了一定贡献。进入 2 0 世纪9 0 年代，又成功地从国外引进了建筑玻璃点式连接技术，如深圳地王大 厦和上海大剧院等工程。近年来，国内这方面技术的研究和应用越来越多，如位 上海大学硕士学位论文 于香山脚下的北京植物园展览温室，通体透明的钢结构建筑犹如一片巨大的绿叶 飘落香山，交织的“根茎”支起玻璃顶棚与中心( 图卜2 5 ) 。北京植物园展览温 室于1 9 9 8 年3 月2 8 日动工兴建，2 0 0 0 年1 月1 日开始接待游人，展览温室建 筑面积9 8 0 0 平方米，占地5 5 公顷，是目前亚洲最大，世界单体温室面积晶大 的展览温室，其面积比昆明世博会温室还大一倍，堪称中国建筑史上的大手笔。 又如坐落在北京市繁华的西长安街上的北京远洋大厦，k g e 承建的北京远洋大厦 再一次向首都人民展示了点支式玻璃技术的巨大魅力，创造了国内最大面积的高 层建筑智能幕墙体系，采用了环保节能点支式玻璃幕墙和外遮阳体系，中庭上方 折板形采光顶以及其独特的照明设计，使这座现代建筑端庄典雅，建筑艺术和建 筑技术完美地结合，产生了强烈的建筑艺术效果。还有西单文化广场圆锥形采光 顶、中华世纪坛点式玻璃栏杆、上海浦东世纪大道玻璃亭、绍兴市人民广场市民 活动中心( 玻璃塔) 、厦门桥梁博物馆等工程，均极佳地采用了建筑点式玻璃技术。 现在，此技术在国内不但己被充分掌握，并且有所发展。由于自行设计、制作、 安装造价大大降低，因此，这种点式玻璃技术在我国开始走向成熟，并展示出其 广阔的应用前景。 图卜2 4 卢浮宫玻璃金字塔吲卜2 5 北京植物园展览温室 1 5 本文的研究意义和主要研究工作 上海大学硕士学位论文 1 5 1 研究意义 对于大型异型物体空间方位的高精度控制一直是一个难点，国家“十一五 中长期规划也把大型物件的检测与高精度控制作为极端制造研究方向的一个重 大课题。 1 5 2 主要研究工作 为保障玻璃幕墙的安装精度，必须对次钢结构的安装精度进行控制。次钢结 构安装在钢结构主钢结构上，所以首先要研究钢结构主钢结构的形位状况，对主 钢结构进行测量获得实际空间参数，测量过程采用数字化测量方法及激光测量设 备，研究了激光跟踪测量的基本原理和测量精度的保障方法，提出了大型物件的 精度控制方法，在完成空间钢结构实际测量的基础上，根据测量数据对空间钢结 构进行了逆向设计，利用有限元分析工具分析钢结构施工阶段温度对结构变形的 影响情况，并根据有限元分析结果得出钢结构修正模型，以修正数据为依据，指 导完成次结构的安装，达到精度控制的目的。论文的主要研究工作可概括为以下 几部分： ( 1 ) 空间钢结构的概况研究 通过查阅资料、现场考察和参与项目的建设，了解钢结构的结构原理和国内 外的应用现状，以及钢结构的发展趋势，次结构玻璃幕墙的发展情况，精度控制 方法在施工过程中的作用。 ( 2 ) 针对项目实施的大型物件测量仪器的研究 分析大型物件测量设备的原理及各自的特点，通过对激光跟踪仪测量原理及 误差影响因素的研究和分析，提出了在实际测量工作中激光跟踪仪的工艺方法。 ( 3 ) 上海国际航运中心钢结构的实际测量 研究上海国际航运中心钢结构的总体布局，通过模拟实验，提出合理可行的 测量方案；通过实际测量，完成了对主钢结构数据的获取、分析。 ( 4 ) 对航运中心钢结构主钢结构进行逆向设计 上海大学硕士学位论文 用逆向设计方法，对实际测量数据进行分析，并通过拼凑、平移、拟合等方 法对钢结构进行了逆向设计，得出钢结构的实际建造情况模型。 ( 5 ) 外界因素影响钢结构变形的有限元分析 由于测量与次钢结构安装存在较大季节时间差，温度对钢结构的变形影响不 容忽视。利用结构分析软件s a p 2 0 0 0 ，通过建立三维线框模型，分析钢结构在温 度变化时的线性膨胀情况。根据分析结果，得出实际模型由于温度变化而引起结 构变形的修正模型，进一步获得更准确的数据。 ( 6 ) 课题工作的总结及展望 总结全文的主要研究成果与结论，并展望今后的研究方向，提出建议与展望。 经过实际测量与误差估算，得出钢结构的优化模型，指导生产的顺利进行；对大 型钢结构及大型物件在制造过程的精度控制方法进行分析，得出一些有实际意义 的结论，并对大型物件精度控制方法进行展望。 1 6 本章小结 本章的基本要点为：概括了本课题研究的学术构想与思路以及其研究意义； 分析了大型钢结构的研究背景、发展趋势以及次钢结构上安装玻璃幕墙的发展概 况；明确了本文的主要研究内容和目标。 1 4 上海大学硕士学位论文 第二章客运中心钢结构精度控制工程分析 2 1 客运中心简介 上海港国际客运中心是2 0 0 6 年度上海市政府第四号重点工程，是北外滩地 区构建航运服务集聚区的标志性建筑，是上海打造国际航运中心的重要基础设 施。位于黄浦江金三角的= l # i - 滩地区，北靠东大名路，西接虹口港，东邻高阳路， 南临黄浦江；对岸是气势恢弘的陆家嘴金融贸易区。基地规划沿江长度达8 5 0 米， 占地面积约1 3 万5 0 0 平方米，总建筑面积4 0 余万平方米。整个工程由6 0 米宽 的中央绿化带将场地分为东、西区两大块。西区由客运综合大楼和国际港务大楼 两部分组成，其中客运综合大楼为地下3 层，地面上为7 千平方米的中央公园， 悬于公园上方1 0 米高的为三维不对称曲面玻璃球体的多功能观光候客楼：国际 港务大楼为地下3 层、地上2 7 层的综合办公楼。建成后的上海港国际客运中心 旅客进出将主要转至地下，而地面则为现代化的绿地公园所“覆盖”，视野开阔， 犹如镶嵌在浦江北外滩上一枚耀眼的翡翠，连接着世界上的各条海上客运航路。 目前码头建设己基本完成，具备靠泊邮轮的功能，客运综合楼已在2 0 0 7 年底建 成，配套工程将在2 0 0 8 年初完工，国际客运中心建成后，年旅客吞吐量可达l o o 万人次。客运站造型十分奇特，似蛋非蛋、似球非球，酷似一滴水的形状，业内 称之为“双体薄壳非标球体”。如图2l 、22 所示为建设中的主钢结构示意。 图2 一i客运中心总体结构图图2 2 客运中心俯瞰图 上海大学硕士学位论文 2 2 钢结构精度控制内容分析 整个异型钢结构空间几何尺寸为8 0 3 0 1 7 m ，由于需要装玻璃幕墙，且整 个客运站的制造工艺采用钢结构预加工和现场直接装配的方法进行，所以要保证 玻璃安装精度，必须控制次钢结构的精度。按照施工要求次钢结构玻璃幕墙安装 结点精度控制在2 m m 以内，才能保证玻璃幕墙顺利平滑安装。通过测量的方法和 相应的分析可达精度控制目的，测量内容就是对钢结构上的1 0 2 4 个结点进行高 精确定位，得出结点实际空间位置，并对实测数据进行预变形估算，这个过程包 括钢结构由于温度变化引起的结构线性膨胀变形等，以便在这一千多个结点上对 次结构中玻璃安装尺寸及角度进行相应的设计补偿，保证在误差范围内安装玻璃 次结构支架、在次结构上准确安装玻璃幕墙。论文主要工作内容框图如下2 3 所 示，主钢结构上的次结构与整体次结构分布如图所示2 - 4 、2 - 5 所示： 图2 - 3 论文主要工作框图 1 6 海大学目位论z 图2 - 4 次结构宜装结构图 图2 - 5 披结捣结点分布图 2 3 精度控制特点及难点分析 由22 节论文的主要工作内容框图不难看出，主要工作包括钢结构实际测量 海大学顿e 位论文 和测量结果的误差估算两大部分，下面从这两部分分析项目的特点及难点。 测量特点主要包括以下几方面： ( i ) 三维数字测量 根据设计要求的三维点数据，在实际测量过程中采集点的三维数据，不仅涉 厦到三维位置的获取同时安装次结构也涉及到部分三维空间姿态的分析。测量 是基于三维的数字测量，如图2 - 6 所示： 幽2 - 0 三维数字测量示意图 ( 2 ) 测量数据量巨大 整个测量过程涉及到1 0 2 4 个结点，一千多点的数据都要统一在同坐标系 下，然而在实际狈惺的过程中，由于测量点的分布、方位及工地现场实际情况， 数据的获取并不能在一次测量方位下获得，要经过多次不同位置或多种方法辅助 进行测量。多个坐标系下的测量结果统一在一个坐标系下，就涉及到多次的坐标 转换，要保证高精度需要充分地做好t f i 应的工艺准备，把需要考虑情况做细，若 有一次测量疏忽，将影响到最终的测量结果和工作进度。 ( 3 ) 测量现场环境差 整个测量过程将采用激光测量设备，并在室外高空进行然而高精密测量仪 器对环境的要求又是比较高，必须对温度、振动等可能影响测量结果的因素进行 标定和补偿：另一方面对于数据的采集也足一个很大的问题因为光足沿直线传 播的，所以每个被测数据必须考虑到激光能直线射到的位置对于不能直射的位 t 海 顾学位论文 置，要采取特殊方法引出再补偿或进行高空作业调整测量角度的方法获得。测量 现场如图27 所示： 图27 钢结构测量现场 ( 4 ) 测量精度要求高 对于整个几何尺寸为8 0 x3 0 x 17 m 这么大三维空间的结构，保证每个理论主 钢结构结点控制精度在2 0 n a 以内，才能使次结构玻璃幕墙安装结点精度控制在 2 m m 以内，对于两毫米的控制要求，按照仪器精度为控制精度的十分之一计算， 至少仪器控制精度为o2 m m ，才能保证要求，这对于测量仪器的测量精度要求是 非常高的又是在室外作业的情况下获得数捌，这是很有难度的。 ( 5 ) 进度要求高 为了保证测量现场的稳定性，测量过程中整个钢结构的施工都要停止，因工 期比较紧，此外加之仪器在一次环境补偿情况下，若测量时间拖得太久，势必温 度环境等会有所变化，易使测量仪器产生系统误差，所以测量计划在一周的时间 内将一千多个数据全部准确地采集下来。 根据上述分析的测量特点不难得出测量难点主要包括以下方面： ( 1 ) 测量数据庞大，并需要将多次测量统一在一个坐标系下： ( 2 ) 多次转站测量的精度保证，必须进行前期的实验多次进行模拟标定，保证在 上海大学硕士学位论文 坐标转换的过程中，坐标转换精度达到测量要求； ( 3 ) 数据处理和评价的方法也是其难点，数据处理过程中，不同的算法会产生不 同的结果，为保证测量的准确性，必须对数据进行最佳的拟合处理，分析处 理结果的差异，得出最佳处理结果。 对于误差估算部分，主要包括钢结构逆向建模和温度变形分析两部分。逆向 建模过程中，涉及到逆向建模的方法和偏置、平移、拼接等技术，预计主要难点 集中在测量点的偏置处理、管径大小的衔接和整体布尔运算方面；变形分析涉及 到分析工具的选择、工况条件的定义、算法的选择、数据的处理等问题，主要预 计难点包括：整体结构边界条件的定义、处理算法的选择、修正数据的评估方面。 2 4 本章小结 对客运中心基本情况进行了阐述，对次钢结构玻璃幕墙的精度控制目标及控 制方法和思路进行了明确，分析了精度控制的特点及预计难点。 2 0 上海大学硕士学位论文 第三章钢结构三维测量系统的研究 要对钢结构进行高精度测量，首先要研究三维测量仪器。对三维测量系统的 研究背景及发展趋势进行了解，对测量仪器的各方面性能、原理及测量精度有充 分的把握，对测量方法、测量工艺和精度保证的方法进行深入的研究。 3 1 三维测量系统的研究背景及发展趋势 三维测量是在制造业和机械安装检测行业中对结构和物件进行精密的三维 坐标测量。三维测量系统则是利用各种测量仪器包括电子经纬仪、全站仪、激光 跟踪仪、扫描仪、专业相机等组合，在计算机的操控下，完成物件的实时三维坐 标测量，并进行数据处理，得出测量结果和报表的系统。目前，在制造业得到世 界范围广泛应用的通用坐标精密测量代表设备一三坐标测量机已经成为3 d 检测 工业标准设备。但受到直线型导轨运动的限制，一般只能用于专用的测量环境， 不能应用于制造现场，而且传统三坐标测量机( c m m ) 的测量范围有限。为了适应 制造业技术发展的需要，近年来出现了不同类型的现场坐标精密测量技术及设 备。 经纬仪工业测量系统以空间交会三角测量原理为基础，采用多个经纬仪组 合，结合精密定向技术，当前电子经纬仪的测角精度已达0 5 ”，理论上可以实 现优于l o gm m 的测长精度。经纬仪系统有很好的便携性，可以在工业现场组建， 但存在测量效率低、需人工瞄准，工作强度大、测量精度随测量距离增加而下降 等局限性，不适合大工作量的现场测量n 引。美国k + e 厂制造的a i m s r t ，即解析 工业测量系统，该系统己成功地用于欧洲宇航局( e s a ) 在无尘空调车间内 5 x 5 x 5 m 的宇航仪表作声振试验的三维测量，其精度达0 0 5 m m 要求。瑞士制造 的s p a c e ，即全自动工业测量系统，该系统自动化程度高，在经纬仪的制动、微 动螺旋、望远镜调焦等部件均是自动部件，望远镜内装有一个影像采集的微型 c c d 摄影机，能进行数字图像处理，该系统每小时可测5 0 0 点三维坐标，点位精 上海大学硕士学位论文 度小于0 1 m m u 引。 全站仪极坐标测量系统是以一台高精度的全站仪构成的极坐标测量系统，系 统是基于极坐标法的原理。极坐标法坐标测量系统的仪器设站非常方便和灵活， 测程较远，实际上在1 0 0 m 范围内的精度可达到0 5 m m 左右，因此特别适用于 钢架结构测量和造船工业等中等精度要求的情况。目前，全站仪有多种不同型号， 分别具有各种不同的功能，马达驱动式的全站仪测角精度高，且具有自动目标识 别功能，自动化和智能化性能都很高，在极坐标测量系统中被广泛应用，现在应 用最为广泛是t c a t c 系列马达驱动式全站仪。这种自动极坐标测量系统非常适 用于变形监测。由多台t c a l 8 0 0 构成的自动极坐标测量系统己经应用于香港地铁 的变形监测中，从而实现不间断的自功化测量，节省了人力，提高了工作效率啪1 。 近景数字摄影视觉测量采用类似于经纬仪系统的空间交会三角测量模型，所 不同的是，它采用高性能数字成像器件作为传感元件，结合图像处理及模式识别 技术实现对目标物体的自动识别、瞄准和角度测量，测量过程自动化，消除测量 过程中的人为误差，有效提高了测量精度，施测周期短，测量效率大大提高。在 我国的近景数字摄影视觉测量系统一般精度较低，但也较多地得到应用并取得显 著成效。如北京市测绘设计研究院用于测绘大型飞机外型；建设部综勘院用于香 港宝莲寺天坛大佛建造工程；武汉测绘科技大学用于葛洲坝船闸变形监测、龙口 及上下游水面流速动态测量；武钢“4 号高炉 煤气管道变形监测等险1 、2 羽。 激光跟踪测量系统是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器，具有高 精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸物件 配装测量。激光跟踪测量系统是建立在激光干涉长度测量和角度精密测量基础上 的极坐标测量系统，具有快速、动态、精度高等优点，在航空航天、机械制造、 核工业等测量领域得到广泛地应用，瑞士l e i c a 公司、美国a p i 公司以及美国 f a r o 公司都先后推出了各具特点的激光跟踪仪。通过每秒几千点的采点速率， 跟踪仪对内部安装有棱镜反射镜的跟踪球进行精确的实时跟踪。跟踪球移动时， 跟踪仪镜头会自动跟踪反射镜球心位置。激光跟踪仪是基于空间极坐标测量原 理，给定点的坐标由跟踪头输出的两个角度，即水平角h 和垂直角v ，以及反射 上海大学硕士学位论文 镜到跟踪头的距离s 计算出来的。在大型物件生产过程中，激光跟踪测量系统可 以快速和非常精确地检验每一个成品物件的尺寸是否与设计尺寸完全一致，而且 它还能够迅速地将一个零部件或物理模型转变为数字化文件。这种文件可以用各 种方法处理并同其他文件进行比较，从而得出测量结果。 传统的对大型构件的测量方法主要是通过经纬仪人工测量，这种测量方式受 到操作人员技术水平的限制，并且具有费时费力、精度差等缺点。被称为“测量 中心”的三坐标测量机由于具有测量范围小，不能到现场测量，对环境要求高等 缺点，使其应用领域受到限制。新兴的激光跟踪测量系统以其操作方便、体积小、 方便携带、测量范围大、对环境要求不高等优点填补了三坐标测量系统和传统的 对大尺寸测量的不足，使其逐渐被越来越多的行业认可和应用。 在本课题的研究过程中，由于钢结构精度要求特别高，且测量点都在钢结构 外部，应用传统的测量测量方法和测量仪器难以保证测量精度。为保证测量精度， 无疑采用激光跟踪测量设备配合相应附件进行测量是最佳选择。 为适用上海国际客运中心钢结构测量课题的需要，上海大学与上海建工集团 分别配备了l t d 8 4 0 激光跟踪测量仪和t d m 5 0 0 5 全站仪测量系统以及相应软件和 附件。为更好的将上述仪器应用于钢结构测量课题中，下面介绍仪器的性能、工 作条件、测量精度使用方法。本章中着重对激光跟踪测量系统进行详细研究。 3 2l t d 8 4 0 激光测量测量系统的组成及测量原理 l t d 8 4 0 激光跟踪测量系统是瑞士莱卡公司生产的高精度工业测量仪器，它 具有测量精度高、实时快速、动态测量、便于移动等优点。在航空航天、汽车制 造、电子工业、船舶制造、以及大尺寸计量等行业中，均有广泛应用。 3 2 1l t d 8 4 0 激光跟踪测量系统的系统组成 l t d 8 4 0 激光跟踪测量系统由激光跟踪仪、用户计算机及相关附件组成。图 3 - 1 为跟踪仪、控制器及其相关附件的外观，图3 - 2 为跟踪仪的机构原理图。 ( 1 ) 激光跟踪仪 二海大学碗j j 学位论文 激光跟踪仪是激光跟踪删量系统的主要组成部分，其主要作用是提供各种测 量数据并进行各项系统误差改正。它可以分为五个部分： 控制嚣 耐 7 鼠蓐机 k 7 璺 一 图3 - 1l t i ) 8 4 0 的硬件组成图 射 种 于动态跟踪与定位 器：高速高精度跟踪 的高精度激光干涉仪 图3 - 2l t d 8 4 0 的结构原理图 a 角度测量部分，包括水平度盘，垂直度盘，步进马达及读数系统，类似 于具有自动识别功能全站仪的角度测量装置。水平及垂直度盘均为光栅增量式测 醵船 铲p罅 一 ； 上海大学硕士学位论文 角码盘，细分刻划数为1 8 0 0 0 条，其测角标称精度优于0 1 4 ，测角采样频率 高达3 0 0 0 次秒，测量静态目标时，多次测量取平均值可以消除大气波动的影响。 b 距离测量部分，包括干涉法距离测量装置( i f m ) 、鸟巢( b i r d b a t h ) 、绝对 距离测量装置( a d m ) 和反射器。干涉测距是利用光学干涉法原理，通过测量干涉 条纹的变化来测量距离的变化量，所以激光跟踪仪的干涉法距离测量( i f m ) 只能 测量相对距离，如需要测量跟踪头的中心到空间点的绝对距离，必须给出一个基 准距离。传感器单元上有一个固定点叫做鸟巢，跟踪头的中心到