摘要:钢结构预拼装是检验钢结构构件尺寸是否符合规范要求的重要手段。本文介绍了基于BIM的钢结构预拼装原理及技术,重点介绍了全站仪测量技术和3D扫描技术,并以沈阳宝能环球金融中心为例,对钢构件的预装精度进行了验证。结果表明,该技术可以很好地应用于钢结构的施工前准备过程,对解决复杂钢结构的施工前准备具有主导作用。
关键词:BIM；钢结构；预拼装；精度
引言
由于钢结构强度高,塑性好,抗震能力强,在建筑领域中得到了广泛地应用。伴随着社会的发展和科技的进步,建筑物的高度越来越高,大跨度建筑物的造型越来越复杂,各种复杂的形状如双向弯扭构件、弯道、多分支交叉节点、空间主干节点等层出不穷。为确保构件安装精度,通常需要在构件运往现场之前进行预装。对传统的简单部件如卷尺、钢尺等进行手工测量,能满足测量精度,但对复杂部件进行平面尺寸检测时,很难依赖于零件的平面尺寸检测,且测量时易出错,精度不高,元件质量难以保证。
一、钢结构数字模拟预拼装现状
针对目前钢结构众多的情况,李亚东介绍了上海中心大厦钢结构的数字仿真技术,其基本原理可归纳为:利用全站仪对构件端部进行控制点测量,建立一个所有构件坐标信息的坐标系,转换各个构件的坐标,检测每一坐标的信息,分析表面的间隙和错位。在深圳平安金融中心安装前,陈大牛等人对计算机进行了模拟,并通过实物装备进行验证。实验证明,数字模拟器的预装配效果良好。
数模装配在国内许多项目中也得到应用,其装配原理与上海中心大厦基本相似,数模预装配的出现代表了复杂钢构件质量控制的新思路,在工程实践中也得到了较好的应用。但这种方法也有许多缺点:（1）自动化程度低。确定测量和控制点的位置和数量。如果组成部分的数量庞大,在应对实施上无疑会有很多困难,甚至困难；（2）数据收集的类型很复杂。通过坐标处理将各分量导入模型,然后手工计算误差,需要大量的人员和时间；（3）误差表示不直观。误差结果主要通过CAD或文本输出,组合无法直观显示；（4）只报告错误的结果,但没有给出错误较大的组件的解决方案。可以看出,我国经常采用的数模预装配似乎很明显,随着BIM信息技术的快速发展,近年来BIM技术与工程实践的结合,大大提高了技术效率和自动化水平。数模预装配包括各种数据和信息处理。因此,BIM技术与模拟预装配技术的结合将弥补数模预装配的诸多不足[1]。
二、基于全站仪测量的ＢＩＭ钢结构预拼装技术
1.基本原则
构建了待测构件的BIM模型(TKLA)；在模型中,系统选择测量点和控制点的数目和位置,并将其直观地显示出来。采用全站仪对实际构件的测量点、控制点坐标信息进行测量,然后导入BIM模型系统。采用坐标偏移处理,自动生成检测报告。
2.自动生成测控点的技术
通过测控点的自动生成,能够快速地找到元件的测控点,可在BIM模型中实现可视化,自动选择测控点必须满足以下两个条件:（1）测控点必须是元件正面的重要界面；（2）测控点的数量必须足够。为尽量减少不必要的测控点,覆盖前端各主要测控点,本文在以上两点的基础上,提出了一种基于焊地钉和焊地钉的自动提取测控点方法。通过Tekla模型的二次开发,以及焊接方式的信息,可以测量和控制零件截面的3D轮廓点。
3.全站仪智能定位算法分析
用全站仪测量元件时,全站仪的数量必须根据元件的尺寸和类型来确定。在测量部件体积较大,剖面复杂的情况下,很难通过经验或视觉判断全站仪的位置和台数。针对这一问题,本文采用遗传算法对全站仪最佳站位进行计算,并以BM模型发布计算结果[2]。
三、基于３Ｄ扫描仪测量的ＢＩＭ钢结构预拼装技术
对于简单而复杂的构件,全站仪可以很好地测量其端部的测控点,但是对于一些复杂的构件,必须设置多个全站仪,以确保所有的测控点都处于视野中,3D扫描技术是测绘领域中 GPS技术的又一重大创新。近几年来,发展迅速,已应用于许多行业,3D扫描技术在钢构件检测中的应用可以提高测量的自动化水平,也可以使检测结果更加精确,这方面的研究在国内外尚不多见。3D扫描技术在钢铁零件预装配中的研究主要包括以下五个方面的内容:（1）复杂空间构件的数字化3D扫描方法；（2）实现钢构件的建模和数字化；（3）钢构件质量检查可视化；（4）建立钢构件质量检查制度和报告制度；（5）钢构件质量控制软件集成系统的开发。
1.复杂空间类型构件
3D扫描法是利用3D扫描仪对钢制零件进行测量。首先,需要根据构件的尺寸和形状来确定空间站设置和标准火箭的位置。在设置车站之前,应了解构件的基本部分,如结构连接。标准充电应设置在各站观测位置,位置必须稳定,无振动。在测量过程中,对整个组件进行粗略扫描,然后对组件连接进行精确扫描,以确定测量点和控制点的具体坐标[3]。
2.钢结构3D扫描建模与显示技术
在3D扫描之后,生成构件的坐标信息,输入坐标数据到BIM系统中形成数字化点云模型。能够精确反映被测物体的尺寸,精度至少在毫米以上。所建模型能直观地反映构件的几何特征,数据完整。
3.3D扫描钢结构质量检验
钢结构设计模型和数字点云模型被引入到质量保证体系中。在安装设计模型和点云模型之前,可以对扫描模型数据进行处理,提高模型精度。在点云模型中选取特征点,并对特征点进行粗调整。基于粗适配,软件计算分析了两种模型的最适配方法,并对其进行精适配,安装后系统自动计算扫描模型与设计模型的差值,生成报表,并在模型上用颜色显示。
四、工程应用
1.工程概况
选择了沈阳宝能某技术车间的钢构件。技术工人由上、中、下线成员和网络成员组成。各单元构件采用焊接或螺栓焊接固定。各单元精度高,施工难度大。其生产质量将影响施工现场的整体组装和吊装。载体由ABCD的四个对称且一致的表面中心组成。整个旋转带的横截面很大,分为16个桁架单元。采用实体装配法对B区典型的网架进行了验证,其余网架采用计算机仿真技术进行了装配。
2.预拼装结果分析
用全站仪和3D扫描仪进行了部件的初步测试与测量。BIM模型系统引入了测量数据。对设计模型进行坐标处理,并与设计模型进行比较,得出模型中显示的构件的偏差。并可输出3D元件模型图及测点。全站仪与3D扫描仪均能较好地模拟实际生产过程,图10和图11所示为全站仪的模拟结果。3维扫描装置,能看到全站仪测量到的测量点和控制点的误差在一定范围内,3维扫描装置测量到的柱距与位置的最大偏差为2.02mm,表现出良好的一致性。
五、结束语
介绍了基于BIM技术的钢结构预装配,包括站位测量和3D扫描测量。全站仪适用于常规复杂零件,操作简单,成本低；3D扫描设备更适用于空间复杂零件,自动化程度高,测量精度高；常规简单零件采用预装程序,复杂零件采用常规检测匿名异常；提出测控点自动生成技术。目前的数模预装配技术多采用人工测控点,本文提出对BIM软件进行二次开发,这种方法自动化程度低,速度慢。针对全站仪智能站,提出了一种装配前定位算法,该算法可以有效地提高全站仪的定位速度；BM钢结构预装技术在基于全站仪和3D扫描测量的实际技术中能得到较好地应用,对预装工艺的发展具有现实的指导意义。
参考文献:
[1]茹高明,戴立先,王剑涛.基于BIM的空间钢结构拼装及模拟预拼装尺寸检测技术研究与开发[J].施工技术,2018:83-86+147.
[2]吴宗强,韦武昌,洪思源.基于BIM技术的装配式结构设计方法研究[J].安徽建筑,2018
[3]李科;.基于BIM技术的装配式结构设计方法研究[J].四川建材,2019:93-94.