CN114717954A - 一种基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，利用BIM类软件建立混凝土塔柱三维仿真模型，根据三维仿真模型提取控制点三维坐标信息，采用三维空间坐标定位技术对塔柱施工过程中各关键构件进行定位安装，以提高塔柱施工质量和施工效率。基于计算辅助施工的理念，在施工前一次性建立整个主塔的三维仿真模型，在控制点提取过程中，只需在仿真模型中输入高程，就能快速提取出控制点坐标，无需根据图纸进行推算；对于主塔施工测量，全站仪三维坐标测量操作简单，效率较高，是比较常用方法，现场使用全站仪测量，不仅可以完成传统的二维坐标的量测，还可以代替水准仪进行高程测量。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁施工技术领域，更具体地说是涉及一种基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法。
背景技术
斜拉桥因其外形优美、建设经济、受力合理且跨越能力大等优势被广泛应用到实际工程中，随着斜拉桥跨越能力逐渐增强，对索塔高度的需求逐渐加大，同时对塔柱的线形控制提出了更高的要求。针对超高混凝土塔柱的施工，由于施工工序较多且大部分属于高空作业，给超高塔柱的施工线形控制及安装带来较大困难。如何实现超高混凝土塔柱快速、安全、高质量的施工成为斜拉桥施工控制研究的重点内容。
塔柱施工测量控制的难点主要在控制点获取以及劲性骨架、钢筋、模板以及索道管的定位方面。塔柱施工前，需获取关键控制点坐标，传统方法一般是通过图纸进行推算获取，效率低下，并且耗费大量人力和物力。劲性骨架在钢筋固定以及模板巩固等方面发挥着重要的作用。由于劲性骨架刚度较大，钢筋、模板可以在劲性骨架上固定，从而预防钢筋骨架整体歪倒和模板垮塌事件的发生，同时工人操作时，可以利用劲性骨架固定安全带，对操作工人起到安全保护的作用。塔柱施工时，需对劲性骨架进行定位，进而对钢筋、模板进行放样。一般劲性骨架施工采用重锤球法进行定位，当塔柱施工地段风力较大时，垂球摆动幅度大，重锤球法将不再适用，因此采用重锤球法对劲性骨架定位存在一定局限性。此外，塔柱施工时，索导管的定位精度要求较高，因为索导管的定位精度决定斜拉索施工质量的好坏，并直接影响桥体受力，如何保证索道管安装和定位的精度一直以来都是塔柱施工控制研究的重点内容。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，利用BIM类软件建立混凝土塔柱三维仿真模型，根据三维仿真模型提取控制点三维坐标信息，采用三维空间坐标定位技术对塔柱施工过程中各关键构件进行定位安装，以提高塔柱施工质量和施工效率。
为实现如上目的，本发明具体的技术方案如下：
一种基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，包括以下步骤：
(1)根据施工设计图纸将主塔划分为多个施工节段，每一施工节段的标准长度为4.5米，利用BIM类软件建立混凝土塔柱三维仿真模型，从所述三维仿真模型中可提取获得塔柱任意标高位置处横截面的三维坐标，包括塔柱截面轴线点、各角点以及塔柱内部构件的控制点坐标；
(2)所述施工节段通过劲性骨架进行塔柱施工，劲性骨架基于三维空间坐标进行定位，内侧设置有钢筋骨架的安装空间，劲性骨架定位时，选择其组件桁骨架端面角点作为施工控制点，进入仿真模型，输入该节段桁骨架端面的高程，即可获得该节段桁骨架控制点的设计坐标，通过全站仪配合吊机安装桁骨架，调整桁骨架位置直至各控制点坐标精度满足施工要求，焊接固定桁骨架，用型钢将桁骨架连接成整体，从而完成劲性骨架的准确定位；
(3)液压爬模及模板安装：沿劲性骨架外侧设置若干内外模板，内外模板采用螺栓固定，内外模板依靠劲性骨架进行初步定位，根据模板角点坐标进行精准定位；
模板定位前在模板角点处贴上全站仪专用反射片，根据实测模板角点高程，从仿真模型中提取出塔柱角点及轴线点设计三维坐标，若实测塔柱角点及轴线点三维坐标与设计三维坐标不符，重新就位模板，调整至设计位置；
(4)塔柱内索导管安装：索道管安装前，先吊装索道管定位架到指定位置，用于支撑索道管，然后从三维仿真模型中提取出索导管上下口中心位置处的三维坐标，作为索导管定位的控制点坐标；在索导管的上下口用角钢设置十字丝框，其中上下口中心位于角钢交界处，在中心点位置处贴上全站仪专用反光片，用于直接测量索道管上下口中心点的三维坐标；最后利用全站仪，用手拉葫芦配合塔吊在定位架上对索导管上下口位置依次进行确定；
(5)混凝土浇筑：在内外模板之间浇筑混凝土，形成薄壁塔柱；
所述塔柱通过若干个直线段塔柱相互拼接而成，通过以直代曲形成塔柱弧形结构。
在本发明的一技术方案中：所述塔柱每一节段的劲性骨架由多个单片桁骨架和型钢组合而成；步骤(2)中采用全站仪三维坐标法定位桁骨架：除首节桁骨架以底面与顶面角点作为安装控制点外，其余节段桁骨架均以其顶面四角点的三维坐标作为安装控制点，从而防止桁骨架横纵向倾斜及扭转；
安照所述桁骨架定位步骤依次将同一节段各片桁骨架吊装放样到位，待同一节段上各片桁骨架全部固定完成后，使用预先制作好的型钢将单片桁骨架焊接成整体，构成完整节段的劲性骨架。
进一步地，在所述安装控制点处粘贴全站仪专用反射片，用于桁骨架的三维坐标定位及安装；所述桁骨架安装定位步骤包括初定位、纠偏以及固定。
进一步地，所述桁骨架的初定位过程具体为：
先按设计位置放样出每片桁骨架底部边线，沿着重心四周设置四个吊点，采用可拆卸吊耳进行吊装，吊装前需调准好角度，使每片桁骨架起吊后的状态基本与安装要求吻合，提高安装效率；桁骨架起吊就位后，施工人员用螺栓将桁骨架与塔座内预埋段或下方的单节桁骨架连接，并进行初拧，实现桁骨架初定位。
进一步地，所述桁骨架的纠偏过程具体为：桁骨架初定位完成后，利用全站仪对桁骨架控制点坐标进行测量，计算出各控制点坐标偏差，根据测量结果通过对讲机指导塔吊工作人员对劲性骨架进行调整，待整体安装精度达到要求后，将连接螺栓全部拧紧，完成纠偏。
进一步地，所述桁骨架的固定过程具体为：让施工人员对桁骨架底部四条边进行焊接固定，焊缝必须饱满，焊接完毕后要将焊渣敲除。
进一步地，采用全站仪三维坐标法放样塔柱同高程截面竖向主筋内边框架线及塔柱截面轴线，测量标志标示于劲性骨架，并将主筋绑扎或焊接在劲性骨架上以达到定位主筋的目的。
在本发明的技术方案中，所述步骤(3)中模板定位的具体步骤如下：
第一步，初步定位：在外模板顶面角点位置处贴上全站仪专用反光片，以塔内劲性骨架为参照物，将内外模板初步拼装到位后临时固定；
第二步，精准定位：通过全站仪测量外模板顶面角点高程，将实测角点高程输入仿真模型获取外模板角点设计坐标和塔柱轴线点设计坐标，测量员利用全站仪测量外模角点坐标，以外模角点坐标作为控制点，指挥工人将外模调整至设计位置，外模位置确定好后，内模则以外模为参照进行调整，待内外模板位置都确定好后，用螺栓将其固定，从而实现模板的精准定位；
第三步，轴线坐标校准：在模板顶部安放十字板，用全站仪测量十字板中心三维坐标，并同第二步所提取的塔柱轴线点坐标进行比较，以校核塔柱轴线。
进一步地，所述步骤(4)中，所述索导管初定位过程为：用全站仪将索导管的上口中心点和下口中心点粗略的放出，然后用塔吊将索导管吊到相应位置，用手拉葫芦调整索导管上口和下口的高程和方向并固定在粗放位置，再对上下口中线点三维坐标进行测量，先确定上口高程和平面位置，用手拉葫芦进行调节，到指定位置临时加固；同样方法定位下口。
更进一步地，所述索导管纠偏以及固定过程为：利用全站仪对索导管上、下口三维坐标进行校核，并通过测量结果与设计坐标点的差值，指导作业人员对索导管系统进行微调。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、基于计算辅助施工的理念，在施工前一次性建立整个主塔的三维仿真模型，在控制点提取过程中，只需在仿真模型中输入高程，就能快速提取出控制点坐标，无需根据图纸进行推算。
2、对于主塔施工测量，全站仪三维坐标测量操作简单，效率较高，是比较常用方法，现场使用全站仪测量，不仅可以完成传统的二维坐标的量测，还可以代替水准仪进行高程测量。
3、劲性骨架整体较高，且塔柱有一定的倾斜率，传统垂球法受风荷载影响大，定位精度相对较低，本发明基于三维定位技术，只需对劲性骨架上端截面四个角点坐标进行控制就可实现整块劲性骨架的准确定位，劲性骨架安装精度和效率得到显著提高。
4、考虑到索道管安装定位难度大，精度要求高，本发明选择索导管上下口中心点为测量控制点，根据全站仪所测坐标信息与设计坐标的差值，指挥吊机和工人进行调整便可实现索导管的快速定位。
附图说明
图1为本发明所采用的塔柱三维空间仿真模型示意图。
图2为本发明所采用的塔柱施工横断面结构示意图
图3为本发明所述劲性骨架安装顶端截面示意图。
图4为本发明所述的模板安装顶端截面示意图。
图5为本发明所述的索导管安装示意图。
标号说明：1、桁骨架A正；2、桁骨架A反；3、桁骨架B正；4、桁骨架B反；5、型钢；6、内模板；7、外模板；8、劲性骨架处全站仪专用反射片；9、模板处全站仪专用反射片；10、索导管定位架；11、索导管；12、上口十字丝中心；13、下口十字丝中心。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，包括以下步骤：
(1)根据施工设计图纸将主塔划分为多个施工节段，每一施工节段的标准长度为4.5米，利用BIM类软件建立混凝土塔柱三维仿真模型，从所述三维仿真模型中可提取获得塔柱任意标高位置处横截面的三维坐标，包括塔柱截面轴线点、各角点以及塔柱内部构件的控制点坐标；
(2)所述施工节段通过劲性骨架进行塔柱施工，劲性骨架基于三维空间坐标进行定位，内侧设置有钢筋骨架的安装空间，劲性骨架定位时，选择其组件桁骨架端面角点作为施工控制点，进入仿真模型，输入该节段桁骨架端面的高程，即可获得该节段桁骨架控制点的设计坐标，通过全站仪配合吊机安装桁骨架，调整桁骨架位置直至各控制点坐标精度满足施工要求，焊接固定桁骨架，用型钢将桁骨架连接成整体，从而完成劲性骨架的准确定位；
(3)液压爬模及模板安装：沿劲性骨架外侧设置若干内外模板，内外模板采用螺栓固定，内外模板依靠劲性骨架进行初步定位，根据模板角点坐标进行精准定位；
模板定位前在模板角点处贴上全站仪专用反射片，根据实测模板角点高程，从仿真模型中提取出塔柱角点及轴线点设计三维坐标，若实测塔柱角点及轴线点三维坐标与设计三维坐标不符，重新就位模板，调整至设计位置；
(4)塔柱内索导管安装：索道管安装前，先吊装索道管定位架到指定位置，用于支撑索道管，然后从三维仿真模型中提取出索导管上下口中心位置处的三维坐标，作为索导管定位的控制点坐标；在索导管的上下口用角钢设置十字丝框，其中上下口中心位于角钢交界处，在中心点位置处贴上全站仪专用反光片，用于直接测量索道管上下口中心点的三维坐标；最后利用全站仪，用手拉葫芦配合塔吊在定位架上对索导管上下口位置依次进行确定；
(5)混凝土浇筑：在内外模板之间浇筑混凝土，形成薄壁塔柱；
劲性骨架在工厂加工制作，先加工成片架，在现场组装成桁架，在用型钢将各组桁架连接成刚度较大的整体。
采用全站仪三维坐标法定位桁骨架。除首节桁骨架控制底面与顶面角点外，其余节段桁骨架均控制其顶面四角点的三维坐标。
桁骨架吊装前，首先要在所选安装控制点位置处粘贴全站仪专用反射片，以便后续利用全站仪对控制点坐标进行测量。
单片桁骨架安装定位步骤包括初定位、纠偏以及固定。
桁骨架安装时，首先安照设计位置放样出每片劲性骨架底部边线，沿着重心四周设置四个吊点，采用可拆卸吊耳进行吊装，吊装前需调准好角度，使每片骨架起吊后的状态基本与安装要求吻合，提高安装效率。桁骨架起吊就位后，施工人员用螺栓将桁骨架与塔座内预埋段或下方的单节骨架连接，并进行初拧，实现桁骨架初定位。桁骨架初定位完成后，利用全站仪对桁骨架控制点坐标进行测量，计算出各控制点坐标偏差，根据测量结果通过对讲机指导塔吊工作人员对劲性骨架进行调整，待整体安装精度达到要求后，将连接螺栓全部拧紧，完成纠偏。纠偏完成后，让施工人员对桁骨架底部四条边进行焊接固定，焊缝必须饱满，焊接完毕后要将焊渣敲除。
按照上述步骤依次将同一节段内所有桁骨架吊装放样到位，待同一节段上各片桁骨架全部固定完成后，使用预先制作好的型钢5将单片桁架连接成整体，构成一个完整节段的劲性骨架。
劲性骨架安装定位完成后，采用全站仪三维坐标法放样塔柱同高程截面竖向主筋内边框架线及塔柱截面轴线，测量标志标示于劲性骨架，并将主筋绑扎或焊接在劲性骨架上以达到定位主筋的目的。塔柱内钢筋安装的总体顺序：竖向主筋→环向水平筋→内外层主筋间的闭合型箍筋→倒角钢筋及拉钩筋。
塔柱内劲性骨架和钢筋安装完成后，即可进行模板的定位，模板定位前在模板角点处贴上全站仪专用反射片，根据实测模板角点高程，从仿真模型中提取出塔柱角点及轴线点设计三维坐标，若实测塔柱角点及轴线点三维坐标与设计三维坐标不符，重新就位模板，待塔柱模板体系初定位完成后，测量员利用全站仪对各模板监测点再进行一次整体复核，计算出测量结果与设计坐标的差值，并配合塔上作业人员对模板进行微调，塔上作业人员采用液压千斤顶对模板监测点处板面进行调整，当每块模板监测点的坐标误差均控制在5.0mm以内时，将模板全部固定。
索道管安装前首先要利用塔吊吊装索导管定位架，将其作为塔柱锚固区的永久性构造，固定在塔柱内，用于定位和固定索导管。然后从塔柱仿真模型中提取出索导管上下口中心点理论坐标，索导管的上下口用角钢设置十字丝框，上下口中心位于角钢交界处，在中心点位置处贴上全站仪专用反光片，用于直接测量索道管上下口中心点的三维坐标。
索导管安装时，先用全站仪将索导管的上口中心点和下口中心点粗略的放出，然后用塔吊将索导管吊到相应位置，用手拉葫芦调整索导管上口和下口的高程和方向并固定在粗放位置，再对上下口中线点三维坐标进行测量，先确定上口高程和平面位置，用手拉葫芦进行调节，到指定位置临时加固。同样方法定位下口。索导管初定位完成后，利用全站仪对索导管上、下口三维坐标进行校核，通过测量结果与设计坐标点的差值，指导作业人员对索导管系统进行微调。作业人员在吊机的协助下，利用撬棍、垫块等对索导管底部支座进行调整，待索导管出口点坐并标的测量结果与设计值误差控制在±5.0mm以内时，对索导管支座与定位架连接处进行对称焊接。
混凝土的浇筑，下塔柱高度较低，优先采用汽车泵浇筑，当条件受限时采用输送泵泵送入模。塔柱混凝土养护采取喷淋养护方式，拆模后，于每节段顶部布置一圈软水管，按50cm间距在水管上钻孔，采取高压水泵供水，让养护水自然喷出并顺塔身流淌，形成保湿养护。
通过以上实施步骤，能形成本发明的主塔塔柱，成型之后的主塔塔柱通过若干个直线段塔柱相互拼接而成，通过以直代曲形成塔柱弧形结构。如图1为塔柱三维空间仿真模型示意图。
尽管本发明专利的实施方案已公开如上，但其并不仅仅局限于说明书和实施方式中所列的应用，它完全可以适用于本发明专利所适用的多个领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明专利并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据施工设计图纸将主塔划分为多个施工节段，每一施工节段的标准长度为4.5米，利用BIM类软件建立混凝土塔柱三维仿真模型，从所述三维仿真模型中可提取获得塔柱任意标高位置处横截面的三维坐标，包括塔柱截面轴线点、各角点以及塔柱内部构件的控制点坐标；
(2)所述施工节段通过劲性骨架进行塔柱施工，劲性骨架基于三维空间坐标进行定位，内侧设置有钢筋骨架的安装空间，劲性骨架定位时，选择其组件桁骨架端面角点作为施工控制点，进入仿真模型，输入该节段桁骨架端面的高程，即可获得该节段桁骨架控制点的设计坐标，通过全站仪配合吊机安装桁骨架，调整桁骨架位置直至各控制点坐标精度满足施工要求，焊接固定桁骨架，用型钢将桁骨架连接成整体，从而完成劲性骨架的准确定位；
(3)液压爬模及模板安装：沿劲性骨架外侧设置若干内外模板，内外模板采用螺栓固定，内外模板依靠劲性骨架进行初步定位，根据模板角点坐标进行精准定位；
模板定位前在模板角点处贴上全站仪专用反射片，根据实测模板角点高程，从仿真模型中提取出塔柱角点及轴线点设计三维坐标，若实测塔柱角点及轴线点三维坐标与设计三维坐标不符，重新就位模板，调整至设计位置；
(4)塔柱内索导管安装：索道管安装前，先吊装索道管定位架到指定位置，用于支撑索道管，然后从三维仿真模型中提取出索导管上下口中心位置处的三维坐标，作为索导管定位的控制点坐标；在索导管的上下口用角钢设置十字丝框，其中上下口中心位于角钢交界处，在中心点位置处贴上全站仪专用反光片，用于直接测量索道管上下口中心点的三维坐标；最后利用全站仪，用手拉葫芦配合塔吊在定位架上对索导管上下口位置依次进行确定；
(5)混凝土浇筑：在内外模板之间浇筑混凝土，形成薄壁塔柱；
所述塔柱通过若干个直线段塔柱相互拼接而成，通过以直代曲形成塔柱弧形结构。
2.根据权利要求1所述的基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，其特征在于，所述塔柱每一节段的劲性骨架由多个单片桁骨架和型钢组合而成；步骤(2)中采用全站仪三维坐标法定位桁骨架：除首节桁骨架以底面与顶面角点作为安装控制点外，其余节段桁骨架均以其顶面四角点的三维坐标作为安装控制点，从而防止桁骨架横纵向倾斜及扭转；
安照所述桁骨架定位步骤依次将同一节段各片桁骨架吊装放样到位，待同一节段上各片桁骨架全部固定完成后，使用预先制作好的型钢将单片桁骨架焊接成整体，构成完整节段的劲性骨架。
3.根据权利要求2所述的基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，其特征在于，在所述安装控制点处粘贴全站仪专用反射片，用于桁骨架的三维坐标定位及安装；所述桁骨架安装定位步骤包括初定位、纠偏以及固定。
4.根据权利要求3所述的基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，其特征在于，所述桁骨架的初定位过程具体为：
先按设计位置放样出每片桁骨架底部边线，沿着重心四周设置四个吊点，采用可拆卸吊耳进行吊装，吊装前需调准好角度，使每片桁骨架起吊后的状态基本与安装要求吻合，提高安装效率；桁骨架起吊就位后，施工人员用螺栓将桁骨架与塔座内预埋段或下方的单节桁骨架连接，并进行初拧，实现桁骨架初定位。
5.根据权利要求3所述的基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，其特征在于，所述桁骨架的纠偏过程具体为：桁骨架初定位完成后，利用全站仪对桁骨架控制点坐标进行测量，计算出各控制点坐标偏差，根据测量结果通过对讲机指导塔吊工作人员对劲性骨架进行调整，待整体安装精度达到要求后，将连接螺栓全部拧紧，完成纠偏。
6.根据权利要求3所述的基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，其特征在于，所述桁骨架的固定过程具体为：让施工人员对桁骨架底部四条边进行焊接固定，焊缝必须饱满，焊接完毕后要将焊渣敲除。
7.根据权利要求1所述的基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，其特征在于，采用全站仪三维坐标法放样塔柱同高程截面竖向主筋内边框架线及塔柱截面轴线，测量标志标示于劲性骨架，并将主筋绑扎或焊接在劲性骨架上以达到定位主筋的目的。
8.根据权利要求1所述的基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，其特征在于，所述步骤(3)中模板定位的具体步骤如下：
第一步，初步定位：在外模板顶面角点位置处贴上全站仪专用反光片，以塔内劲性骨架为参照物，将内外模板初步拼装到位后临时固定；
第二步，精准定位：通过全站仪测量外模板顶面角点高程，将实测角点高程输入仿真模型获取外模板角点设计坐标和塔柱轴线点设计坐标，测量员利用全站仪测量外模角点坐标，以外模角点坐标作为控制点，指挥工人将外模调整至设计位置，外模位置确定好后，内模则以外模为参照进行调整，待内外模板位置都确定好后，用螺栓将其固定，从而实现模板的精准定位；
第三步，轴线坐标校准：在模板顶部安放十字板，用全站仪测量十字板中心三维坐标，并同第二步所提取的塔柱轴线点坐标进行比较，以校核塔柱轴线。
9.根据权利要求1所述的基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述索导管初定位过程为：用全站仪将索导管的上口中心点和下口中心点粗略的放出，然后用塔吊将索导管吊到相应位置，用手拉葫芦调整索导管上口和下口的高程和方向并固定在粗放位置，再对上下口中线点三维坐标进行测量，先确定上口高程和平面位置，用手拉葫芦进行调节，到指定位置临时加固；同样方法定位下口。
10.根据权利要求9所述的基于三维空间坐标定位的超高混凝土塔柱施工方法，其特征在于，所述索导管纠偏以及固定过程为：利用全站仪对索导管上、下口三维坐标进行校核，并通过测量结果与设计坐标点的差值，指导作业人员对索导管系统进行微调。
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