CN108824816B - 一种高空大跨网架滑移定位安装及监测方法 - Google Patents

一种高空大跨网架滑移定位安装及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高空大跨网架滑移定位安装方法，解决了滑移法施工中螺栓球节点快速精准定位问题；采用三维激光扫描系统对钢结构的高空大跨网架进行定位，能够一次对整个拼装平台的所有螺栓球节点的位置同步定位，快速方便，而传统的方法使用全站仪和经纬仪逐个测定螺栓球节点安装位置，费时费力；本发明还提供一种高空大跨网架滑移定位安装的监测方法，解决了滑移法施工高空大跨钢结构网架在网架脱离滑移操作架过程中缺少对网架变形监测的问题，采用三维激光扫描系统对网架的关键节点的位移变形进行监测，通过对有限元计算的变形结果进行对比，有利于判断网架的状态，保证网架变形在可控范围之内，降低了施工风险，保证施工安全。

Description

一种高空大跨网架滑移定位安装及监测方法
技术领域
本发明属于建筑领域，尤其涉及一种高空大跨网架滑移定位安装及监测方法。
背景技术
大跨度空间钢结构作为一种形式多样、美观经济的建筑结构，在公共建筑中被广泛采用。与此同时，大跨度空间钢结构独特复杂的结构形式也给现场施工带来了机遇和挑战。
相较于一般的钢结构构件，大跨钢网架结构的安装存在一些施工难点：（1）稳定性问题，在吊装过程中易发生钢网架偏离吊装位置的问题，从而导致构件不能快速准确的吊装就位；（2）高空作业量大，由于吊装机械的限值，采用吊装施工的方法需要进行高空散件拼装焊接，加大了工作量并且施工中存在很大的安全问题。
滑移法施工，克服了上述困难，并且被广泛应用于高空大跨钢网架的安装。在网架拼装之前，需要对网架支座位置进行精准定位，在滑移操作架的滑移施工过程中，需要对脱离滑移操作架的钢结构网架进行监测，传统采用全站仪进行定位的方法需要依次多每一个网架支座位置进行测量，费时费力，同时很难保证各个关键点位同步监测，钢结构网架变形问题得不到重视，无法对较大的变形进行预警。
三维扫描是指集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。采用基于三维扫描系统的高空大跨网架滑移安装定位方法，既能降低钢网架安装就位时的施工难度，又保证了钢网架脱离滑移操作架时变形监测的问题，是一种高效安全的钢结构施工方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种高空大跨网架滑移定位安装方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
一种高空大跨网架滑移定位安装方法，所述高空大跨网架滑移定位安装方法包括如下步骤：
（1）依据设计文件在MIDAS软件中建立钢结构的高空大跨网架以及滑移拼装时的滑移操作架的有限元模型，采用MIDAS软件提供的施工仿真功能，输入高空大跨网架的单元材料信息，结构受力信息以及边界条件，计算出钢结构的高空大跨网架在滑移施工过程中上弦螺栓球中心点位移，形成相应的螺栓球节点的变形数据；
（2）将螺栓球节点的变形数据作为钢结构的高空大跨网架滑移施工安装的关键节点进行监测，并对现场钢结构网架的位置标记物进行颜色标记，以方便识别；
（3）在钢结构的高空大跨网架的滑移安装施工现场建立三维激光扫描系统，建立步骤包括：
（301）根据施工现场的控制点，对三维激光扫描仪位置进行标定，确保钢结构的高空大跨网架拼装都在三维激光扫描仪的扫描范围内，且不受施工影响；
（302）利用三维激光扫描仪发出的脉冲信号经过物体反射到接收器所用的时间t，计算出三维激光扫描仪和目标监测点的距离S，控制三维激光编码同步测量出扫描的横向角度α和纵向角度β；根据以上信息以及光的传播速度，计算出目标监测点相对扫描仪的坐标；点P为目标监测点，点P的坐标即为目标监测点的相对坐标，点P的坐标为（X P ，Y P ，Z P ）：
于是得到：
X P = Scosβcosα；
Y P = Scosβsinα；
Z P = Scosβ
其中，S = ct/2，c为光速；
（4）网架安装之前，需要对螺栓球节点的位置进行精确定位，利用三维激光扫描系统中的三维激光扫描仪扫描颜色标记的位置标记物，将扫描结果传输到电脑终端，识别位置标记物的顶点坐标，不断调整，直到满足设计的精度要求，将各个螺栓球节点固定至位置标记物所处的位置上，标记各个螺栓球节点的中心位置，然后固定钢结构的高空大跨网架。
本发明另外一个目的在于，针对现有技术的不足，提供一种高空大跨网架滑移定位安装的监测方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
一种高空大跨网架滑移定位安装的监测方法，所述高空大跨网架滑移定位安装的监测方法基于前面所述的高空大跨网架滑移定位安装方法，并包括如下步骤：
（1）滑移操作架在滑移施工之前，利用三维激光扫描系统中的三维激光扫描仪对已完成拼装的钢结构网架上弦杆的螺栓球进行扫描，将所得到的点云数据实时传输到电脑终端；利用与相应三维激光扫描仪的配套的数据处理软件对点云数据进行处理；将得到的点云数据进行去噪处理，即利用多变滤波算法剔除测量获得的数据中的离群点，利用多项式曲线拟合，将点云数据的坐标进行拟合，测算钢结构的空间大跨网架上弦杆螺栓球节点顶点的三维空间坐标；
（2）滑移操作架滑移到下一片钢结构的高空大跨网架的操作位置时，对上一片脱离滑移操作架的网架再次扫描，将得到的点云数据进行去噪以及坐标拟合，测算钢结构的空间大跨网架上弦杆螺栓球节点顶点的三维空间坐标。
（3）并重复步骤（1）至（2）中的操作，直至完成所有钢结构的高空大跨网架的滑移安装操作。
（4）将MIDAS软件分析的螺栓球节点变形数据作为阈值fi，其中i为第i个关键节点，比较（1）和（2）中的对应的螺栓球关键节点的位移Si，当对应的Si＞fi时，进行预警，同时对已安装的网架重新进行调整。
本发明提供了一种高空大跨网架滑移定位安装方法，解决了滑移法施工中螺栓球节点快速精准定位问题；采用三维激光扫描系统对钢结构的高空大跨网架进行定位，能够一次对整个拼装平台的所有螺栓球节点的位置同步定位，快速方便，而传统的方法使用全站仪和经纬仪逐个测定螺栓球节点安装位置，费时费力；本发明还提供一种高空大跨网架滑移定位安装的监测方法，解决了滑移法施工高空大跨钢结构网架在网架脱离滑移操作架过程中缺少对网架变形监测的问题，采用三维激光扫描系统对网架的螺栓球节点的位移变形进行监测，通过对有限元计算的螺栓球变形数据进行对比，有利于判断网架的状态，保证网架变形在可控范围之内，降低了施工风险，保证施工安全；本发明中的三维激光扫描系统主要的作用为定位，以及关键节点的位移变形监测，无需对整个网架进行三维重构，有效降低了数据处理量，加快了数据处理的速度。
附图说明
图1为位置标记物的定位示意图；
图2为高空大跨网架滑移定位安装示意图；
图3为本发明所提供的三维激光扫描系统的建立示意图；
图中：1-三维激光扫描仪；2-滑移操作架；201-位置标记物；202-滑轮；3-导轨；4-高空大跨网架；401-螺栓球节点。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
一种高空大跨网架滑移定位安装及监测方法，包括如下步骤：
（1）依据设计文件在MIDAS软件中建立钢结构的高空大跨网架以及滑移拼装时的滑移操作架的有限元模型，采用MIDAS软件提供的施工仿真功能，输入高空大跨网架的单元材料信息，结构受力信息以及边界条件，计算出钢结构的高空大跨网架在滑移施工过程中上弦螺栓球中心点位移，形成相应的螺栓球节点的变形数据；
（2）将螺栓球节点的变形数据作为钢结构的高空大跨网架滑移施工安装的关键节点进行监测，并对现场钢结构网架的位置标记物进行颜色标记，以方便识别；
（3）在钢结构的高空大跨网架的滑移安装施工现场建立三维激光扫描系统，建立步骤包括：
（301）根据施工现场的控制点，对三维激光扫描仪位置进行标定，确保钢结构的高空大跨网架拼装都在三维激光扫描仪的扫描范围内，且不受施工影响；
（302）利用三维激光扫描仪发出的脉冲信号经过物体反射到接收器所用的时间t，计算出三维激光扫描仪和目标监测点的距离S，控制三维激光编码同步测量出扫描的横向角度α和纵向角度β；根据以上信息以及光的传播速度，计算出目标监测点相对扫描仪的坐标；点P为目标监测点，点P的坐标即为目标监测点的相对坐标，点P的坐标为（X P ，Y P ，Z P ）：
于是得到：
X P = Scosβcosα；
Y P = Scosβsinα；
Z P = Scosβ
其中，S = ct/2，c为光速；
（4）网架安装之前，需要对螺栓球节点的位置进行精确定位，利用三维激光扫描系统中的三维激光扫描仪扫描颜色标记的位置标记物，将扫描结果传输到电脑终端，识别位置标记物的顶点坐标，不断调整，直到满足设计的精度要求，将各个螺栓球节点固定至位置标记物所处的位置上，标记各个螺栓球节点的中心位置，然后固定钢结构的高空大跨网架。
（5）滑移操作架在滑移施工之前，利用三维激光扫描系统中的三维激光扫描仪对已完成拼装的钢结构网架上弦杆的螺栓球进行扫描，将所得到的点云数据实时传输到电脑终端；利用与相应三维激光扫描仪的配套的数据处理软件对点云数据进行处理；将得到的点云数据进行去噪处理，即利用多变滤波算法剔除测量获得的数据中的离群点，利用多项式曲线拟合，将点云数据的坐标进行拟合，测算钢结构的空间大跨网架上弦杆螺栓球节点顶点的三维空间坐标；
（6）滑移操作架滑移到下一片钢结构的高空大跨网架的操作位置时，对上一片脱离滑移操作架的网架再次扫描，将得到的点云数据进行去噪以及坐标拟合，测算钢结构的空间大跨网架上弦杆螺栓球节点顶点的三维空间坐标。
（7）并重复步骤（5）至（6）中的操作，直至完成所有钢结构的高空大跨网架的滑移安装操作。
（8）将MIDAS软件分析的螺栓球节点变形数据作为阈值fi，其中i为第i个关键节点，比较（5）和（6）中的对应的螺栓球关键节点的位移Si，当对应的Si＞fi时，进行预警，同时对已安装的网架重新进行调整。
图2为本发明所提供的一种大跨网架滑移安装定位方法应用于一大跨空间网架滑移施工过程网架支座的安装定位案例，具体实施包括以下步骤；
（1）根据现场的施工环境，确定每片网架安装时三维激光扫描仪1的安装位置，确保网架拼装都在扫描仪1的扫描范围内，且不受施工影响。
（2）网架安装之前，对螺栓球节点的位置进行精确定位，利用三维激光扫描系统中的三维激光扫描仪1扫描位置标记物201，将扫描结果传输到电脑终端，识别位置标记物201的顶点坐标，依据平面坐标图不断调整，直到满足设计的精度要求，用水平仪、卷尺、墨线标记处各个螺栓球节点401的中心位置。
（3）根据标记好的螺栓球节点的中心位置，垫实螺栓球节点的安装平面，依次拼装网架。
图3为本发明所提供的一种大跨网架滑移安装监测方法应用于一大跨空间网架滑移施工过程网架脱离滑移操作架变形监测案例，具体实施包括以下步骤；
（1）依据设计文件在MIDAS软件中建立钢网架以及滑移拼装时的滑移操作架的有限元模型，采用MIDAS软件提供的施工仿真功能，输入网架结构单元材料信息，结构受力信息以及边界条件，计算出钢网架在滑移施工过程中钢结构网架上弦螺栓球节点变形数据，并形成记录网架变形的文件“钢网架有限元施工分析变形.txt”。
（2）将“钢网架有限元施工分析变形.txt”文件中节点作为钢结构网架滑移施工安装的关键节点进行监测，并在现场钢网架的关键节点位置进行颜色标记，目的是在扫描文件中快速识别相关位置。
（3）滑移操作架2在滑移之前，利用三维扫描仪对完成钢结构网架进行扫描，将所得到的点云数据实时传输到电脑终端。利用扫描仪的后处理软件对点云数据进行处理。将得到的点云数据进行去噪处理，利用多项式曲线拟合方法，测算关键节点的三维空间相对坐标“第一次扫描坐标”。
（4）通过滑移操作架2上设置的滑轮202在导轨3上滑移到下一片网架4的操作位置，重复（3）中的步骤，形成新的坐标文件“第二次扫描坐标”。
（5）将MIDAS软件分析的变形结果作为阈值fi，其中i为第i个关键节点，比较（3）和（4）中的对应的螺栓球节点位移Si，当Si＞fi时，进行预警，同时对已安装的网架重新进行调整。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高空大跨网架滑移定位安装的监测方法，其特征在于，所述高空大跨网架滑移定位安装方法包括如下步骤：
(1)依据设计文件在MIDAS软件中建立钢结构的高空大跨网架以及滑移拼装时的滑移操作架的有限元模型，采用MIDAS软件提供的施工仿真功能，输入高空大跨网架的单元材料信息，结构受力信息以及边界条件，计算出钢结构的高空大跨网架在滑移施工过程中上弦螺栓球中心点位移，形成相应的螺栓球节点的变形数据；
(2)将螺栓球节点的变形数据作为钢结构的高空大跨网架滑移施工安装的关键节点进行监测，并对现场钢结构网架的位置标记物进行颜色标记，以方便识别；
(3)在钢结构的高空大跨网架的滑移安装施工现场建立三维激光扫描系统，建立步骤包括：
(301)根据施工现场的控制点，对三维激光扫描仪位置进行标定，确保钢结构的高空大跨网架拼装都在三维激光扫描仪的扫描范围内，且不受施工影响；
(302)利用三维激光扫描仪发出的脉冲信号经过物体反射到接收器所用的时间t，计算出三维激光扫描仪和目标监测点的距离S，控制三维激光编码同步测量出扫描的横向角度α和纵向角度β；根据以上信息以及光的传播速度，计算出目标监测点相对扫描仪的坐标；点P为目标监测点，点P的坐标即为目标监测点的相对坐标，点P的坐标为(XP，YP，ZP)：
于是得到：
XP＝Scosβcosα；
YP＝Scosβsinα；
ZP＝Scosβ
其中，S＝ct/2，c为光速；
(4)网架安装之前，需要对螺栓球节点的位置进行精确定位，利用三维激光扫描系统中的三维激光扫描仪扫描颜色标记的位置标记物，将扫描结果传输到电脑终端，识别位置标记物的顶点坐标，不断调整，直到满足设计的精度要求，将各个螺栓球节点固定至位置标记物所处的位置上，标记各个螺栓球节点的中心位置，然后固定钢结构的高空大跨网架；
(5)滑移操作架在滑移施工之前，利用三维激光扫描系统中的三维激光扫描仪对已完成拼装的钢结构网架上弦杆的螺栓球进行扫描，将所得到的点云数据实时传输到电脑终端；利用与相应三维激光扫描仪的配套的数据处理软件对点云数据进行处理；将得到的点云数据进行去噪处理，即利用多变滤波算法剔除测量获得的数据中的离群点，利用多项式曲线拟合，将点云数据的坐标进行拟合，测算钢结构的空间大跨网架上弦杆螺栓球节点顶点的三维空间坐标；
(6)滑移操作架滑移到下一片钢结构的高空大跨网架的操作位置时，对上一片脱离滑移操作架的网架再次扫描，将得到的点云数据进行去噪以及坐标拟合，测算钢结构的空间大跨网架上弦杆螺栓球节点顶点的三维空间坐标；
(7)并重复步骤(5)至(6)中的操作，直至完成所有钢结构的高空大跨网架的滑移安装操作；
(8)将MIDAS软件分析的螺栓球节点变形数据作为阈值fi，其中i为第i个关键节点，比较(5)和(6)中的对应的螺栓球关键节点的位移Si，当对应的Si＞fi时，进行预警，同时对已安装的网架重新进行调整。
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