钢结构安装三维坐标测量技术研究

陆涯 于灏 王绪 范继可 吕江林 刘攀

中国建筑第八工程局钢结构工程公司 广东东莞 518000

摘要：随着装配式建筑的广泛应用，钢结构建筑就是其中的一种代表结构形式，经过多方面推广应用结构型式也逐渐多样化，空间结构尤为突出。空间结构安装精度要求极高，且控制难度大，常规的测量控制方法难以适用。本文主要研究钢结构大跨度空间结构安装测量技术的应用。为研究钢结构大跨度空间结构安装精度，分别抽取桁架、斜柱、铸钢件节点三种构件为例进行研究。高精度测量技术主要运用三维坐标定位测量控制技术。

关键词：三维坐标；大跨度空间结构； 桁架； 斜柱；铸钢件

引 言

钢结构大跨度空间桁架安装测量技术，测量技术的应用在建筑工程中是必不可少的，在各个领域都有其重要的作用。在钢结构工程中，测量更是结构安装、精度控制中的至关重要的一环。常规的测量是以平面坐标和水准标高分别控制的二维坐标定位控制，操作、控制都相对普遍，但在钢结构大跨度空间结构中难以适用，本身钢结构就是危大工程，如果同一个工序反复操作不仅会增加高空作业危险系数也会影响安装精度从而降低工效。本文以钢结构大跨度空间桁架为例，从铸钢件拼装、桁架安装、斜柱安装以及后期监控几个方面进行研究。首先介绍铸钢件拼装过程对三维坐标技术的应用；然后再介绍如何利用三维坐标定位技术对桁架、斜柱安装进行高精度测量控制；最后得出结论三维坐标定位测量技术在钢结构安装工程中更加实用，可以推广使用。

在建筑工程行业中，为了统一工程测量的技术要求，做到技术先进、经济合理，使工程测量成果满足质量可靠、安全适用的原则，应满足《工程测量标准(GB 50026-2020)》相关规定要求。

1. 三维坐标的提取和转换

三维坐标的转换：根据设计三维建模软件Solidworks和Tekla或者建立钢结构的三维模型，通过软件可从模型中直接提取空间测量数据，再通过坐标转换得到相应的安装坐标（也可以将三维模型模型转换成CAD三维模型，利用三维坐标插件提取相应的坐标，进而转换成安装坐标。

图1 铸钢件与桁架拼装三维坐标视图

2. 铸钢件拼装

拼装测量控制：由于铸钢件节点都是多管头分叉，方向角度复杂，所以每一个分叉都需要有三维控制坐标定位。通常情况下长度测量控制定位点选用分叉管端头中心点位，角度方向的定位是以圆管中心三维坐标来测控，由于圆管中心是空洞没有固定点，需要借助十字定位尺或者钢板条等辅助工具找出圆管中心点，用全站仪进行测控。

控制要点主要为构件拼装成型后的整体尺寸以及桁架与铸钢件的角度。由于构件不是规则的，单纯利用平面坐标对角度控制难度较大，所以在此采用空间性较强的三维坐标测量技术进行拼装。测量过程中采用从模型导出来的三维坐标进行后方交会自由建站，测出设计坐标点位，根据实测数据与设计坐标对比调整拼装偏差。构件加工工艺存在一定的偏差，测量控制时需要多次核减，直至满足设计要求并达到最小误差。

图2 铸钢件拼装

3. 桁架安装三维坐标定位控制

本文以南海体育中心项目为例，本工程是倒序安装，桁架屋面罩棚先安装，后安装钢柱，对钢柱的空间位置已经限定，钢柱底部是与抗震球支座与插板焊接，所以对铸钢件桁架的定位精度有极高要求。每个抗震球支座上由三根斜柱焊接在一起，同时斜柱上端与铸钢件相贯连接，铸钢件之间的相对位置是固定的。

桁架安装定位都是采用高空对接，为了更方便操作、提高安装精度，在此均采用全站仪三维坐标定位测量方法。桁架安装控制分为几个要点：

1. 控制站点以及控制网布设。控制网布设应符合《钢结构建筑施工测量及监测技术规范》章节6.3安装控制网，6.3.1对于大跨空间网格结构工程，安装控制网宜布设成平面、高程共点的三维网。6.3.3 对于大跨空间网格结构工程，其安装控制网的三维成果可以按平面网、高程网分别施测然后组合， 也可使用全站仪利用三角高程测量连同平面网一次性观测，然后综合处理。等相关要求。在足球场场中布置一个固定三维坐标站点（A点），沿看台一圈布设移动站点（B、C、D点），组成一个通视三维坐标控制网。

2. 在每一榀桁架的端头节点上贴反射贴，在桁架上下弦杆画出十字中线。测量构件重心点位置，布设吊点。

3. 建站测量。以看台上控制点为前视，后视场中控制点，复测另一个已知点得出误差在设计范围内则开始进行观测。

三维坐标测量控制，分为平面桁架、铸钢件节点桁架以及交叉桁架。平面桁架主控上下弦杆4个三维坐标点，铸钢件节点桁架控制点分布在每一个分叉节点。铸钢件节点桁架：桁架主管定位完成后，使用全站仪把铸钢件各个分叉节点的三维坐标测出并与设计坐标核对，如偏差量在允许范围内，应综合考虑各个的节点的量差是否需要调节，避免对单个节点调节影响其他节点的定位。平面桁架：根据先装先测原则，先测量定位已安装和正在吊装的对接口，再定位另一端。如果轴线定位在误差范围，长度方向有可控的偏差则考虑下一榀桁架安装在长度方向的相应调节。交叉桁架为填充杆件，不需要定位。

图3桁架安装测量定位

4. 斜柱安装控制

本项目所有钢柱均为大管经圆斜柱，安装精度和测量控制都比较困难。斜柱安装和常规的钢柱安装有较大的区别，常规的钢柱安装容易定位且容易固定。斜柱具有空间性，特别是柱顶定位需要同时满足高度和轴线位置，还要保证倾斜度。不管是安装还是安全都存在较大风险。在这里为了减少操作工序，使用三维坐标定位一次操控，提高安装功效，降低高空作业风险。

首先根据模型计算出斜柱的重心点，根据重心焊接吊耳，并测出斜柱倾斜度。安装过程中先临时焊接或者利用轴承插销固定钢柱下端与预埋件连接，在通视的安全距离架设全站仪。利用全站仪测出提前在钢柱顶端贴好的测量反射贴的三维坐标，根据设计坐标放样对比得出安装偏差量，用吊车和倒链挪动钢柱就位至精确。钢柱微调应先调标高后调轴线位置。待钢柱固定不动后，再次复测其三维坐标是否与设计坐标吻合，并记录原始数据定期监测。

5. 三维坐标测量控制与平面坐标控制对比

1. 三维坐标介绍

三维坐标测量主要包括（X,Y,Z），其中（X,Y）是坐标，Z是高程，组成一个三维空间坐标。平面坐标测量主要是（X,Y）组成的一个平面坐标点，通常配合水准高程测量。在此可以理解为三维坐标是平面坐标的一个升级，三维坐标包含了平面坐标且增加了高程。平面坐标测量和水准高程测量分为两个操作流程，三维坐标测量减少了单独的水准高程测量。

2. 测量控制

空间结构安装工程测量控制应满足GB50255-2020 钢结构工程施工质量验收标准第11章节相关条文。如下表：

3. 三维坐标测量方法

1）水平角测量

（1）按角度测量键，使全站仪处于角度测量模式，照准第一个目标A。

（2）设置A方向的水平度盘读数为0°00′00〃。

（3）照准第二个目标B，此时显示的水平度盘读数即为两方向间的水平夹角。

2）距离测量

（1）设置棱镜常数

（2）设置大气改正值或气温、气压值

（3）量仪器高、棱镜高并输入全站仪。

（4）距离测量

照准目标棱镜中心，按测距键，距离测量开始，测距完成时显示斜距、平距、高差。

3）坐标测量

（1）设定测站点的三维坐标。

（2）设定后视点的坐标或设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。当设定后视点的坐标时，全站仪会自动计算后视方向的方位角，并设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。

（3）设置棱镜常数。

（4）设置大气改正值或气温、气压值。

（5）量仪器高、棱镜高并输入全站仪。

（6）照准目标棱镜，按坐标测量键，全站仪开始测距并计算显示测点的三维坐标。

6 结 论

综上，三维坐标测量控制在钢结构或者空间结构中更为实用，且对于钢结构这种危大工程能减少不必要的工序，提高功效就是在降低高空作业风险为安全保驾护航。三维坐标测量在钢结构空间结构中不仅安装精度有保障，在后期的变形监控中利用反射贴也更加方便安全。三维坐标测量技术在钢结构工程中应加强推广使用。

图4 桁架安装监控反射贴

参考文献：

1. GB50755-2012 钢结构工程施工规范

2. GB50255-2020 钢结构工程施工质量验收标准

3. 《工程测量标准(GB 50026-2020)》

4. 《钢结构建筑施工测量及监测技术规范》