与传统的钢筋混凝土结构相比, 钢结构具有强度高、自重小、施工周期短和可工厂化制作等优点。因此, 钢结构也越来越多地应用于超高层、机场、展览馆、住宅、学校、医院、桥梁等项目。一般分段制造的大跨度柱、梁、桁架、支撑等钢构件和多层钢框架结构, 特别是采用高强度螺栓连接的大型钢结构、分块制造和供货的钢壳体结构等, 会在出厂前进行整体或分段分层预拼装。预拼装是控制质量、保证构件在现场顺利安装的有效措施。

目前大部分钢结构制造厂仍采用实体预拼装技术, 但近年来, 随着建筑形式的多样化, 钢结构形式和节点越来越复杂, 复杂空间桁架、弯扭构件、多分枝节点、多腔体巨柱等采用实体预拼装技术会产生占用场地大、人工和设备投入多、措施投入量大、测量精度不高等问题, 随着计算机和信息技术的发展和应用, 复杂空间结构和节点可以实现模拟预拼装, 提高预拼装效率和精度, 并节省大量人工、材料及工期成本。

实体预拼装技术, 即根据绘制好的地样线, 结合构件实际结构情况, 进行预拼装胎架搭设。胎架搭设完毕后, 按一定顺序在胎架上相应放置实际构件。构件放置完毕后, 对应地样线进行整体调整, 通过检测各控制点的尺寸偏差及各对应端口间的错边与间隙情况, 掌握构件制作精度。通过连接板及安装螺栓的预拼装检查螺栓孔精度, 保证现场构件顺利安装。

实体预拼装方法通常有整体预拼装法和累积连续预拼装法等。

1) 整体预拼装法 (见图1) 将需进行预拼装范围的全部构件, 按深化图纸所示的平面 (空间) 位置, 在工厂借助拼装胎架进行整体拼装, 所有连接部位的焊缝均采用临时工装连接板给予固定。

2) 累积连续预拼装法 (见图2) 如果预拼装范围较大, 拼装场地有限, 可将预拼装范围划分为若干个拼装单元, 各单元内的构件可分别进行预拼装, 位于相邻两单元间的构件应分别参与2个单元的预拼装。

目前, 模拟预拼装技术主要应用大跨度空间桁架、超高层多腔体巨柱、复杂多分枝节点及空间弯扭构件等。模拟预拼装主要包括全站仪和三维激光扫描仪等测量技术。

在BIM模型 (深化设计模型) 中指定预拼装构件, 并选取预拼装构件的关键测控点, 测控点的选择可通过深化设计软件二次开发实现自动选择, 一般选择构件端部现场对接接口和螺栓孔位置, 软件可根据深化设计模型零件属性进行自动判别。预拼装构件测控点选取完毕后, 在模型中可直观显示每个点位置, 如图3所示。

测控点确定后, 在软件中自动输出理论测量点图纸, 供测量员对照查看, 然后进行构件实测。

构件实测前, 需预先确定全站仪站位, 如何以最少的站位完成构件测量, 并减少累积误差, 是确定全站仪站位的关键因素。文献[1]中提出基于遗传算法的全站仪智能站位算法, 为现场实测全站仪站位提供有效的参考依据。

实测完成后, 将实测坐标数据输入软件, 将各构件局部坐标转换为整体坐标, 与理论模型构件坐标进行对比, 软件可输出图表误差分析报告。同时, 还可将各构件依次输入软件, 与预拼装整体单元进行对比分析。本文采用EOPA (extended orthogonal procrustes analysis, 改进的正交普氏) 进行误差分析, 文献[1,3]对EOPA均有详细解释, 此处不再赘述。

三维激光扫描仪测量模拟预拼装技术的基本原理是通过三维激光扫描仪对实体构件扫描形成点云模型, 通过相关软件进行拼接、拟合、降噪等处理, 形成构件数字模型, 结合设计模型, 通过相关软件协作, 最终在计算机中完成预拼装。

三维激光扫描仪测量模拟预拼装主要分为2部分:外业扫描和数据处理。

1) 外业扫描主要是通过仪器对实体构件扫描获取点云模型 (见图4) , 扫描构件前需确定仪器设站方案及标靶位置, 设站距离一般控制在15m以内, 每站相同标靶≥3个, 标靶应设置在仪器站位均可看见的地方。做好扫描前的各项准备后, 开始对构件进行粗扫, 然后对构件进行精扫, 确定测控点的具体坐标。

2) 数据处理主要是对构件的点云模型进行降噪、拼接、拟合等处理。如预拼装整榀桁架, 则需将各单根构件点云模型拼接处理, 即将各单根构件点云模型进行坐标转换导入软件内组合拼接, 形成整榀桁架的点云模型 (见图5) , 然后与理论模型进行对比, 即可分析整体预拼装误差。

整体预拼装以深圳国际会展中心 (一期) 项目为例进行简述。深圳国际会展中心 (一期) 项目2万m²标准展厅首榀屋面桁架采用整体预拼装法, 屋面桁架为倒三角管桁架, 下弦杆截面主要为800×25, 上弦杆截面主要为600×22, 跨度为99m, 宽度为7.0m (见图6) , 最大高度为7.0m, 总重约为170t, 桁架两端与框架柱连接。

屋面桁架整体预拼装主要步骤如下。

1) 首先放地样, 依据预拼装图纸在地面上按1∶1画出杆件中心线、分段企口线, 并标记出各关键控制点的地面投影位置。

2) 依据胎架图纸布置专用胎架, 胎架必须有足够的刚度和强度。

3) 根据屋面桁架预拼装图纸对桁架各单元杆件进行预拼装, 控制关键点坐标, 预拼装采用侧卧方式。

4) 桁架各单元杆件需经检验合格后, 方可进入预拼装工序。杆件安装顺序为先弦杆后腹杆, 腹杆安装应从中间向两端对称进行。弦杆安装应重点控制其弧线形精度和圆管对接口精度, 腹杆安装应注意贯口方向, 多管相贯时应注意安装顺序, 后贯的腹杆后安装。

5) 所有杆件安装后需及时进行定位焊接。弦杆对接采用临时码板定位焊固定, 腹杆与弦杆间采用4点定位焊, 定位焊长度20～40mm。

6) 预拼装完成后 (见图7) , 采用地样结合吊线锤、全站仪等方法检验连接节点位置偏差和整体尺寸偏差等。

累积连续预拼装以“苏州体育中心体育场”进行简述。苏州体育中心体育场屋盖压环梁采用累积连续预拼装法 (见图8) , 屋盖压环梁截面规格为1 500×60, 单根长度为19～20m, 单根质量在30～42t, 屋盖压环梁在胎架上累积循环拼装, 按5榀一轮次进行拼装, 拼装总长度达101m, 最大宽度约14m, 预拼装的具体步骤如下。

1) 预拼装前, 首先利用H型钢在地面上搭设拼装胎架, 胎架用全站仪进行测量, 保证所有点的水平度在±1mm范围, 相邻胎架的间距按胎架布置图进行设置。

2) 进行插板组焊, 法兰盘贴合, 并利用螺栓及码板固定;组装插板, 双坡清根对称焊接, 平角焊位置采用气体保护焊, 焊接应依照焊接工艺规程进行;压环梁两端斜口段上胎架, 法兰定位, 法兰8个方向利用M38×260螺栓固定, 并在另8个方向用利码板焊接固定, 如图9所示。

3) 预拼装顺序 压环梁1中间段上胎架根据胎架坐标定位, 注意钢管纵缝位置与图纸吻合;压环梁1与节点B, C装配, 放地样定位。复核法兰、管口各位置坐标, 压环梁2, 3上胎架定位, 节点A, D上胎架定位, 压环梁4, 5上胎架定位, 节点E, F上胎架定位。

4) 预拼装完成后, 采用地样结合吊线锤、全站仪等方法检验连接节点位置偏差和整体尺寸偏差等。

5) 检验合格后, 除节点F外其余构件均下胎架。并将节点F移位至节点E处, 开始下一段压环梁预拼装, 依次累积连续完成压环梁的预拼装工作。

模拟预拼装技术以沈阳宝能环球金融中心项目为例进行简述, 包括基于全站仪和三维激光扫描仪测量的模拟预拼装技术。

沈阳宝能环球金融中心项目外框7～9层桁架主要由环带桁架和角部桁架组成 (见图10) , 桁架杆件截面形式主要为H形和箱形构件, 最大截面为H1 000×800×100×100和□600×500×30×30, 材质主要为Q345GJC和Q390GJC 2种, 选取其中1榀环带桁架进行模拟预拼装。

根据已建立的深化设计模型, 利用专用软件确定测控点、站位点, 然后对环带桁架的部分构件进行测量, 将测量数据导入BIM模型进行对比分析。结果表明, 全站仪可较好地模拟实际构件的预拼装情况, 测控点误差均在允许范围内。

在全站仪测量构件的同时, 使用三维激光扫描仪对环带桁架的部分构件扫描, 生成点云模型, 并进行降噪处理, 将数据导入BIM模型, 与设计模型进行拟合分析。结果表明, 三维激光扫描仪可很好地模拟实际构件的预拼装情况, 测控点误差均在允许范围内。

本文对钢结构实体预拼装和模拟预拼装技术进行介绍, 对于常规构件的预拼装建议采用传统的人工测量方式, 较复杂构件的预拼装可采用全站仪测量技术, 复杂空间构件预拼装建议采用三维激光扫描仪进行测量。

模拟预拼装技术中, 应用三维激光扫描仪并结合BIM技术, 可自动生成预拼装数字模型, 在计算机中与理论模型进行拟合分析, 软件自动进行误差分析。模拟预拼装技术与实体预拼装技术相比, 具有较大优势, 尤其是在复杂空间钢结构预拼装方面, 采用模拟预拼装技术可节省大量人工、措施及设备投入, 且不占用预拼装场地, 对提高钢结构预拼装质量、效率起到积极作用。