CN101556704B - 一种钢结构拼装临时支撑胎架体系的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种钢结构拼装临时支撑胎架体系的建立方法，即：利用计算机三维建模软件，先建立起大型钢结构需要拼装单元体的三维仿真模型，并按照该仿真模型确定钢结构的单元体拼装姿态及拼装分段；再根据单元体的拼装姿态优化建立拼装坐标系，输出该拼装坐标系下待拼装结构的各特征外观控制点的三维坐标，最后依据该三维坐标体系及钢结构单元体的拼装姿态设计出与单元体构件互不干涉的临时支撑胎架体系。本发明可以解决大型空间钢结构，尤其是箱型弯扭状等空间造型复杂的钢结构难以拼装和精度控制高的问题，在拼装施工中降低了施工作业面的高度，保证了拼装精度，降低了作业风险，提高了施工效率和可预见性，最大限度的减少了施工辅助用料。

Description

一种钢结构拼装临时支撑胎架体系的建立方法

技术领域

本发明涉及大型场馆空间钢结构体系施工技术领域，尤其是涉及一种用于大型钢结构建筑物单元体拼装的临时支撑胎架体系的建立方法。 

背景技术

随着国民经济的发展，要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛。此类建筑形式一般为空间钢结构，结构型式可分为网架(轻钢)、空间桁架(重钢)等。这些建筑物通常都具有跨度大、造型独特、受力复杂及建成后具有地区标志性意义等特点。空间钢结构这种新的建筑型式的出现后，立即衍生出了一些新型的施工方法。根据整体结构的受力和构造特点、现场平面情况、现场施工技术条件和大型设备资源等综合因素，一般可分为高空散装法、分区域安装法，整体吊装法、高空平面滑移法、整体提升法和整体顶升法。现场施工方法的抉择，对工程施工工期、质量安全、综合造价都有很大的影响。就这些安装方法而言，除了高空散装法以外，每种安装方法都需要有一个上道工序与之配合才能完成，这个上道工序就是结构拼装。目前，越来越多的空间钢结构由于功能及造型的需要，大量复杂的节点被设计到结构当中，因此给施工阶段带来了新的挑战和课题。为了降低和简化安装难度、减少安装中的高空作业，拼装已经发展成为一个独立的关键工序，其精度控制和方案的易操作性，成为安装施工成功与否的一个决定性因素，尤其是在一些具有独特性的空间钢结构中，拼装更是起着至关重要的作用，直接影响整个施工过程的进度和质量。 

目前拼装技术基本都为采用保证单元体内部尺寸的方法，即通过拼装单元体各个构件之间的关联尺寸对整体拼装精度进行保证，但对拼装姿态的选择比较任意，支撑胎架体系也比较简单，这个方法仅仅适用于规正结构形式，对大型空间结构或特殊结构已不太适用。越来越多新颖的空间钢结构型式的出现，例如大型弯扭空间箱型钢结构或管桁架结构，其构件的外观轮廓控制线大部分为不规则的空间多义线，这些曲线没有固定的曲线方程，而且不同弧段包含角的方向也在不断地发生变化，构件的表面形成了不规则的弯扭面，外观极不规则，内部尺寸不易控制，传统的施工方法已经不能达到施工要求，这就需要在计算机三维仿真建模技术的支持下，建立准确、安全的临时支撑胎架体系，编制更合理，精度更高的拼装方法。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：利用计算机仿真建模、拼装坐标系优化、确定合理的拼装姿态，进而提供一种用于拼装大型或异形钢结构建筑物单元体拼装支撑胎架体系的建立方法，通过该方法可以建立适用于大型场馆空间钢结构、异形结构，尤其是大型弯扭状箱型空间钢结构拼装支撑胎架体系。 

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：利用计算机三维建模软件，先建立起大型钢结构需要拼装单元体的三维仿真模型，并按照该仿真模型确定钢结构的单元体拼装姿态及拼装分段；再根据单元体的拼装姿态优化建立拼装坐标系，输出该拼装坐标系下待拼装结构的各特征外观控制点的三维坐标，最后依据该三维坐标体系及钢结构单元体的拼装姿态设计出与单元体构件互不 干涉的临时支撑胎架体系。 

本发明与现有技术相比，具有以下的主要优点： 

本发明可以解决大型空间钢结构，尤其是箱型弯扭状等空间造型复杂的钢结构难以拼装和精度控制高的问题，在拼装施工中降低了施工作业面的高度，保证了拼装精度，降低了作业风险，提高了施工效率，通过计算机三维仿真模型设计的支撑体系，提高了施工中的可预见性，最大限度的减少了施工辅助用料；利用全站仪等先进的测量设备，实时观测，预先投射控制点，使构件平稳、安全、快速的拼装到指定位置，减少了构件反复调整的工序，加快了工程进度，而且保证了工程质量。在体育场馆、会展馆、机场、高层钢结构等大型空间钢结构尤其是箱型弯扭状复杂结构的拼装施工中采用此方法施工，在质量、安全、成本控制方面都有显著的效果，可取得明显的经济效益。 

附图说明

图1为拼装临时支撑胎架体系方案一。 

图2为拼装临时支撑胎架体系方案二。 

图3为拼装临时支撑胎架体系方案三。 

图4为一种钢结构拼装临时支撑胎架体系的整体布置图。 

图5为钢结构单元体在临时支撑胎架体系中拼装流程图。 

图6为钢结构单元体在临时支撑胎架体系中拼装完成图。 

图7为钢结构单元体第一次的设计深化图的坐标系图。 

图8为钢结构单元体第二次的设计深化图的拼装坐标系优化图。 

图中：1.内柱胎架；2.第一外柱胎架；3.腹杆；4.第一侧外柱；5.第二侧外柱；6.菱形内柱；7.立面次结构；8.腹杆支撑桥架；9.第二外柱胎架。 

具体实施方式

本发明提供的是一种用于大型钢结构建筑物单元体拼装的临时支撑胎架体系建立方法，该方法是：利用计算机三维建模软件，先建立起大型钢结构需要拼装单元体的三维仿真模型，并按照该仿真模型确定钢结构的单元体拼装姿态及拼装分段；再根据单元体的拼装姿态优化建立拼装坐标系，输出该拼装坐标系下待拼装结构的各特征外观控制点的三维坐标，最后依据该三维坐标体系及钢结构单元体的拼装姿态设计出与单元体构件互不干涉的临时支撑胎架体系。 

本发明采用以下方法建立大型钢结构的拼装单元体的三维仿真模型，其步骤包括： 

1.深化图纸，建立建筑物的空间三维仿真模型及局部细节模型。 

在钢结构施工行业，三维仿真建模目前应用的领域主要集中在大跨度、结构复杂的空间结构中，其主要原因是它的直观性可以很方便的表达出平面视图不能表达出的视角，而这一点在空间结构的拼装及胎架支撑体系建立过程中是必不可少的一项“入门”手段，因为最终的胎架支撑体系建立需要在模型中无障碍设计。建立起一个真实的、接近于建筑实物的模型是所有后续工作的基础。从二维到三维是一个巨大的转变过程也是一个耗费时间与资源的过程，在建立模型之前应该先确定模型的适用对象和阶段，这样就可以在建模的过程当中着重表现出主要的对象特性，简 略一些非关键对象，这样在不影响最终实施效果的前提下可以大大提高建模的效率。从三维仿真模型的建立可以通过以下几个步骤来实现： 

第一步：有关建筑实体技术参数的准备； 

建立实体模型的起点或动机通常可以概括为两个大的方面，一是在未知任何实物信息的基础上创建出一个全新的实体，这一类型的主要对象为设计、研发群体，通过建立起来的仿真模型来表达全新的实体，如产品的研发，建筑物的最初设计等。二是通过已知的实体或蓝图进行二维向三维的转化，即利用结构的施工设计图或深化图中各个剖面图表达的几何尺寸来建立模型，此形式是施工过程中运用最多的一种建模方式。在整个的建模过程中图纸作为描述模型的一种方式不断的被重新解释，通过软件的操作具象化的表现在人们的面前，此种形式除了要求具备操作建模软件的基本技能以外，还需要有较强的空间思维能力和识图能力，能准确无误的提取图纸表达的所有信息。在空间钢结构拼装工程中，单体模型是通过蓝图给出的构件三维空间坐标或二维平面图纸尺寸，利用CAD软件(或其它工程建模软件)转化成能表达出构件外观几何结构的单线模型，此阶段的模型(非实体)除了不能直观表达出构件内部的相互干涉关系以外，已经具有了准确的几何外观结构，为模型实体化提供了依据。通常在空间结构的施工蓝图中给出的建模技术依据大都为构件的外观标志点的三维空间坐标，如箱型构件的四条棱边线的三维坐标、空间框架的外观点坐标等；未给出构件外观标志点三维坐标的大型钢结构的实体模型，则通过不同的剖视图(三视图)所表达出构件的外观几何尺寸及相对关系，为三维实体模型的建立提供了参数依据。所以，不管是空间三维坐标还是传统剖视图(三视图)的表达，都是三维仿真模型建立的参数依据，能从二维图纸中把这些重要的信息提取出来是建模前期重要且必须的准备。 

第二步：选择硬件及建模软件； 

硬件：相对于二维绘图来讲，实体建模需要更多的计算机资源。内存及显存相对于处理器速度来讲更为重要，因为内存不足往往会导致系统建模速度过程中瓶颈的产生，显存的不足则会导致建立起来的模型在实体显示及消隐显示操作时出现显示不完整及动态观察画面卡滞的现象，影响构件互相干涉的观察。由于工程施工中所建立的模型通常都为大型复杂的结构，因而对内存及显存的要求相对来说也要高一些，通常建议的最佳配置需要内存达到2GB以上，独立显存要达到256MB以上。 

建模软件：在建模软件的选择上，主要是根据工程施工各阶段的要求选择适用、够用的绘图软件。除了工程上接触最为广泛的AutoCAD以外(可适用于大部分钢结构建模)，还有几款国内外的优秀建模及深化设计软件，如国内的建科院PKPM系列STS钢结构设计软件、同济大学3D3S钢结构设计软件；国外的StruCAD(英国AceCcd公司开发)、芬兰Tekla Xsteel三维钢结构实体设计系统，这些软件互有优点，都可以建立出用于施工阶段的三维模型。 

第三步：确定建模的策略； 

三维实体模型的建立策略可以从宏观和微观两个方面来考虑： 

从宏观层面考虑：在宏观层面上，由于一个大型的空间结构包括了众多的系统，每个系统的相互结构关系和几何位置都必须在建模前有个总体上的宏观控制，以便于在建模过程中注意结构 中互相干涉的系统，以及考虑各系统模型建立的顺序和类型，最大限度的使整体模型的各个系统在几何构造上保持良好的衔接性，在对象特性上保持属性一直性。这样建立的模型在下一步的使用中更具有准确性和针对性，因此在建模初期，要充分的观察和分析钢结构单元体的总体几何形状，合理拆分组成的构件，将单元体中复杂的节点先独立出来，先从最基本的构件入手，由简单至复杂，由局部到整体，最后在将复杂的节点构件嵌入到整体模型中。 

从微观的层面考虑：在微观的层面上，主要涉及到一些异形的、构造复杂的单体或零部件的模型建立。一方面需要把若干简单形体组合成复杂形体，另一方面，也需要把一个复杂形体解析成若干简单形体的组合。这类模型的建模策略主要是体现出对三维建模软件的操作思路。建模前仔细的分析实体的几何特性或二维图纸的剖面表示，正确、巧妙的将复杂的实体分解成常规的几何体进行组合，确定合理的操作顺序和思路都可以起到事半功倍的效果。尤其是对复杂模型操作界面的坐标系选择、布尔运算的运算顺序及组合、实体模型的剖切等经常运用到的建模方法要深入的扎根在头脑中，不断形成一种良好的、高效的建模思维。 

通过以上三个大的步骤的操作，基本就可以建立出适用、够用的施工模型，大多数的实际工程操作中也是对这三个步骤的不断细化或重复，这样建立起来的三维仿真模型就可以运用在空间钢结构施工的各个阶段，如：大型方案的选定、对比和演示；大型复杂单元体的拼装胎架设计；大型组合单元体的吊点选择。 

2.分析建筑物空间结构型式及特点，合理的确定拼装分段方案及拼装姿态。 

(1)拼装姿态的确定： 

三维模型建立起来以后，便可以直观的观察出构件的几何结构型式，分析结构特点，大概的提出几种拼装姿态进行比较，姿态的比较主要是为了在后续的胎架支撑体系设计中尽量节省胎架材料，创造更大的经济效益。 

拼装姿态选定的原则及思路是：尽可能使更多的构件外观平面与拼装平面平行；将尽可能多的构件对接口降低到地面位置；将决定构件安装精度及外部对接口降低到地面位置；将尽可能多的复杂节点、大型超重节点降低到地面位置；利用构件自身结构体系最大限度的减少临时支撑胎架，降低构件重心；拼装姿态应与安装施工衔接，避免过多的旋转及翻身；拼装姿态要利于布设测量控制网及外观控制点的观测。 

在拼装方案的前期选择过程中，拼装姿态的选择尤为重要，这个步骤通常并没有固定的操作方法，是属于一种创造性的思考。但只要遵行上述的几点原则，并尽可能的找到这几点的共性点及平衡点，才能制定出合理、高效的拼装方案，并为方案的后续深化及支撑胎架体系的建立创造有利的条件。 

(2)拼装分段的确定： 

拼装的分段主要是为了满足安装过程中在安全允许条件下，最大限度的使吊机达到满荷功效。减少高空安装强度及降低风险。 

拼装分段的主要原则是：在吊机性能满足的情况下，尽可能多的扩大零散构件的拼装范围；以最复杂节点往四周对称延展，保证对外安装接口的型式简单，便于高空对接施工；以最重单体构件往四周对称延展，保证拼装单元体的吊装稳定型。以主体构件向附属构件延伸，利于拼装及安装精度的控制。尽可能的使分段的单元体在拼装姿态下自身能形成稳固的结构体系，减少对临时支撑胎架的依靠。 

拼装姿态及分段的确定，是整个拼装方案的纲领，是一种创造性的劳动，在空间钢结构拼装中起着决定性的导向的作用。 

3.根据拼装姿态建立准确、实用的拼装坐标系，输出该坐标系下待拼装结构的各特征外观控制点的三维坐标。 

拼装姿态确定以后，开始进入实质性的胎架支撑体系方案设计及深化的阶段。这一阶段主要为保证拼装单元体的精度控制提供数据依据。要将合理选定好的拼装姿态实现在实际施工过程中，必须得到该姿态下的构件外观定位数据，这些数据可以是构件外观的轮廓线，也可以是相邻构件连接处的控制点，要将这些定位数据具体化的表示出来，则需要将拼装单元体置于一个人为赋予的坐标系当中，只有在这样一个特定的坐标系中，得到的定位数据才能与实体构件相互对应也就是说，构件的定位坐标，是与赋予它的坐标系相关联的，离开了坐标系，数据便没有参考对象，只能是无意义的数字而已。所以，拼装坐标系的确定是定位数据的载体。 

拼装坐标系的建立，总的来说是将选定好的拼装姿态进行进一步的优化或工程数据处理，生成拼装平面，输出构件的外观控制点坐标。 

(1)建立拼装坐标系： 

Y轴的确定：先确定拼装单元体一条长度方向的整体外形对称中心线，作为二维坐标系的纵轴参考线(Y轴)，在拼装单元体不规则的情况下，这条线也可以是大概的中心线，可以在最终的坐标系建立起来后进行Y轴平移即可。由于此时是按照确定的拼装姿态进行坐标系建立，相当于要在拼装单元体的下方通过Y轴、X轴建立一个二维的拼装平面，因此，Y轴这条直线在空间位置上要设置在三维模型拼装姿态的“下方”。 

X轴的确定：当设置在三维模型“下方”的Y轴确定后，再设置二维坐标系的X轴。其方法是：空间中两条相交直线即可以确定一个平面，因此X轴的确定便是最终拼装平面的确定。由于拼装姿态的选定有个重要的先决条件，就是尽量使更多的构件外观平面要与拼装平面平行，这样的目的是为了使整个单元体具有较强的相对稳定性便于设置支撑胎架，且有利于拼装对口操作和精度控制。所以，在大多数情况下确定拼装坐标系X轴需要参考构件的外观平面，通过在三维空间中做Y轴的空间垂线，并将垂线绕垂足旋转一定角度，使其组成的平面尽量平行于单元体最底部构件的外观平面，旋转到位后，形成的平面便是拼装姿态的水平面，横轴也就是拼装坐标系的X轴。 

Z轴的确定：X轴、Y轴确定后，Z轴自动生成，拼装三维坐标系便建立起来。 

以上建立坐标系的方法采用的就是XY平面作为先决条件建立。在各种空间钢结构的拼装中，我们也会遇到一些特殊外观型式的拼装单元体，单元体中的主体构件或大多数构件需要在拼装过程中保证其相对垂直的状态，因此在这种情况下需要采取另外一种建立坐标系的方法，即通过主体构件的轴心线利用Z轴优先的先决条件进行坐标系的建立，沿主体构件的轴心线设置拼装三维坐标系的Z轴，然后自动生成XY平面，再通过绕Z轴旋转XY轴，达到拼装XY平面的要求，最终 建立完成拼装三维坐标系。 

(2)输出拼装坐标系： 

拼装三维坐标系建立以后，就可以通过平移X、Y、Z轴，确定最有利于拼装坐标输出的坐标原点的位置，通常将坐标原点设置在拼装单元体的外部，而不设置在单元体的内部，这样的目的是使输出的各控制点的三维坐标只分布在一个或者两个坐标象限内，习惯于工程施工平面测量的数据处理。当以上的准备工作都完成以后，保存新建好的坐标系，便可以输出各控制点的三维坐标了，输出的方法可以利用建模软件里面的坐标查询工具等命令，如CAD软件中的ID命令。在坐标输出的过程中，始终要保证把模型空间坐标系的原点锁定在新建立的坐标系的原点上，即坐标输出过程中，所有的控制点都只能有一个唯一的参考原点，这样才能保证输出的控制点三维坐标与实际拼装施工的坐标系(即新建坐标系)能一一关联，并最终能真实的反应到构件实体上。 

4.根据空间结构的实体几何型式及特点，设计出合理、互不干涉的临时支撑胎架体系。 

空间钢结构的拼装单元体由于是一个从整体结构中划离出来的单独个体，所以其自身通常都不具备完整的支撑结构，不能形成相对稳固的独立体系，因此，在大多数的拼装施工过程中，都需要设置临时的支撑胎架体系，支撑体系大体上可以分为两个类型，一是平面支撑，即拼装单元体的结构型式呈一个平面状，没有与这个平面在立体方向上相交的第二结构平面，通常这个支撑体系就设置在拼装单元体的下部，起到托起构件的作用。二是平面、垂直混合支撑，即拼装单元体的结构型式复杂多变，具有两个或两个以上的结构平面互相交错，并有内部杆件斜向交叉连接。这种混合支撑的胎架设计就需要考虑胎架位置、胎架与构件互相干涉、胎架合理分布等多方面的综合因素。 

不管在拼装中设计哪种类型的胎架，最终目的都是在满足支撑单元体整体稳定性的前期下，尽可能的减少胎架的数量，其原因，一是可以为拼装施工创造更宽裕的施工空间，便于操作。二是减少拼装单元体在安装前脱离胎架的难度。三是节约工程辅助用料，利于项目成本控制。 

空间钢结构拼装支撑胎架体系的设计一般都是利用计算机建立起来的三维仿真模型来完成的，主要是因为在三维仿真模型中，模型的参数都是根据拼装单元体的实际尺寸建立起来的，在模型空间中可以直观的反映出设计的胎架在实际施工中所处的位置及型式，可以观察到胎架与构件有无外形干涉情况(即胎架与构件有无互相碰撞)。因此，在三维模型空间中直接进行胎架设计是空间钢结构拼装不可缺少的技术手段。 

设计支撑胎架体系的一般步骤是： 

(1)观察分析拼装单元体的结构型式，确定支撑胎架体系属于平面支撑型还是平面、垂直混合支撑型，根据单元体内部构件的位置及相互之间的间隔距离，粗略的定出胎架应该支撑的范围和位置。 

(2)细分拼装单元体的零构件组成，分离出主要构件，如重量最重、节点最多的构件，以这些构件的对接口处作为重点支撑位置向外部延伸，即次要构件依附主要构件的原则，在重点支撑位置确定后，分析在支撑点的下方有无其它可以造成的干涉构件，若无其它构件干涉，即可在此设置胎架，若支撑点的下方有构件造成影响，则需要在满足上部支撑点的前提下，微调支撑胎架 的位置，或设计成组合支撑胎架，即将胎架分成上下两个部分，下部分躲过造成干涉的构件，上部分任保证在选择的支撑点的正下方，达到既能稳固支撑又能防止构件与胎架干涉的目的。 

(3)设置胎架的具体支撑位置及数量，尽量保证构件与胎架无干涉现象，这个阶段主要是在保证支撑体系稳固安全的前提下控制胎架的数量，并把胎架设置在最合理有效的位置。在平面片状单元体结构中，基本可以不用考虑胎架与构件的干涉问题，因为胎架基本都设置在拼装单元体的下部起支撑作用。数量控制上可以采用局部小拼的型式(即将简单重复的零散小构件先拼成整体再进入大的单元体)减少胎架用量。在复杂的多面体系单元体结构中，通常都有比较多的斜拉杆件与主杆件相连，尤其在箱型结构中这些联系杆件的界面尺寸也很大，并形成“笼”状，因此需要先确定突出的或者最复杂的单体构件作为支撑的首选位置，通过在三维实体模型空间中，将胎架的模型建立起来，不断调整胎架的位置，观察胎架与构件互相干涉情况，尽量使胎架在穿过单元体的一个面去支撑在这个面上方的构件时，不能与其它的构件有碰触现象，这点在混合支撑体系的胎架设计中尤其重要，因此胎架位置设置的合理，可以大大的提高拼装效率，保证拼装过程的连续性。 

(4)胎架位置确定后则开始选择支撑胎架的结构型式。通常在平面片状单元体结构中，选择门型胎架比较经济合理，材料基本采用型钢制作。胎架高度的确定主要是根据支撑点处构件的外观三维标高来确定，在实际操作中，可将胎架高度制作的比构件外观标高低20～30mm，通过钢楔子来微调。在大型复杂的混合结构单元体中，可根据单元体的重量采用门型或箱型胎架，箱型或圆形截面的胎架在荷载满足的情况下尽量精简界面尺寸，减少占用单元体内部的空间，既避免与构件互相碰触，也增加了施工操作的空间。胎架高度的确定也是根据支撑点构件的外观标高确定，若构件支撑处(构件与胎架接触面)的构件截面不是平面，还需要在胎架与构件接触点处设计过渡支座，将支撑重量通过支座传递到胎架。过渡支座的设计方法是：支座的上部即与构件接触的部分需要按照构件的特殊外观形式确定，如菱形、三角形、圆形等截面的构件，转换支座与其接触的支撑面也应做成跟构件吻合的截面形式，支座的下部则需要做成与胎架顶面相吻合的截面，通常应为平板底面。 

胎架在三维模型空间中布置到位后，为便于施工，需要将支撑胎架体系在拼装坐标系中的三维位置用二维图纸的方式表达出来。以拼装坐标原点作为胎架体系整体布置图定位起始点(即胎架的位置坐标要与拼装坐标系保证关联关系)，支撑胎架体系内各胎架中心定位坐标的X、Y值作为其二维图纸中的尺寸依据，将各个支撑胎架的位置画出形成胎架系统的平面布置图，最后再根据胎架模型绘制用于施工的详图；至此完成了钢结构拼装临时支撑胎架体系的建立。 

5.根据拼装坐标系及结构整体外观尺寸建立测量控制网，投设平面控制点，使拼装坐标系中的各外观控制点与测量控制网形成数据匹配关系；利用测量控制网中布设的测量点通过全站仪对拼装构件进行精度观测、反馈修正数据，据此微调构件最终达到设计要求精度。 

在拼装坐标系建立完成、单元体各控制点的三维坐标输出、胎架的制作详图和地面布置图完成后，空间钢结构拼装的前期技术准备工作就基本完成，开始进入测量实施准备阶段。测量实施准备阶段的目的是需要将所有的构件外观数据反映在施工测量的控制网范围内，并达到可以直接 观测构件控制点并分析其实测值与设计值的差别，反馈出调整数据，指导现场拼装施工。这个阶段主要是通过下面步骤完成的： 

(1)测量仪器的选择，在复杂的空间结构施工中通常选用全站仪作为首选测量仪器，它综合了电子经纬仪、水平仪、测距仪的功能，自动化程度高，具有数据采集、分析迅速，实时反馈被测点的三维坐标，精度高等特点。 

(2)以拼装坐标系为依据建立测量控制网的测量坐标系，使拼装坐标系中的各外观控制点与测量控制网形成数据匹配的关系，建站并定向闭合。 

(3)在拼装平台的周围选择可以通视的位置设置测量控制点，互相关联起来组成测量控制网。控制点的数量可以根据施工实际情况确定，保证能在360度的范围内不被其它构件或支撑胎架挡住。 

(4)根据各控制点的三维坐标，通过全站仪等测量仪器把构件的控制点垂直投影在拼装平台上，如箱型构件可将其下表面的两个角点垂直投影到拼装平台上，并用油漆做好标记，做为构件平面方向定位的依据，通过这个方法可以在构件拼装的初步阶段提高构件拼装的速度，因为在拼装平台上投影的各个控制点，实际上就是该构件外观控制点在XY坐标面的垂直投影，在构件初步定位时，可利用线垂等简单的工具结合投影点将构件初步定位到需要拼装的位置。此方法操作简单、反应快速，可以很大程度上提高拼装的效率，并达到构件初步定位的精度要求(此时可以将构件定位到离设计控制位置5mm之内)。 

(5)控制点的空间标高可在投影控制点平面位置的时候由全站仪一并确定，标高起始值就为控制点投影处的地面点在测量坐标系中的相对标高，通过与坐标系原点标高的计算，就可得出该控制点在其平面投影点处需要控制的实际标高。施工班组就可以根据需要控制的实际标高，把构件标高方向调整到位。这种方法相当于测量一次性将控制点的X向、Y向、Z向都反映在拼装平台上，不需要实时观测和跟踪观测，多用于结构型式比较规则的空间钢结构拼装中。在单元体结构型式比较复杂或异型的情况下，通常采用精度控制更高的观测方法，投影到地面的控制点只作为构件初步就位的依据，当构件根据投影点初步就位后(此时可以将构件定位到离设计控制位置5mm之内)，采用全站仪在控制网内通过棱镜实时观测构件的外观控制点，实时反馈其实际三维坐标数据，不断的与设计坐标比对，得出需要在X、Y、Z方向调整的具体数据指导现场施工。 

测量控制是空间钢结构拼装过程中最为关键的一步，直接影响拼装的施工质量和进度，测量精度得到控制，构件的拼装质量在源头上就有了保证，通过上述的五个步骤，都可以精确，高效的完成大多数复杂空间钢结构的测量控制。 

6.根据单元体拼装顺序编制直观、精确的作业方案指导现场施工。 

对于空间钢结构来说，由于其构件数量多，结构复杂多变，因此，在拼装施工前要构思好整个单元体的拼装顺序，并根据拼装思路编制具有指导性的施工作业方案指导施工。空间结构通常具有外形结构复杂，节点多的特点，其图纸标识也大多采用坐标的方式表达，普通的二维视图的方案在表达空间实体的位置关系就显得比较困难，难以直观的表现出各个构件的相对位置关系。因此，在大型复杂的空间钢结构拼装施工中，通常都采用计算机建立起来的模型实体图来编制施 工方案，这样编制出来的施工方案直观明了，大大的加快了作业层对图纸的理解，提高了拼装效率。具体作业方案的编制可以通过以下步骤完成： 

(1)将建立好的单元体三维模型按照各零构件标识不同的颜色便于区分。 

(2)将支撑胎架及不同拼装顺序的构件分别置于不同的图层中便于显示控制，把所有构件图层都隐藏，保留胎架图层显示。 

(3)按照施工思路按顺序的打开相应的构件图层，用来表示拼装的顺序，并将该步完成时的拼装姿态输出图片的格式，便于编制作业方案。 

(4)将所有步骤的拼装姿态图片输出后，再编辑文字说明信息及拼装过程中的关键技术质量要求，最终形成完整的拼装作业方案，下发作业层用于施工。 

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。 

1.深化图纸，建立建筑物的空间三维仿真模型及局部细节模型。 

大型钢结构通常具有比较复杂的节点，还有一些具有弯扭状的构件，对其建模具有较大的难度，其中最具有代表性的为组合桁架柱(图3)，该柱子主要由五个部分组成：菱形内柱6、第一侧外柱4、第二侧外柱5、腹杆3、立面次结构7。其中建模最复杂的是第一侧外柱4和第二侧外柱5的弯扭段和菱形内柱上与腹杆连接的牛腿。此组合桁架柱建模的顺序为：第一侧外柱4、第二侧外柱5、菱形内柱6、立面次结构7和腹杆3。菱形内柱上的牛腿为复杂节点，是通过独立建模完成后再嵌入到整体模型中。建模的具体方法为：直段构件(如外柱、内柱、腹杆)都为箱型结构，截面为四边形，各个顶点上的点(控制点)都具有相对位置的空间三维坐标，可以直接利用这些坐标在CAD中将构件控制点定位，再用直线将各个控制点连接起来便形成了构件的外观几何轮廓线，根据这些轮廓线再进行实体化操作(CAD中的面域、实体命令)，就可以得到构件的实体模型。第一侧外柱4和第二侧外柱5中的弯扭段则是将各个弯扭段独立出来进行建模，由于弯扭段各条棱线都有独立的相对坐标将棱线用多义线的形式表达出来，因此可以利用这些独立的坐标进行弯扭段的建模，这样可以得到其轮廓模型，再利用曲面等CAD操作命令将弯扭段模型进行实体化。最后将独立建立的单体构件模型组合到桁架柱的整体模型中就完成了组合桁架柱的模型建立。其结构形式可以直观的反应出来，在建模软件中还可以通过动态旋转等命令对这个拼装单元体进行空间360度的观察。为支持胎架体系的设计提供了必备的基础条件。 

2.用三维模型分析拼装单元结构型式，确定拼装方案及支撑胎架体系方案。 

一根组合桁架柱由许多散件(本例为60多件)组成，要将这些散件组装在一起，必须要选择一种合理、实用和高效的拼装方法。在施工准备期间，初步拟定了三种方案进行比较。 

方案一：菱形内柱6向下水平放置拼装胎架设计示意图(图1) 

在组合桁架柱的实体模型中我们对方案一进行了拼装演示，通过三维模型的直观性可以发现，此方案菱形内柱虽然被水平放置且离地面不高有利于内柱的拼装，但是其箱型外柱的断面姿态扭转了一定的角度，在空中不便于准确控制和精调。且外柱支撑点太多对腹杆的安装形成障碍，辅材消耗大。 

方案二：菱形内柱6向上水平放置拼装胎架设计示意图(图2) 

方案二为了保证菱形内柱的水平拼装，使两侧外柱过高于地面，大部分作业转化到了空中，增加了安全隐患，且内柱与外柱之间的腹杆需要嵌档安装，在空中缺少支撑点及作业平台，给拼装带来了不便。其支撑胎架数量众多，辅材消耗大。 

方案三：箱型外柱向下水平放置拼装胎架设计示意图(图3) 

此方案将两根箱型外柱(第一侧外柱4、第二侧外柱5)跟地平面基本放置水平，这样两侧外柱胎架的用料可以大大的减少，主要施工用料集中在菱形内柱的内柱胎架1上。外柱胎架包括第一外柱胎架2和第二外柱胎架9(图4)，它们的结构相同，只是高度不同；它们均由H型钢或格构式方形支架组成；为了使图形清楚，它们在图1-图3、图5-图6采用了简化绘图形式。外柱间的立面次结构7与两根外柱都是在离地面不高的平面上进行拼装操作，降低了操作难度及安全隐患，便于拼装精度控制和微调。拼装外柱与内柱间的腹杆3时可以利用两内柱胎架间的腹杆支撑桥架8来进行临时支撑，并作为拼装、焊接的操作平台。通过在三维模型中对这三种拼装方案的演示比较，可以很直观的看出方案三具有便于操作、安全系数高、辅材投入少的优点，因此这个方案也最终成被选定为组合桁架柱的施工方案。 

3.确定好拼装姿态后，建立并优化拼装坐标系，输出各外观控制点坐标。 

在本工程的拼装方案初步选定以后，第一次的设计深化图的坐标系建立只适合安装而不适合拼装(图7)，因为安装的坐标系是根据所有构件的空间安装位置对构件进行定位的，但实际拼装工作不可能按照构件的安装姿态进行摆放拼装，而是要根据选定的优化拼装方案进行新坐标系的确立，保证尽量降低整体构件的重心及外柱平放的原则。 

优化后的坐标系并不是绝对的将原坐标系旋转90度，而是参照尽量降低整体构件的重心及外柱平放的原则而选定(图8)，在选定好的坐标系下将构件的各拼装控制点输出，再利用TCA1800型全站仪围绕构件周围设置测量控制网，通过现场对拼装控制点进行三维坐标采集，与拼装坐标系下导出的三维坐标对照分析，即可得出各特征控制点相对理论坐标的点位误差，进而指导作业人员对构件进行调整，直到达到设计要求。 

在现场拼装控制点数据的采集分析过程中，最初选用的是解放军信息工程大学测绘学院开发的MertoIn工业三维坐标测量系统软件与全站仪联机对构件进行拼装控制点的检测，该软件在工业测量领域虽然功能强大，但在针对本工程的特性来看，信息反馈周期长，测量控制网设置复杂，对构件放置的姿态要求独特等因素制约了拼装现场的工程进度。而在优化的坐标系中XZ平面与地面平行，Z值被赋予为构件长度方向上的距离，X值赋予为构件相对于坐标原点左右位移，而Y值被赋予为构件关键点相对于XZ平面的标高(图4、图8)。根据此特点在不利用其它专业软件的情况下，将不规则的三维空间测量转化为直观的平面、标高测量。在优化后的坐标系测量控制网中，利用全站仪就可以快捷的采集到直观的，可以直接进行分析指导施工的控制点数据。 

4.在拼装坐标系中根据单元体型式设计支撑胎架体系，按拼装思路编制拼装作业方案。 

在拼装流程上的控制，是提前通过计算机建立好三维仿真模型，并在模型中进行无障碍胎架设计，要在实体模型中进行胎架设计主要是由于组合桁架柱其造型呈三角放射笼状并带有大量的弯扭部件，其拼装支撑胎架需要在复杂交错的内部杆件中设置，并要考虑到与这些杆件的干涉情 况，通过电脑模拟演示后制定出可行性、安全性高拼装方案，所有这些工作都必须完全依赖于建立起来的三维实体仿真模型才能实现。 

具体施工步骤如图4-图6； 

步骤一：在三维模型空间中通过无障碍设计的支撑胎架，该支撑胎架需要考虑和避让的干涉构件为：胎架与次结构在水平面方向不能干涉；胎架与腹杆在空间位置中不能干涉；胎架与菱形内柱在垂直方向不能干涉。通过在组合桁架柱实体模型中反复按避免干涉的原则在XY平面移动胎架的位置来选定。当胎架设置的位置满足上述三个原则后，即可对胎架进行定位，并按照其在拼装坐标系中的位置绘制胎架平面布置图用于胎架安装，再按照布置图布置胎架。支撑第一、第二侧外柱的胎架由于需要控制单元体的整体重心高度，采用的是600mm高的H型钢，这样就将大部分的拼装、焊接工作面降低到了1.5m左右，便于施工(图5)。H型钢上部再根据箱型构件的外观接触面设置调节支座，通过钢楔子可以调整第一侧外柱4和第二侧外柱5的标高。 

步骤二：根据拼装顺序将第一侧外柱4和第二侧外柱5吊装到位，安装过程中根据投射在地面的平面控制点来控制构件在水平方向的位置，再通过全站仪在拼装过程中实时观测，反馈对比数据，再微调到位(如图5)。在弯扭段的外柱中，由于其相关联的外部接口多，采用的也是实时观测，不断的反馈调整数据，最终达到设计要求。 

步骤三：第一侧外柱4和第二侧外柱5就位后，再填充外柱之间的立面次结构7(如图5)。 

步骤四：立面次结构7到位后安装腹杆3，腹杆采用卡板加临时支撑的方式，弯扭段腹杆支撑在两内柱胎架之间的水平支撑桥架8上(如图5)。 

步骤五：吊装菱形内柱6，该内柱是整个组合桁架柱的关键构件，重量大，牛腿节点多，还穿插有楼梯梁与牛腿相贯，拼装精度要求高。支撑菱形内柱6的胎架是内柱胎架1，内柱胎架1采用的是格构式的方形支架，该支架与构件外观支撑面之间设置了专用的内柱支座，内柱支座采用符合菱形内柱外观截面的V型卡板，该卡板放在内柱支座卡槽之间，可以上下左右调节来控制支撑菱形内柱6的位移和标高。菱形内柱6按图纸分段依次吊装到内柱胎架1上，为了便于支撑，使菱形内柱的牛腿和腹杆3不与内柱胎架1相碰，可以将两节内柱先小拼成为一体的菱形内柱6后再整体吊上内柱胎架1上(如图6)，最终形成空间稳定体系。 

Claims (7)

1.一种钢结构拼装临时支撑胎架体系的建立方法，其特征是一种用于大型钢结构建筑物单元体拼装的临时支撑胎架体系建立方法，该方法是：利用计算机三维建模软件，先建立起大型钢结构需要拼装单元体的三维仿真模型，并按照该仿真模型确定钢结构的单元体拼装姿态及拼装分段；再根据单元体的拼装姿态优化建立拼装坐标系，输出该拼装坐标系下待拼装结构的各特征外观控制点的三维坐标，最后依据该三维坐标体系及钢结构单元体的拼装姿态设计出与单元体构件互不干涉的临时支撑胎架体系；

具体是采用以下方法建立大型钢结构的拼装单元体的三维仿真模型，其步骤包括：

第一步，有关建筑实体技术参数的准备：

将已知的大型钢结构的实体或施工蓝图进行二维向三维的转化，其中：大型钢结构的施工蓝图中给出的建模技术依据为构件的外观标志点的三维空间坐标，未给出构件外观标志点三维坐标的大型钢结构的实体则通过不同的剖视图所表达出构件的外观几何尺寸及相对关系为三维实体模型的建立提供建模参数依据；三维空间坐标和剖视图的表达都是三维仿真模型建立的参数依据，能从二维图纸中把这些重要的信息提取出来是建模前期重要且必须的准备；

第二步，选择硬件及建模软件：

硬件：相对于二维绘图来讲，大型钢结构的实体建模需要更多的计算机资源，其中，内存需要2G以上，独立显存需要256M以上，

建模软件：根据工程施工各阶段的要求采用合适的绘图软件，其包括AutoCAD，国内的建科院PKPM系列STS钢结构设计软件、同济大学3D3S钢结构设计软件，英国的StruCAD、芬兰TeklaXsteel三维钢结构实体设计软件，它们都可以建立出用于施工阶段的三维模型；

第三步，建模策略的确定：

从宏观层面考虑：在建模过程中注意大型钢结构中互相干涉的系统，以及考虑各系统模型建立的顺序和类型，最大限度的使整体模型的各个系统在几何构造上保持良好的衔接性，在对象特性上保持属性一致性，这样建立的模型在下一步的使用中更具有准确性和针对性，

从微观的层面考虑：主要涉及到一些异形的、构造复杂的单体或零部件的模型建立；建模前仔细的分析实体的几何特性或二维图纸的剖面表示，正确、巧妙的将复杂的实体分解成常规的几何体进行组合，确定合理的操作顺序和思路都可以起到事半功倍的效果；尤其是对复杂模型操作界面的坐标系选择、布尔运算的运算顺序及组合、实体模型的剖切经常运用到的建模方法要深入的扎根在头脑中，不断形成一种良好的、高效的建模思维；

通过以上三个步骤的操作，完成所述三维仿真模型的建立。

2.根据权利要求1所述的钢结构拼装临时支撑胎架体系的建立方法，其特征是在三维仿真模型建立起来以后，采用以下方法确定拼装姿态及拼装分段，以便优化建立拼装坐标系，输出各构件外观控制点坐标；

(1)拼装姿态的确定：

其方法是：尽可能使构件的外观平面与拼装平面平行，并降低其重心高度；将构件的内部及外部对接口降低到地面位置；将尽可能多的复杂节点、大型超重节点降低到地面位置；利用构件自身结构体系最大限度的减少临时支撑胎架，降低构件重心；拼装姿态应与安装施工衔接，避免过多的旋转及翻身；拼装姿态要利于布设测量控制网及外观控制点的观测，

以上几点是空间钢结构拼装方案前期形成的指导方案；

(2)拼装的分段：

分段的主要方法是：在吊机性能满足的情况下，尽可能多的扩大零散构件的拼装范围；以最复杂节点往四周对称延展，保证对外安装接口的型式简单，便于高空对接施工；以最重单体构件往四周对称延展，保证拼装单元体的吊装稳定型；以主体构件向附属构件延伸，利于拼装及安装精度的控制；尽可能的使分段的单元体在拼装姿态下自身能形成稳固的结构体系，减少对临时支撑胎架的依靠。

3.根据权利要求1所述的钢结构拼装临时支撑胎架体系的建立方法，其特征是拼装姿态确定以后，采用以下步骤的方法建立和输出拼装坐标系：

(1)建立拼装坐标系：

先确定拼装单元体的一条长方向整体外形对称中心线作为二维坐标系的Y轴，该中心线不必绝对设置在拼装单元体的中心上，只需根据该单元体实际外形情况大概居中即可，然后在三维空间中做Y轴的空间垂线，并将该垂线绕垂足旋转使其组成的平面尽量平行于拼装单元体最底部构件的外观平面，旋转到位后，形成的平面便是拼装姿态的XY平面，所述空间垂线就是拼装坐标系的X轴；X轴、Y轴确定后，Z轴自动生成，至此拼装坐标系便建立起来；

(2)输出拼装坐标系：

拼装坐标系建立以后，通过平移X、Y、Z轴，就确定了利于拼装坐标系输出的坐标原点的位置，通常将坐标原点设置在拼装单元体的外部，而不设置在单元体的内部，这样就使输出的待拼装构件的各特征外观控制点三维坐标的X、Y值只分布在一个或者两个坐标象限内，习惯于工程施工平面测量的数据处理；当以上的准备工作都完成以后，保存好新建坐标系，该坐标系即为实际拼装施工的坐标系；然后利用建模软件里面的坐标查询命令输出构件各外观点的三维坐标，在输出的过程中，需要始终将三维坐标的原点锁定在新建坐标系的原点上，以保证输出的三维坐标与实际拼装施工的坐标系一一关联，并最终真实的反应到构件实体上。

4.根据权利要求3所述的钢结构拼装临时支撑胎架体系的建立方法，其特征是在建立拼装坐标系的过程中，若拼装单元体不规则时，Y轴这条线是起始参考线，由于此时是按照确定的拼装姿态进行坐标系建立，相当于要在拼装单元体的下方通过Y轴、X轴建立一个二维的拼装平面，因此，Y轴这条直线在空间位置上要平移在拼装单元体的下方。

5.根据权利要求3所述的钢结构拼装临时支撑胎架体系的建立方法，其特征是在建立拼装坐标系的过程中，各构件的就位在XY平面是通过投射到地面的控制投影点来控制，就位时需要的微调精度控制及Z轴方向的控制是通过全站仪实时观测反馈数据来控制。

6.根据权利要求3所述的钢结构拼装临时支撑胎架体系的建立方法，其特征是在建立拼装坐标系的过程中，若遇到一些特殊外观型式的拼装单元体，该单元体中的主体构件或多数构件需要在拼装过程中保证其相对垂直的状态时，应该采取另外一种建立坐标系的方法，即：通过主体构件的轴心线利用Z轴优先的先决条件进行拼装坐标系的建立，沿主体构件的轴心线设置拼装坐标系的Z轴，然后自动生成XY平面，再通过绕Z轴旋转XY轴，达到拼装XY平面的要求，最终完成拼装三维坐标系的建立。

7.根据权利要求1所述的钢结构拼装临时支撑胎架体系的建立方法，其特征是根据空间钢结构的实体几何型式及特点，采用以下步骤的方法设计出所述的临时支撑胎架体系：

(1)分析拼装单元体：确定临时支撑胎架体系属于平面支撑型，还是平面、垂直混合支撑型，以便定出所述胎架体系应该支撑的范围和位置；

(2)细分拼装单元体：分离出主要构件，包括重量最重、节点最多的构件，以这些构件的对接口处作为重点支撑位置向外部延伸，即次要构件依附主要构件的原则；

(3)确立所述胎架体系的具体支撑位置及数量：

尽量保证构件与胎架体系无干涉现象，这个阶段主要是在保证胎架体系稳固安全的前提下控制胎架的数量，并把胎架设置在最合理有效的位置，

在平面片状单元体结构中，基本不用考虑胎架与构件的干涉问题；数量控制上，采用局部小拼的型式，即将简单重复的零散小构件先拼成整体再进入大的单元体，减少胎架用量，

在复杂的多面体系单元体结构中，先确定突出的或者最复杂的单体构件作为支撑的首选位置，通过在三维实体模型空间中，将胎架的模型建立起来，不断调整胎架的位置，观察胎架与构件互相干涉情况，尽量使胎架在穿过单元体的一个结构面去支撑在这个结构面上方的构件时，不能与其它的构件有碰触现象，这点在混合支撑体系的胎架设计中尤其重要；

(4)确立所述胎架体系的结构型式：

平面片状单元体采用门型胎架，该胎架基本由型钢制作；胎架高度根据支撑点处构件的外观三维标高来确定，在实际操作中，胎架高度要比构件外观标高低20～30mm，通过钢楔子来微调，

大型复杂的混合结构单元体采用门型或箱型胎架，箱型截面的胎架在荷载满足的情况下尽量精简界面尺寸，减少占用单元体内部的空间，既避免与构件互相碰触，也增加了施工操作的空间；胎架高度根据支撑点构件的外观标高确定，若构件支撑处的垂直截面不是平面，还需要在胎架与构件接触点处设计过渡支座，将支撑重量通过支座传递到胎架；

(5)所述胎架体系的布置：

通过上述四个步骤在拼装单元体模型空间中将支撑胎架布置到位后，为便于施工，需要将支撑胎架体系在拼装坐标系中的三维位置用二维图纸的方式表达出来：以拼装坐标原点作为胎架体系整体布置定位起始点，支撑胎架体系内各胎架中心定位坐标的X、Y值作为其二维图纸中的尺寸依据，将各个支撑胎架的位置画出形成胎架系统的平面布置图，最后再根据胎架模型绘制用于施工的详图；至此完成了钢结构拼装临时支撑胎架体系的建立。

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