某卫星发射中心某工位适应性改造工程的钢结构改造过程中, 需对原塔架主体结构进行加宽和加高。加宽和加高部分作为新的钢结构构件需要与原塔架旧的钢结构构件焊接连接。为确保塔架结构的稳定性和安装精度, 必须保证新的钢结构构件尺寸准确。然而按照图纸绘制的理想状态进行新构件尺寸确定不可取, 原因是原塔架自2006年建成, 经历多次发射以及基础的不均匀沉降、回转平台的荷载等诸多因素影响, 塔架主体结构发生一定程度形变。原塔体结构已非图纸绘制的理想状态, 如按照图纸绘制的构件尺寸进行加工制作, 难以保证塔架安装精度;如果形变偏差过大, 会出现构件无法正常安装的情况, 影响施工质量。为此, 必须在考虑原塔体结构空间位移量的情况下, 按照图纸绘制的新结构位置和精度, 对新构件的尺寸进行修正。本文结合某卫星发射中心某工位适应性改造工程中的高层钢结构发射塔架加固工程, 以塔架各节点位移量为研究对象, 采用常规的全站仪测量和目前应用广泛的地面三维激光扫描测量, 进行测量方法的探究和对比, 进而更加快捷、准确地计算和确定新构件的修正尺寸。

某卫星发射中心某工位适应性改造工程高层钢结构塔架改造部分, 是要对原塔架钢结构主体东西向对称扩建原塔架正面长度的1/5, 北向扩建塔架南北向长度的1/4;塔体顶层增加1层;塔顶吊车底标高增加9m。增加的钢结构构件全部与原塔架结构焊接连接。增加的钢结构总重为原塔架钢结构质量的38%。为确保塔架安装精度, 需要对原塔架变形量进行测量, 修正图纸设计的新增构件尺寸, 加工制作出满足安装精度要求的钢结构构件。改造前后塔架主体结构如图1所示。

对塔架进行变形测量前先要在现场布置变形观测点^[1]。

基准点同大地测量点比较, 应具有更高的稳定性, 要求建立在变形区以外的稳定地区。在本工程中以火箭发射中心点作为塔架变形观测的基准点。发射中心点位置如图2所示。

工作点同基准点一样, 应埋设在稳定地区, 在观测期间稳定不变, 作为测定变形点时高程和坐标的传递点。以发射中心点作为基准, 采用全站仪对原塔架?轴、?轴、 (1) 轴、 (6) 轴延长线上进行取点, 并埋设标识作为固定点位。工作点布置如图3所示。

变形点应直接埋设在要测定的变形体上, 点位应设在能反映变形体变形特征部位。在对塔架变形测量中, 考虑到塔架主立柱和主横梁连接节点处是受力的交汇点, 产生形变的可能性大, 将变形点设置在塔架各层主立柱和主横梁连接的节点处。钢柱、钢梁在工厂生产中, 都在构件表面进行了轴线标记, 也便于找点确定。变形点位置如图4所示。

在对塔架垂直位移进行测量中, 采用高精度光电测量仪器即全站仪和水准尺, 以设置好的水准基点作为基准^[2], 塔架首层以主立柱柱脚轴线点作为变形点进行观察, 并以水准基点为基准按照图纸设计层高, 在塔架各层主立柱上标注设计标准层高标高, 作为各层进行垂直位移测量基准。逐层对塔架4根立柱与4根主梁交汇处的变形点进行测量并做好记录。

塔架的倾斜测量采用纵横距法^[3], 即在对塔架倾斜测量中, 先以火箭发射中心点为基准, 确定出塔架纵横方向的主立柱轴线和中心线以及轴线交汇点。用全站仪测量出4个轴线交汇点坐标。A01, A02, A03, A04分别为4个轴线交汇点代号, (X₀₁, Y₀₁) , (X₀₂, Y₀₂) , (X₀₃, Y₀₃) , (X₀₄, Y₀₄) 分别为4个交汇点的二维坐标, 交汇点及变形点如图5所示。当采用全站仪对塔架某层变形观测点Ahi进行测量得出其坐标为 (X_hi, Y_hi) , 将该坐标与对应的轴线交汇点坐标同时投影到一个水平坐标系 (见图6) 内进行变形量计算, 见下列公式。

Ahi为变形观测点编号;X_hi, Y_hi为变形观测点坐标;Δx, Δy为纵、横坐标增量;H为塔架某变形观测点高度。计算:

按照以上测量和计算步骤, 计算出各节点的变形量, 按照变形量重新对原塔架结构图进行绘制。按照设计位置绘制新增钢结构构件, 对与原塔架连接的新构件按照测量出的偏移量在三维坐标中进行长度计算, 从而确定出每根新增构件的实际修正尺寸。

1) 在测量准备工作中, 需要对原塔架钢结构主梁连接处进行基层清理、精确测量等, 从而确定变形点。而塔架共有13层, 每层4个主立柱与主横梁交汇点需精准确定的变形点数量大、操作过程难。

2) 在测量过程中, 测量棱镜需要准确放置在每个变形点上, 方可保证测量精度。为确保全站仪能够通视, 变形点均需设置在塔架外侧的立柱外表面上, 在测量过程中需要借助脚手架作为操作平台, 需要搭设的脚手架数量多达52个, 工作量大, 且全部为高空作业, 危险性大。

3) 在计算变形点偏移量和新增构件尺寸过程中, 计算量大, 特别是新增构件尺寸的计算需要建立三维坐标进行点和线的推算, 除计算量大外, 由于坐标变换频繁, 容易造成计算误差, 影响计算结果。

利用奥地利Riegl VZ-400扫描仪对某发射塔架进行三维激光扫描测量, 获得塔架点云数据, 并用自带的Riscan Pro处理点云数据, 导入Geomagic studio中重建目标塔架的三维模型。

三维激光扫描仪的工作原理是通过仪器自带装置测定1个距离 (距离观测值S) 、2个角度 (横向观测角α, 垂直观测角θ) 来确定目标点的三维空间坐标, 测量原理如图7所示。三维激光扫描仪在扫描目标区域表面每个目标点的空间坐标时, 获得的是一群点的集合, 称为“点云”。“点云”数据能够真实地反映目标测量物的空间位置 (变形量) 和色彩^[4]。扫描仪工作状态如图8所示。

通过在现场布设控制点和靶标, 对塔架进行扫描以采集数据。“点云”数据采集完成后, 对采集的数据利用仪器自带的Riscan Pro软件进行预处理^[5]。

将预处理后的“点云”数据转换格式导入Geomagic studio内进行孤点过滤, 然后进行精确的建模和纹理贴图^[6], 得到塔架实际位置状况的模型。在此基础上, 按照图纸设计的新增加钢结构轴线位置, 在塔架实际位置模型基础上进行新结构建模。建模完成后, 新增构件的几何尺寸可以直接从模型中提取, 工厂生产的构件按照提取的模型尺寸加工制作。塔架新旧构件连接模型如图9所示。

1) 地面三维激光扫描仪进行塔架变形测量的非接触性, 大大缩减了传统变形测量方法中变形点设置过程中的大量人力工作和高空作业, 大幅度减轻了工作量, 降低了测量过程中的安全风险。

2) 地面三维激光扫描仪测量的高精度性, 直接获取塔架各点位的位置信息, 降低了传统测量方法在测量过程中仪器和人为误差, 确保了测量的准确性。

3) 地面三维激光扫描仪测量配套的建模软件直接对塔架和新增构件进行建模, 从模型中直接提取各点位的位置坐标和各构件的外形尺寸, 大大缩减了传统变形测量中复杂而繁琐的三维坐标计算和空间尺寸计算, 方便了设计和构件的加工制作。

通过对塔架各变形点进行全站仪测量和对塔架整体进行三维激光扫描仪测量, 并对变形点的三维激光扫描数据进行提取 (见表1) , 可以看到2种测量方法在数据误差上最大值为:Δx=0.014 4m, Δy=0.018 3m, Δz=-0.008 9m, 最小为0.000 1m。从原理上来说, 三维激光扫描仪的单点测量精度和高精度全站仪单点测量精度应该相当。但是在该改造工程中, 由于进行全站仪测量的过程需要进行高空作业甚至是吊篮作业, 操作位置极其不利, 造成操作误差偏大, 大大影响了全站仪的测量精度。

通过对变形点测量的数据进行分析比较, 可见采用全站仪测量的变形点位置数据相对于采用三维激光扫描测量的数据, 存在较大波动性, 三维激光扫描测量的数据更符合钢结构柱变形数据的线性分布特征。由此可见, 在进行操作困难的测量中, 采用非接触式的测量方法 (三维激光扫描) 可以大大规避由于环境和作业条件影响造成的测量质量风险, 确保测量精度。而且三维激光扫描的优势不仅在于其单点定位精度高, 还可以对扫描的目标区域进行重采样的实景重现, 通过其多点测量模型化的方式显著提高数据精度, 使模型化的数据远远高于其单点定位的精度。按照三维激光扫描仪测量的塔架变形数据对钢结构构件尺寸进行修正后, 工厂加工制作出的钢结构构件在安装过程中, 各节点连接顺利, 单点安装误差控制在±1.3mm, 新增加的6根主立柱安装后的垂直度误差<1.7mm, 钢构件尺寸精度和安装精度均满足要求。

在对某卫星发射中心某工位钢结构塔架各节点变形量测量确定过程中, 通过采用全站仪和地面三维激光扫描仪2种不同的仪器和方法进行原理和方法的分析比较, 可见当前在塔架和其他类似建筑物变形测量中, 采用地面三维激光扫描仪进行测量, 精度和效率高、风险小, 值得广泛推广和应用。本文旨在通过阐述塔架采用全站仪和地面三维激光扫描仪测量的原理、方法, 提供处理此类问题的思路和手段, 为类似工程问题提供一种技术解决方案。