CN106354950A - 一种钢结构预拼装方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢结构预拼装方法及系统，在钢结构预拼装时，使用三维测量技术测量工件真实值，并实时与设计模型比对，修正设计值模型得到真实值模型，再将真实值模型进行预拼装，省去工厂实地拼装过程。在钢结构截面处，架设传感器，布置校准设备，使用探针探触钢箱梁截面，与设计模型比对，得到制造误差值。并可在软件中实现虚拟拼装，将测量所得的真实值模型在软件中实时拼装，直观得到能否拼接的结论。本技术实现了钢结构的虚拟拼装检测，为施工检测提供了更为可靠的保障，节省了场地、人工费和时间。

Description

一种钢结构预拼装方法及系统

技术领域

本发明属于钢箱梁施工技术领域，具体涉及一种钢结构预拼装方法及系统。

背景技术

自上世纪80年代末开始，钢结构在建设领域得到广泛应用。随着经济的发展钢铁工业技术和产能的提升，高层建筑、体育场馆、机场航站楼等建筑物逐渐增多，钢结构进入了快速发展期。然而国内大多数钢结构加工企业中，普遍采用钢尺、拉线、放样吊线和检验模板等传统方法来检验钢构件是否符合设计的要求。对于复杂的钢构件还要通过实物预拼装，检验构件的空间位置，减小累积误差。如今的钢结构造型已经变得十分复杂，如高层建筑的避难层桁架构件、雨棚网壳结构和顶冠造型；又如各种场馆的空间大跨度立体桁架构件和巨型的高架桥梁，给钢构件的检验增添了许多难度。采用现有的检测手段不但需要大片的预拼装场地，检测过程繁琐，测量时间长，检测费用高，而且检测精度低，已经无法满足现在钢结构加工制造技术的需求。

以高架桥的建设为例，高架桥跨度大，为保证高架桥的强度、刚度和稳定性，主体结构全部采用焊制型钢、装配组焊、预应力张拉等措施。为了保证高架桥的强度和刚度，针对其跨度大，安全要求严格等特点，对主体钢结构运用预应力张拉的技术焊制型钢进行装配组焊。高架桥采用顶压弯来控制焊接变形。

传统的分段吊装法的主要特点：结构安装定位和拼装质量易于保证，无需采用参数很大的起重设备；但是拼装胎架用量大，高空作业较多，安全保障难度大，安全措施费用高：

(1)节段制作工艺复杂、周期长

传统工艺通过梁段在胎架拼接的方式制作控制焊接误差，每个梁段制作过程中，胎架的制作、梁段拼装及拆除耗时巨大；

(2)节段制作过程中胎架占用场地大，经济性差

浪费人力、物力、财力等资源，梁段尺寸大，两个胎架上梁段同时施工占据了工厂厂棚大部分空间，耗费资源多，不利于节段制作过程中其他工序的进行。

(3)梁段间误差难以控制

采用现场预制拼装的方式确保了在同一梁段中，各个节段焊接的误差。然而，梁段间也存在误差，难以通过传统工艺进行控制，施工现场的调整耗时长、施工机械、工期浪费严重。

(4)精度控制措施复杂

不同结构的立体拼装特殊，建筑结构上下、左右以及前后完全拼装就位存在很大的工作难度，导致要保证构件组装连接后测量总装偏差的精度也具有很大难度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种钢结构预拼装方法及系统，能省去工厂实地拼装过程，将真实构件尺寸与设计模型比对，得到制造误差值，并可在软件中实现虚拟拼装，直接由软件得到能否拼接的结论。

为了实现上述目的，本发明提供了一种钢结构预拼装方法，包括如下步骤：

(1)使用BIM技术依据设计图纸建立工件的设计值三维模型；

(2)利用三维检测设备对工件进行实测，得到工件的真实值并输入处理器；

(3)处理器调取设计值三维模型，将工件各部位的真实值与设计值进行对比，得到真实值与设计值的偏差；

(4)处理器依据真实值对设计值三维模型进行修正，得到工件的真实值三维模型；

(5)处理器将真实值三维模型进行模拟拼装，输出模拟拼装结果。

进一步地，步骤(2)～(4)中，实测过程与对比过程同步进行，并且在对比过程中，实时对设计值三维模型进行修正，得到真实值三维模型。

进一步地，在步骤(3)还包括如下步骤：

判断真实值与设计值的偏差是否在合格范围内；若工件所有部位的偏差均在合格范围内，则往下进行步骤(4)；若某部位的偏差不在合格范围内，表示工件不合格，对不合格部位进行修正或更换该工件以后，重新执行步骤(2)。

进一步地，在步骤(3)中，若某一时刻检测到某部位的偏差不合格,且该偏差不可修正,则停止检测,直接更换该工件。

进一步地，在步骤(3)中，若某一时刻检测到某部位的偏差不合格,但该偏差可修正,则继续检测,直至检测完毕，或直至检测到不可修正的不合格偏差。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种钢结构预拼装系统，包括：三维检测设备、处理器、BIM模型存储器、显示器；三维检测设备的输出端连接处理器，BIM模型存储器的输入、输出端均连接处理器，显示器的输入端连接处理器；三维检测设备的输入端包括探针，探针用于与工件表面接触测量以获取工件参数的真实值；三维检测设备将探针获取的真实值上传至处理器；BIM模型存储器中存有基于BIM技术建立的包含工件参数的设计值的三维模型；处理器用于将真实值与设计值对比得出偏差,并将该偏差实时输出至显示设备，以及根据实际值修正设计值的三维模型得到真实值的三维模型，并将真实值的三维模型预拼装结果输出至显示设备。

本发明实现了钢结构的虚拟拼装检测，为施工检测提供了更为可靠的保障，节省了场地、人工费和时间。

附图说明

图1是本发明系统架构及工作流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种钢结构预拼装系统，包括：三维检测设备、处理器、BIM模型存储器、显示器；三维检测设备的输出端连接处理器，BIM模型存储器的输入、输出端均连接处理器，显示器的输入端连接处理器；三维检测设备的输入端包括探针，探针用于与工件表面接触测量以获取工件参数的真实值；三维检测设备将探针获取的真实值上传至处理器；BIM模型存储器中存有基于BIM技术建立的包含工件参数的设计值的三维模型；处理器用于将真实值与设计值对比得出偏差,并将该偏差实时输出至显示设备，以及根据实际值修正设计值的三维模型得到真实值的三维模型，并将真实值的三维模型预拼装结果输出至显示设备。

本发明还提供了一种钢结构预拼装方法，包括如下步骤：

(1)使用BIM技术依据设计图纸建立工件的设计值三维模型；

(2)利用三维检测设备对工件进行实测，得到工件的真实值并输入处理器；

(3)处理器调取设计值三维模型，将工件各部位的真实值与设计值进行对比，得到真实值与设计值的偏差；

(4)处理器依据真实值对设计值三维模型进行修正，得到工件的真实值三维模型；

(5)处理器将真实值三维模型进行模拟拼装，输出模拟拼装结果。

在本发明的优选实施例中，步骤(2)～(4)中，实测过程与对比过程同步进行，并且在对比过程中，实时对设计值三维模型进行修正，得到真实值三维模型，保证测量工作的连续性，避免因不连续的测量导致的测量误差。

作为进一步的优化，在步骤(3)还包括如下步骤：

判断真实值与设计值的偏差是否在合格范围内；若工件所有部位的偏差均在合格范围内，则往下进行步骤(4)；若某部位的偏差不在合格范围内，表示工件不合格，对不合格部位进行修正或更换该工件以后，重新从步骤(2)开始执行。为了节约检测时间，可以一次性检测完整个工件，得出工件上所有不合格的部位，然后再集中进行修正使工件合格，修正以后重新从步骤(2)开始执行，以确保修正成功。

在某些情况下，有些不合格的偏差是不可修正的，例如某工件长度设计值为1m，允许偏差为±0.01m，测得的真实值为0.98m，则无法去修正该工件的长度，该工件只能报废，只能重新更换以后，再从步骤(2)重新开始测量。如果测得的真实值为1.02m，则可以通过打磨或切割等方式修正到1±0.1m范围内，因此如果偏差大于﹢0.01，则视为可以修正的偏差。

在步骤(3)中，若某一时刻检测到某部位的偏差不合格,且该偏差不可修正,则直接停止检测,直接更换该工件，可以大大节约检测时间而不必等到将该工件所有参数测量完毕才去更换。但是，在步骤(3)中，若某一时刻检测到某部位的偏差不合格,但该偏差可修正,则可以继续检测,直至检测完毕，或直至检测到不可修正的不合格偏差，从而节约检测时间。

步骤(5)中输出的拼装结果包括但不限于拼装偏差、拼装后的总成的各个参数，以及是否能完成拼装等。例如：对于需要拼装成方框的四个杆，如果虚拟拼装无法拼装成方框，则输出结果为无法拼装，如果能够拼成方框，则显示拼装结果及拼装后的总成的参数，例如方框的整体高度、方框的整体平面度、边框平行度和垂直度等，根据这些参数可以进一步判断拼装总成是否合格。可以人为判断，也可以将合格标准预置到BIM模型或检测软件中，由处理器自动调用比对。

在其他实施例中(未图示)，在步骤(2)中只测量工件的拼装截面的真实值，同时只对设计值三维模型的拼装截面进行修正，对较大的工件，可以大大节约检测时间。

本发明是先在软件中使用BIM技术建立工件的设计值三维模型(即该工件的BIM模型)，并按照三维检测设备的坐标系来建立该BIM模型的坐标系，然后将三维检测设备检测到的工件上的每个点在三维检测设备中的坐标直接导入到BIM模型中，从而可以直接在BIM模型中与该点的设计值坐标进行对比计算，得到两点的偏差值。如果是平面度的检测，则可以在工件的平面上检测多个点，输入到BIM模型中模拟出由这几个检测点确定的真实值平面，然后计算这个真实值平面的平面度与该平面的设计值平面的平面度进行对比，得出平面度的偏差。测量时选取的点越多，该真实值越精确。

总的说来，本发明是将多个需要拼装在一起的工件分别测出其真实值，并利用测到的真实值修正各工件的设计值三维模型，然后将修正得到的各个工件的真实值三维模型进行模拟拼装。根据各构件之间的空间关联性，在对构件接口的特征点进行坐标采集的基础上进行坐标间的转换，并在软件中进行数字建模，从而达到精度分析的一种方法。其原理可以归结于如下两点：

1)对单个已经加工完毕构件建立坐标系，通过接触测量得出探针与工件接触点的坐标，即工件上该点的坐标，将该点定义为特征点，通过检测获取多个不同的特征点，输入到BIM模型即可以根据特征点的坐标来模拟真实工件的曲面、平面，并求出曲率、长度、平面度等参数的真实值。

2)由于两个工件的对接处一定会形成两个拼装面(可以是平面、台阶面、曲面、异形面)，将多个相关构件及其设计值模型一起建立统一的整体坐标系，将单个构件的特征点单独的坐标转化为统一的整体坐标系下的坐标，从而将两个拼装面转化到同一个坐标系中进行计算对比，分析两拼装面的间隙、错边情况。

基于上述方法、系统及其原理，对于场地、吊装设备、时间周期等方面有限制、有时不具备整体预拼装的条件的工程，尤其是大跨度桥梁的建造，能取得良好的工期效益和经济效益。

如图1所示，为基于上述系统和方法的一个具体应用案例，在该案例中，三维测量技术的设备包括连接设备、检测设备和校准设备。连接设备起连接设备的作用，将检测设备、显示设备和校准设备连接起来；检测设备起检测作用，对被测物体进行检查测量，传感器和反射器界定范围，探针探触测量；校准设备起校准作用，设备在出厂前,会在实验室进行多次校准,根据偏差情况生成报告,然后再根据报告误差范围,生成配置文件,这个配置文件会跟随设备一起出厂，以后的所有校准都依据配置文件,凡是校准与配置文件不符的部分,都会增加补偿,以保证测量精度，用户在使用时也会考虑到探针处红宝石球的磨损情况，定期进行校准。

基于上述设备，以高架桥为例，预拼装方法包括以下步骤：

(1)连接设备将检测设备、显示设备(显示设备和处理器都集中在笔记本电脑内)和校准设备连接起来；

(2)使用检测设备中的传感器、相机、探针、光笔校正检测设备的最大测量范围，将高架桥的工程构件放在该测量范围内进行检测；

(3)根据上述高架桥工程构件摆放的空间位置，使用检测设备中的光笔、探针和校准锥进行空间测量精度校准(参考设备出厂时的配置文件补偿校准及用户的四个方位校准)；

(4)将已建好的高架桥工程构件的设计值三维模型导入检测软件中，使用检测设备中的探针在被测物体上探触检测；

(5)探测数据实时传输到显示设备中，并与设计值三维模型进行数据比对，直观显示高架桥的真实构件尺寸值与设计值的偏差；

(6)如果偏差在合格范围内，在检测软件中(检测软件也可以安装在笔记本电脑内，由处理器直接调用)，导入真实构件尺寸值的模型，进行虚拟拼装，显示拼装结果及拼装偏差；

(7)生成检测报告，给出预拼装结论。

上述高架桥的模拟拼装方法，相比于现有技术中传统的实地拼装，具有以下优点：

(1)应用计算机三维模拟仿真预拼装测量技术，录入检测数据即可得出结果和指导数据，操作简单、耗时短；

(2)可应用于桥梁工程钢结构构件整体部位制作全过程，具有代表性和指导性；

(3)由计算机智能处理数据，测量结果可靠、精确度高；

(4)一次开发可重复利用，类似桥梁工程钢结构拼装或者其他钢结构预拼装工程都可以使用，无资源浪费；

(5)可以提高钢结构工程领域生产力，推广意义大。

综上，本发明提出的一种钢结构预拼装三维测量技术及其工作方法具有技术可靠、成本节约、施工可控的特点：

(1)节省场地租赁、机械费用、人工费用；

(2)节约工期，保证产品质量及合格率，提高生产效率；

(3)项目应用BIM技术后，项目管理人员对BIM技术都有了一定的了解，可以对接下来的项目应用BIM技术。

(4)钢结构件制作过程中节省胎架上拼接节段的过程，减少预拼接过程中工程拼装指令等信息请求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钢结构预拼装方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)使用BIM技术依据设计图纸建立工件的设计值三维模型；

(2)利用三维检测设备对工件进行实测，得到工件的真实值并输入处理器；

(3)处理器调取设计值三维模型，将工件各部位的真实值与设计值进行对比，得到真实值与设计值的偏差；

(4)处理器依据真实值对设计值三维模型进行修正，得到工件的真实值三维模型；

(5)处理器将真实值三维模型进行模拟拼装，输出模拟拼装结果。

2.如权利要求1所述的一种钢结构预拼装方法，其特征在于，步骤(2)～(4)中，实测过程与对比过程同步进行，并且在对比过程中，实时对设计值三维模型进行修正，得到真实值三维模型。

3.如权利要求2所述的一种钢结构预拼装方法，其特征在于，在步骤(3)还包括如下步骤：

判断真实值与设计值的偏差是否在合格范围内；若工件所有部位的偏差均在合格范围内，则往下进行步骤(4)；若某部位的偏差不在合格范围内，表示工件不合格，对不合格部位进行修正或更换该工件以后，重新执行步骤(2)。

4.如权利要求3所述的一种钢结构预拼装方法，其特征在于，在步骤(3)中，若某一时刻检测到某部位的偏差不合格,且该偏差不可修正,则停止检测,直接更换该工件。

5.一种如权利要求4所述的一种钢结构预拼装方法，其特征在于，在步骤(3)中，若某一时刻检测到某部位的偏差不合格,但该偏差可修正,则继续检测,直至检测完毕，或直至检测到不可修正的不合格偏差。

6.一种钢结构预拼装系统，其特征在于，包括：三维检测设备、处理器、BIM模型存储器、显示器；三维检测设备的输出端连接处理器，BIM模型存储器的输入、输出端均连接处理器，显示器的输入端连接处理器；

三维检测设备的输入端包括探针，探针用于与工件表面接触测量以获取工件参数的真实值；三维检测设备将探针获取的真实值上传至处理器；

BIM模型存储器中存有基于BIM技术建立的包含工件参数的设计值的三维模型；

处理器用于将真实值与设计值对比得出偏差,并将该偏差实时输出至显示设备，以及根据实际值修正设计值的三维模型得到真实值的三维模型，并将真实值的三维模型预拼装结果输出至显示设备。