高精度全站儀在栓接鋼結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用

向 陽，鄂利春，高相府，徐曉玉，劉 杰，葉愛青

(1. 福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007； 2. 上海龍禹船舶技術(shù)有限公司，上海 201206)

測繪4.0：拓普康索佳應(yīng)用方案專欄

高精度全站儀在栓接鋼結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用

向 陽1，鄂利春2，高相府2，徐曉玉2，劉 杰2，葉愛青2

(1. 福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007； 2. 上海龍禹船舶技術(shù)有限公司，上海 201206)

1 項(xiàng)目簡介

本項(xiàng)目為管廊模塊項(xiàng)目，管道在鋼構(gòu)件結(jié)構(gòu)上預(yù)制，鋼結(jié)構(gòu)自身設(shè)計(jì)采用螺栓栓接，分為上下兩層對(duì)接，底部模塊與現(xiàn)場已安裝完成的地腳螺栓連接。如圖1所示，共有18根立柱，每根立柱上下兩層連接板面均需測量，單個(gè)連接面測量4角的4個(gè)螺栓孔，測量點(diǎn)數(shù)多；而且單個(gè)螺栓孔精度要求為1″/16。為保證項(xiàng)目的順利運(yùn)行，使用高精度全站儀SOKKIA NET1005進(jìn)行檢測。

圖1 模塊結(jié)構(gòu)

2 基于SOKKIA NET1005的精度檢測方法

2.1 SOKKIA NET1005簡介

SOKKIA NET1005測角精度為0.5″；測距精度為：反射片：0.5 mm+1×10-6D，棱鏡：0.8 mm+1×10-6D，免棱鏡：1 mm+1×10-6D。因項(xiàng)目現(xiàn)場環(huán)境及測量點(diǎn)位限制無法使用棱鏡測量，只能使用反射片測量模式。

2.2 測量實(shí)施方案

現(xiàn)場測量點(diǎn)為螺栓孔中心，需要獲得其圓心的三維坐標(biāo)，由于圓心點(diǎn)不存在于鋼構(gòu)件上，因此需制作特定的測量工裝來滿足測量條件。如圖2所示，根據(jù)鋼構(gòu)件螺栓孔大小制作孔檢測工裝，孔接觸面作-0.3 mm公差，以滿足現(xiàn)場使用及精度要求。

現(xiàn)場測量采用自由設(shè)站方式，全站儀架設(shè)整平后，對(duì)螺栓孔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于現(xiàn)場存在遮擋，以及測量鋼構(gòu)件頂部螺栓孔時(shí)需要進(jìn)行搬站，為減少搬站帶來的誤差，在測量初始時(shí)在構(gòu)件四周需布設(shè)4～5個(gè)固定標(biāo)靶，其坐標(biāo)應(yīng)在第1測站內(nèi)測量，其后的每次搬站測量均使用至少3個(gè)公共點(diǎn)標(biāo)靶(選其中一固定點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)復(fù)核確認(rèn))進(jìn)行轉(zhuǎn)站，且搬站精度應(yīng)在1 mm內(nèi)才能進(jìn)行下一測站的測量，如圖3所示。

圖2 孔檢測工裝

圖3 全站儀自由設(shè)站中搬站測量示意圖

2.3 自由設(shè)站原理與精度評(píng)定

我不肯和張家明發(fā)生關(guān)系，有兩個(gè)原因。一是因?yàn)槲夷挲g小；二則是我并沒有將自己托付給張家明的想法。我只不過是暫時(shí)拿他當(dāng)保護(hù)傘而已。

轉(zhuǎn)站測量采用的是自由設(shè)站邊角交會(huì)原理，通過測量A、B兩個(gè)已知點(diǎn)，自動(dòng)計(jì)算設(shè)站點(diǎn)P的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)一，完成搬站。

A、B為已知點(diǎn)，P為設(shè)站點(diǎn)。通過測量距離S1、S2，測定夾角γ，列出誤差方程式

V=BX-L

(1)

其表達(dá)式為

針對(duì)方向與距離兩類測量值，定義方向觀測值的中誤差為m0，定權(quán)為1，則邊長觀測值定權(quán)為

由目標(biāo)函數(shù)VTPV=min列出法方程，解算得

X=(BTPB)-1BTPL

(2)

協(xié)因數(shù)陣為

(3)

點(diǎn)位中誤差為

(4)

3 單構(gòu)件尺寸精度分析

3.1 數(shù)據(jù)分析處理

利用分析軟件直接讀取3D設(shè)計(jì)模型，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測螺栓孔位生成理論點(diǎn)三維坐標(biāo)(X，Y，Z)，將實(shí)測數(shù)據(jù)坐標(biāo)集(x1，y1，z1)導(dǎo)入軟件中進(jìn)行自動(dòng)匹配，實(shí)現(xiàn)實(shí)測點(diǎn)與設(shè)計(jì)點(diǎn)一對(duì)一匹配。

由于鋼構(gòu)件采用上下對(duì)接的方式，底層模塊還需與安裝現(xiàn)場對(duì)接，因此分析時(shí)以模塊的地面地腳螺栓為基準(zhǔn)，分析整個(gè)模塊的建造狀態(tài)。

數(shù)據(jù)處理時(shí)需采用自動(dòng)、手動(dòng)匹配調(diào)整，首先整體數(shù)據(jù)自動(dòng)匹配結(jié)束后，進(jìn)行距離綁定，查看整體數(shù)據(jù)偏差狀態(tài)；再根據(jù)底部基準(zhǔn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，在軟件中利用“1點(diǎn)、2點(diǎn)、3點(diǎn)”的旋轉(zhuǎn)、平移功能，直到整體螺栓孔數(shù)據(jù)達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，至此單個(gè)鋼構(gòu)件的數(shù)據(jù)分析結(jié)束，如圖4所示。

圖4 單個(gè)鋼構(gòu)件數(shù)據(jù)分析處理

3.2 報(bào)告出具

軟件中含有三維版塊和二維版塊，三維版塊中數(shù)據(jù)分析結(jié)束后進(jìn)入二維版塊中生成數(shù)據(jù)報(bào)表，一鍵生成鋼構(gòu)件底部、頂部的螺栓孔偏差數(shù)據(jù)報(bào)告，如圖5所示。

圖5 模塊螺栓孔圖形報(bào)告

4 數(shù)字化模擬預(yù)拼裝

4.1 模擬預(yù)拼

模擬拼裝預(yù)期效果及目標(biāo)是通過數(shù)據(jù)的電腦模擬預(yù)拼替代現(xiàn)場實(shí)物預(yù)拼同樣可滿足建造精度；對(duì)所有制作好的單一構(gòu)件進(jìn)行虛擬拼裝，以檢驗(yàn)單一構(gòu)件的尺寸偏差及對(duì)接構(gòu)件的累積偏差。

此項(xiàng)目對(duì)接面共有兩個(gè)：一個(gè)是底部模塊底層地腳螺栓與安裝現(xiàn)場支墩螺栓連接，另一個(gè)是底部模塊頂部螺栓與頂部模塊對(duì)接。

利用電腦預(yù)拼裝軟件讀取對(duì)接單構(gòu)件分析完成的數(shù)據(jù)文件，將底層模塊構(gòu)件作為基準(zhǔn)分段，安裝現(xiàn)場的支墩地腳螺栓數(shù)據(jù)由于提前預(yù)制安裝完成，可以將其理論數(shù)據(jù)當(dāng)成實(shí)測數(shù)據(jù)，頂層模塊構(gòu)件的實(shí)測值與底層模塊構(gòu)件的實(shí)測值進(jìn)行拼裝匹配，頂層模塊構(gòu)件通過分析調(diào)整，已達(dá)到整體螺栓孔的最優(yōu)匹配。分析過程如圖6所示。

圖6 模擬預(yù)拼裝過程分析

4.2 現(xiàn)場修正

對(duì)接模塊完成模擬預(yù)拼裝后，出具如圖7所示的對(duì)接面圖形報(bào)告，工程師根據(jù)螺栓孔匹配結(jié)果，給出解決方案。

圖7 模塊對(duì)接面圖形報(bào)告

結(jié)合設(shè)計(jì)、安裝要求，在保證安裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，對(duì)于超差無法對(duì)接的問題，采用底層模塊頂部單張面板上的對(duì)接螺栓孔擴(kuò)孔處理方案，保證螺栓孔完成對(duì)接；對(duì)接超差且不允許擴(kuò)孔的對(duì)接面板現(xiàn)場安裝時(shí)采用焊接方式連接；底層模塊構(gòu)件地腳螺栓對(duì)接時(shí)根據(jù)偏差報(bào)告對(duì)螺栓孔進(jìn)行擴(kuò)孔修正，而不允許擴(kuò)孔處理時(shí)則修改安裝現(xiàn)場支墩的地腳螺栓坐標(biāo)位置，以滿足現(xiàn)場的順利安裝。

5 結(jié) 語

本項(xiàng)目使用高精度全站儀進(jìn)行栓接鋼結(jié)構(gòu)精度控制，不僅快速高效地完成了檢測工作，而且大大提升了精度等級(jí)，使鋼構(gòu)件質(zhì)量得到保障。利用分析處理軟件對(duì)栓接鋼構(gòu)件進(jìn)行數(shù)字化模擬預(yù)拼，保證了安裝現(xiàn)場工作的順利進(jìn)行，縮短了整個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)行周期，節(jié)省了大量的人力、物力。