重型鋼構件虛擬預拼裝技術研究

郭 祺 楊振龍 冀小偉

1. 中鐵建工集團有限公司 北京 100070；2. 北京賽瑞斯國際工程咨詢有限公司 北京 100070

隨著超高層、大跨度、結構復雜建筑的日益增加，鋼結構憑借強度大、自重輕、剛性好等諸多優點，在建筑中的應用領域越來越廣泛。為提高大型復雜鋼結構安裝的效率，增加鋼結構建筑使用的功能性和結構的安全性，在鋼結構加工以及安裝過程中，預拼裝技術是必不可缺的重要技術之一。采用預拼裝技術可以有效解決單構件由于誤差特征而導致的多構件連接間隙過大、連接孔位置偏差、連接面錯邊等問題，從而有效保證現場順利安裝，進而保證工程質量和工期[1-2]。

本次預拼裝技術研究基于北京豐臺站鋼結構展開。北京豐臺站鋼結構體量較大，并且多為超大超長鋼構件，鋼結構構件較為復雜，加工及安裝精度要求較高，預拼裝工作量較大。

為更加有效地節約勞動力及施工資源，降低項目成本，北京豐臺站對絕大多數復雜鋼構件進行虛擬預拼裝。本文闡述了虛擬預拼裝技術在該項目中的應用流程及虛擬預拼裝技術與實體預拼裝技術在工期及成本方面的對比，進一步分析得到了虛擬預拼裝技術對于大型復雜鋼結構建筑應用的意義。

1 項目應用及資料

北京豐臺站改建工程位于北京市豐臺區東大街東貨場路東貨場內，總建筑規模40萬 m2。屋頂的最大投影長度及寬度分別為516、346 m。總鋼結構用量約20萬 t。中央站房主體及東西站房均采用框架結構體系，框架柱均為田字形或口字形鋼管混凝土柱，框架梁在－2.5 m層、9.8 m層、20.5 m層采用勁性鋼骨混凝土梁。東站房樓層框架梁采用焊接箱形或H形的鋼梁。站房地上4層，局部設有夾層。地下除局部夾層外均為1層。屋蓋最大標高35 m。由于鋼結構體量巨大，單個構件體型較大，需要進行虛擬預拼裝的構件多達268件。

2 虛擬預拼裝基本工作原理

1）模型的建立：通過AutoCAD、Tekla Structures建模軟件，依據設計院的圖紙建立鋼結構模型。

2）利用三維掃描儀、測量機器人等掃描設備掃描成品鋼構件，并通過Trimble Realworks軟件點云進行處理。

3）將測量數據與軟件中的模型進行比較，將點云數據與模型進行擬合，測量點云的形成和大小。

4）構件對比合格后，可以在軟件中進行構件間的模擬拼裝。

5）實測構件模擬預拼裝，符合規范及設計標準的出廠，不合格的進行修正。

6）出具檢測數據，指導現場安裝施工。

3 虛擬預拼裝技術適用范圍

虛擬預拼裝技術應用范圍廣，目前可在各種鋼結構建筑工程中應用，特別是大型復雜的鋼結構工程。尤其是加工超大、異形構件，要求較高的安裝精度，且在沒有實體預拼裝場地及資源的條件下，虛擬預拼裝技術更為重要。

4 設備準備

1）按照設計圖紙加工完成并經驗收合格的構件。

2）進行虛擬預拼裝的設備：三維激光掃描儀Trimble TX8，145 mm球形標靶若干，工作站1臺。

3）主要軟件：Tekla Structures、Trimble Realworks、PolyWorks。

5 虛擬預拼裝工藝流程及操作要點

5.1 工藝流程

虛擬預拼裝工藝流程如圖1所示。

圖1 虛擬預拼裝工藝流程

5.2 操作要點

5.2.1 搭建三維模型

利用設計圖紙和Tekla軟件，結合土建圖紙鋼筋綁扎的需要和后期施工的需求，對豐臺站鋼結構進行Tekla三維模型創建。由于各個構件所有的鋼材規格不同，將構件用不同顏色進行區分。深化后的鋼結構模型，將精確到構件上的各個栓釘及穿筋孔。

搭建鋼結構模型，由于模型的誤差為0，虛擬預拼裝掃描出的實際數據可為實際施工提供參考和比較。

5.2.2 施工詳圖、構件制作

對鋼結構三維模型的二次深化，可達到對設計圖紙的細化和補充，滿足加工廠制作和現場拼裝的需要。通過深化后的模型，即可生成施工圖紙，通過深化詳圖指導加工廠構件從零部件下料到組拼焊接完成。

5.2.3 測量數據

使用球面靶標和三維掃描儀進行虛擬預裝配掃描。一般需要在構件的四周預先設置8個掃描點才能完整地掃描整個構件，并且保證其精度（誤差在2 mm以內）。掃描前，需將構件平放至胎架上，以保證構件底部能被設備掃描到，在構件上放置不少于3個球形標靶（掃描過程中不動），球形標靶應均勻分布。

布置并調平掃描儀器，根據精確度需求設置掃描擋位，保證每個站點位置能掃描到3個以上的球形標靶，以獲取掃描點的坐標值（圖2）。掃描過程中，三維掃描儀會自動采集發射出的點云，當將掃描點位所有的可視構件信息全部掃描完畢后，自動停止掃描。

圖2 三維掃描示意

三維空間掃描儀一次掃描8個預先配置的站點。三維空間掃描儀以100萬次/s的掃描速度進行掃描，精度高于1 mm。單站點掃描30 m的距離，打出點的平均點距為5.7 mm，最終可得5.5億點，保證8個站點掃描下來的角度能充分覆蓋構件的各個部位。

此步驟主要為了將實際鋼結構構件以點云數據的形式，采集整理到計算機上，以方便后續對實際構件數據的進一步處理。點云數據掃描前，可根據構件的復雜程度，調整儀器的擋位，以滿足后續掃描出構件的精度要求。一般越復雜的構件，需要的掃描擋位越高，打出的點云越多，掃描的精度越高。

5.2.4 建立實測模型

將計算機與三維掃描儀連接，將實測的控制點坐標數據從三維激光掃描儀導出至Excel中，并在Excel表格中進行數據處理，處理為點（x,y,z）的格式，將處理完成的坐標點再導入到預拼裝軟件Trimble Realworks中，利用Trimble Realworks軟件將處理完成的點云數據進行精準整合。利用Trimble Realworks軟件對數據點進行降噪，將離散點分離，刪除掉非目標區域的點云，確保點云數據無多余噪點，提取所需要的鋼構件。點云數據自動拼接為實測模型，通過點云精確還原出加工成形構件的實際尺寸，對構件邊緣的點云紅色亮顯。將點云數據進行處理并整合，以在計算機上顯示出實際構件的狀態，完成點云整合后，可在計算機上通過三維瀏覽視圖，查看構件各部位的細部情況。

5.2.5 模型對比

將單個構件的點云數據導入PolyWorks軟件中，并和深化設計模型進行對比，分析出構件完整的檢測數據。

1）對點云數據和模型進行自動擬合對準，首先采用點對準方法對2個數據進行預對齊。預對齊后軟件會自動作迭代計算精細對齊2個數據，并且可以通過設置最大距離、采樣率等參數將對齊精度控制在理想范圍（本工程平均對齊精度在0.71 mm范圍內）。

2）使用最佳擬合對齊數據創建數據彩圖，如圖3所示。圖中即為深化模型與實際構件點云擬合后，對偏差分析的數據彩圖。通過圖中顏色可以直觀看出各個部位的偏差情況，紅色表示其正偏差較大，藍色表示其負偏差較大。色譜圖可以直接看到實際成分與標準模型的偏差。實際成分和模型的偏差越小，顏色就越溫和。偏差范圍是由實際擬合的最大偏差區間所決定（按規范最大偏差不能超過±3 mm），超出最大偏差，顏色即顯示為灰色。

圖3 創建數據彩圖

通過與Tekla理想模型進行對比，可直觀地看出實際加工完成后的鋼構件尺寸偏差和缺陷，并且可確認偏差較大的部位。

5.2.6 模擬拼裝

可對現場需要進行拼裝的2節鋼柱的點云分別進行提取，點云處理完畢后，在Trimble Realworks軟件中進行預拼裝，模擬現場實際的拼裝狀態，以及時發現在現場實際拼裝過程中，由于尺寸的偏差所帶來的施工困難。

可通過計算機模擬構件安裝時的環境狀況，加入安裝過程中的吊裝機械，安裝過程中由于重力產生的構件變形等因素。可直觀地看出2個實際構件拼裝完成之后，拼裝精度是否滿足實際的施工需要。

5.2.7 數據分析

通過實測模型與Tekla模型擬合，得出預裝配分析報告，如圖4所示。表中記錄了鋼構件與模型擬合產生的偏差區間所占的比例，偏差多分布在2.5～3.0 mm，在規范范圍內。將表中的數據整理成柱狀圖可以更為直觀地反映偏差所在區間的分布情況。從圖4中可以看出，偏差為－0.5～0 mm的比例最大，高達81.84%。最高和最低的閾值合計只有2%左右。加工理想的情況下，點云將呈現正態分布，更多集中于0 mm附近。若偏差過大，可參考數據彩圖判斷尺寸偏差位置，以進行現場的糾偏。

圖4 偏差分布表及柱狀圖

5.2.8 任意方向色譜分析圖對比

在實測模型剖面上任意選中4個關鍵節點進行x、y、z方向上的對比擬合，更進一步分析鋼構件關鍵拼裝部位內部尺寸的擬合情況。通過分析以上數據，將合格的單個構件保存，形成記錄以指導現場安裝施工。對不符合規范允許的鋼結構構件，應在整改完畢后重新進行預拼裝，直至符合精度要求。如偏差太大，應該重新處理并進行模擬。

6 虛擬預拼裝注意事項

在虛擬預拼裝前，應盡量減少掃描鋼結構周圍的雜物，為后期點云處理降低難度。在放置球形標靶前要合理規劃標靶的安放位置，確保標靶所接收的點云能夠完全覆蓋構件，避免掃描結束后，構件部分部位未掃描到的情況。對于復雜的、精確度要求較高的鋼構件，必須提前確定好掃描儀所用的掃描擋位，以提高掃描出的實體構件精確度。掃描過程中避免動態物體進入掃描范圍，以提高掃描的準確性。在點云處理過程中，專業人員介入不正確的點云處理是必要的。

7 結語

虛擬預拼裝模擬現場實際施工鋼結構構件的安裝狀態，目前只適用于剛體構件，但隨著虛擬預拼裝技術的不斷發展，未來將實現通過計算機準確計算出鋼結構在施工中的變形。結合國內鋼結構發展趨勢，傳統的工廠預拼裝在經濟性、便捷性上已逐漸落后于科技發展。目前，國內虛擬預拼裝技術發展已日漸成熟，并且發展空間巨大。大跨度、超高層、結構復雜的建筑逐漸崛起，使得鋼結構工程更加復雜。新型的虛擬預拼裝技術在資源消耗、工期進度、精度控制等方面表現不俗，且順應了科技發展的大趨勢，實際應用效果良好，并已逐漸形成相關產業，在未來復雜的鋼結構施工領域具有較廣闊的應用前景。