模塊化建造基于鋼結(jié)構(gòu)的三維坐標(biāo)控制網(wǎng)的建立

朱亞男

(日揮工程管理(青島)有限公司,山東 青島 266000)

隨著油氣資源需求量逐漸增大,石油平臺(tái)及天然氣裝備的模塊化建造方式已經(jīng)成為行業(yè)主流。高效、精確的工廠生產(chǎn)線總裝,對(duì)模塊的建造精度提出很高的要求,精度控制成為決定模塊建造質(zhì)量的一項(xiàng)重要內(nèi)容。測(cè)量控制網(wǎng)的建立及控制點(diǎn)的布設(shè)是精度測(cè)量工作的基礎(chǔ)和前提,它不僅是結(jié)構(gòu)專業(yè)合攏的參考基準(zhǔn),同時(shí)也是設(shè)備安裝、外對(duì)接管口定位的依據(jù)。如何建立一個(gè)精密穩(wěn)定的測(cè)量控制網(wǎng),是后續(xù)所有測(cè)量工作的根本基礎(chǔ)。劉榮坤[1]等提出三維坐標(biāo)控制網(wǎng)在大型模塊尺寸控制中的應(yīng)用;李家軍[2]等以圓筒形FPSO為例,提出控制網(wǎng)、地樣點(diǎn)、基準(zhǔn)線相結(jié)合的精度基準(zhǔn)系統(tǒng),采取分層布設(shè)、分層使用,整體加局部配合,建立的精度基準(zhǔn)的方法和維護(hù)技術(shù);劉春杰[3]等提出組塊底部尺寸測(cè)量方法;趙爽[4]等闡述了基準(zhǔn)線的定義使用及對(duì)造船精度的影響。基于模塊鋼結(jié)構(gòu)框架本身的內(nèi)部三維坐標(biāo)測(cè)量控制網(wǎng)是高精度模塊建造必不可少的前提。本文以某大型天然氣項(xiàng)目的其中一個(gè)集成PAU模塊為研究對(duì)象,闡述如何建立基于模塊鋼結(jié)構(gòu)框架本身的內(nèi)部三維坐標(biāo)控制網(wǎng)。

1 測(cè)量基準(zhǔn)

工程項(xiàng)目的施工建設(shè)一般都需要建立三維坐標(biāo)控制網(wǎng)。傳統(tǒng)的施工控制網(wǎng)一般建立在項(xiàng)目的外部,與傳統(tǒng)三維坐標(biāo)控制網(wǎng)不同的是,考慮到模塊可能隨時(shí)被運(yùn)輸?shù)讲煌奈恢靡约颁摻Y(jié)構(gòu)的熱膨脹因素,因此所有的控制點(diǎn)要均勻布置在模塊本身的結(jié)構(gòu)上,這樣控制點(diǎn)的平面位置就會(huì)隨著結(jié)構(gòu)本身因溫度的變化而變化,在進(jìn)行后續(xù)的測(cè)量時(shí)即可使用后方交會(huì)的方法設(shè)站,使測(cè)量結(jié)果與環(huán)境溫度保持一一對(duì)應(yīng),從而提高測(cè)量的精度。控制點(diǎn)位置在空間上要包裹整個(gè)模塊,樣式如圖1所示。

圖1 控制點(diǎn)示意圖

模塊建造測(cè)量中,一個(gè)經(jīng)常被問(wèn)到的問(wèn)題是“你的基準(zhǔn)是什么”。我們的基準(zhǔn)點(diǎn)是基于測(cè)量多點(diǎn)的最佳擬合確定,通過(guò)數(shù)學(xué)最小二乘方法擬合其設(shè)計(jì)值,平均分配測(cè)量誤差,從而確保每次測(cè)量的精度都一致并且使誤差最小化。在選擇這種方法時(shí),我們并沒(méi)有一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。任何殘差為零的點(diǎn)都可以作為基準(zhǔn)點(diǎn)。這個(gè)概念不容易被大多數(shù)人理解。 許多測(cè)量員通常會(huì)在結(jié)構(gòu)上采用一個(gè)單點(diǎn)作為他們的基準(zhǔn)點(diǎn)(或坐標(biāo)原點(diǎn)),此法雖然簡(jiǎn)單可行,但考慮到現(xiàn)場(chǎng)狀況,不是每次測(cè)量都必須從這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)開始,這樣難免會(huì)進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)站測(cè)量,造成了誤差的累積。下面的示意圖2可以簡(jiǎn)單解釋“單基準(zhǔn)原點(diǎn)方法”和“最佳擬合方法”之間的區(qū)別。

圖2 單基準(zhǔn)原點(diǎn)法和最佳擬合法對(duì)比

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

所有主次結(jié)構(gòu)完成后,整個(gè)模塊的強(qiáng)度已經(jīng)比較穩(wěn)定,此時(shí)便可進(jìn)行控制網(wǎng)布設(shè)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要基于高精度的徠卡TS60型全站儀,配合測(cè)量反射靶,反射片,PDA,隱蔽桿等輔助測(cè)量設(shè)備,測(cè)量精度高達(dá)±1 mm。

首先是測(cè)量模塊每個(gè)支撐腿,如圖3所示,將所有支撐腿中心坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)通過(guò)數(shù)學(xué)最小二乘方法進(jìn)行最佳匹配計(jì)算,得出每個(gè)支撐腿的中心偏移。同時(shí)在結(jié)構(gòu)四周布設(shè)控制點(diǎn)并測(cè)量,與支撐腿一同進(jìn)行最佳匹配計(jì)算,得出控制點(diǎn)坐標(biāo)。控制點(diǎn)在后期建造過(guò)程中還可以隨時(shí)增加,但每次增加控制點(diǎn)都要以支撐腿的初次測(cè)量點(diǎn)為計(jì)算依據(jù),這樣可有效避免測(cè)量誤差累積。圖4示意控制點(diǎn)的位置分布。

圖3 模塊支撐腿測(cè)量圖

圖4 控制點(diǎn)分布圖

控制點(diǎn)布設(shè)要求:

1)應(yīng)布設(shè)在主結(jié)構(gòu)上,主結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定,次結(jié)構(gòu)會(huì)隨著模塊重量的增加而產(chǎn)生變形。

2)應(yīng)盡量布置于hookup管口周圍,這樣后續(xù)用來(lái)測(cè)量管口的精度才會(huì)最高。

3)每個(gè)hookup管口周圍應(yīng)該至少有6個(gè)點(diǎn)。并且確保每次設(shè)站都能同時(shí)看到6個(gè)控制點(diǎn)和將要測(cè)量的目標(biāo)管口。

測(cè)量所有支撐腿底板的高度,擬合一個(gè)平均水平面,作為三維坐標(biāo)系的高度基準(zhǔn)面。大型模塊一般會(huì)有20～40個(gè)支撐腿,因?yàn)樾枰淮涡酝瓿伤兄瓮鹊臏y(cè)量,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)腳手架遮擋情況,一般需要至少兩組人員同時(shí)進(jìn)行。因此儀器架設(shè)位置就比較重要,使一次設(shè)站能盡可能多地觀測(cè)目標(biāo)。同時(shí)還要觀察模塊上管口的數(shù)量及分布情況,這樣在布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)可均勻布設(shè)在hookup管口周圍。兩臺(tái)儀器必須能夠同時(shí)觀測(cè)到外部的臨時(shí)連接點(diǎn)。因此這些點(diǎn)應(yīng)該形成一個(gè)穩(wěn)定的幾何圖形,見(jiàn)圖5,以便兩個(gè)設(shè)站之間的測(cè)量誤差在結(jié)構(gòu)本身被最小化。邊長(zhǎng)的測(cè)線傾角不宜太大,網(wǎng)形應(yīng)該穩(wěn)健,盡量避免內(nèi)陷網(wǎng)形。

圖5 雙儀器設(shè)站位置示意圖

因?yàn)榭紤]到溫度、光折射等外部環(huán)境影響,為保證測(cè)量精度,兩組人員應(yīng)同時(shí)并且在最短時(shí)間完成各組的目標(biāo)觀測(cè)。同時(shí)要記錄好測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度,以備內(nèi)業(yè)計(jì)算時(shí)使用。控制網(wǎng)的測(cè)量要在天氣能見(jiàn)度要好,環(huán)境溫度均衡的條件下進(jìn)行,這樣才能保證控制網(wǎng)的精度能夠滿足建造的需要,測(cè)量時(shí)間盡量選在清晨。

測(cè)量過(guò)程中有一點(diǎn)事項(xiàng)非常重要,就是棱鏡常數(shù)設(shè)置。因現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量常常很復(fù)雜,因此需要使用不同的反射棱鏡,這些棱鏡的常數(shù)是不一樣的,比如徠卡mini棱鏡常數(shù)為17.5 mm,圓棱鏡常數(shù)為0 mm,反射片參數(shù)為34.4 mm。司鏡員要在更換反射棱鏡時(shí)及時(shí)通知儀器操作人員,以防出現(xiàn)錯(cuò)誤。同時(shí),儀器操作員要及時(shí)繪制測(cè)量手簿,用于內(nèi)側(cè)參考。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

外業(yè)測(cè)量完成后,便可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 (過(guò)程中用到某數(shù)據(jù)處理軟件)。

本次測(cè)量,我們采用自由設(shè)站法,共觀測(cè)目標(biāo)16個(gè),初始測(cè)量坐標(biāo)和設(shè)計(jì)坐標(biāo)分別如表1～2。

表1 實(shí)測(cè)坐標(biāo)

表2 設(shè)計(jì) 坐標(biāo)

打開數(shù)據(jù)處理軟件,輸入設(shè)計(jì)坐標(biāo)和測(cè)量坐標(biāo),將設(shè)計(jì)坐標(biāo)屬性設(shè)置為FIX,實(shí)測(cè)坐標(biāo)屬性設(shè)置為VAR,進(jìn)行三維最佳匹配平差計(jì)算,得出結(jié)果如表3。其中,旋轉(zhuǎn)矩陣為:

表3 平差計(jì)算結(jié)果

平移距離:X=6 430.789,Y=156.241,Z=101.501

殘差分析

任何X、Y或Z方向的殘差應(yīng)小于2 mm。如果超過(guò)2 mm,需要查看以下任何一個(gè)可能的原因:

1)測(cè)量點(diǎn)位置移動(dòng),或轉(zhuǎn)站測(cè)量同一個(gè)目標(biāo)時(shí),位置有偏差;

2)此目標(biāo)點(diǎn)與其他的目標(biāo)點(diǎn)相距甚遠(yuǎn)或單獨(dú)坐落于某一偏遠(yuǎn)的區(qū)域,此種情況下較高的殘差是可接受的;

3)棱鏡常數(shù)設(shè)置存在錯(cuò)誤。

本次測(cè)量,平均鋼溫度+5.5 ℃,項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溫度為20 ℃。將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度換算,換算成項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溫度。

現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取數(shù)個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)后方交會(huì)設(shè)站驗(yàn)證,通常設(shè)站精度小于1 mm即認(rèn)為控制點(diǎn)合格。用于測(cè)量管口中心坐標(biāo)時(shí),應(yīng)至少選取6個(gè)控制點(diǎn)做后方交會(huì),如果設(shè)站精度超出1 mm,則需重新選擇其他控制點(diǎn)進(jìn)行設(shè)站。

至此,得出控制點(diǎn)數(shù)據(jù)文件,基于模塊鋼結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)部三維坐標(biāo)控制網(wǎng)建立結(jié)束。

4 總結(jié)

與傳統(tǒng)外部測(cè)量控制網(wǎng)相比,提出的基于模塊鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部三維坐標(biāo)控制網(wǎng)在空間關(guān)系、完整性和靈活性上均優(yōu)于傳統(tǒng)方法,能夠快速、精確獲取在三維空間內(nèi)精確的位置和尺寸。當(dāng)建造中的模塊因某個(gè)原因不得不移動(dòng)位置時(shí),傳統(tǒng)的外部測(cè)量控制網(wǎng)便不可再用,此時(shí)基于鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部控制網(wǎng)便顯示出了它的優(yōu)越性,不論模塊被移動(dòng)到任何位置,都不需要重新布設(shè),結(jié)構(gòu)上的控制點(diǎn)即便是在工廠模塊安裝階段仍然可以使用。同時(shí),控制點(diǎn)坐標(biāo)還能隨著鋼結(jié)構(gòu)的熱膨脹而改變,實(shí)際使用時(shí)只需在儀器中輸入環(huán)境溫度并在內(nèi)業(yè)進(jìn)行溫度換算即可。