凉都体育中心体育场大型钢结构拼装空间定位施工技术研究

　　[摘要] 管桁架结构是一种依据合理的杆件空间布置，达到用钢量低、使用功能安全且满足造型要求、舒适美观的曲面型网格结构。以凉都体育中心主体育场项目为依托，提出了异形钢结构三维空间精确定位的新方法。重点介绍了组合架搭设测量施工、基于AutoCAD空间独立坐标系的模拟施工、空间节点定位放样施工等施工工艺，保证了不规则钢结构三维空间精确定位，达到了预期效果。

　　大型体育场馆一般规模庞大，结构多为复杂钢结构形式，且建筑造型新颖。同时，人们对建筑的美学要求，也促进了各种新结构、新材料的出现，如北京奥运会主会场———国家体育场的“鸟巢”设计，北京歌剧院的钛合金玻璃圆穹等。为了达到建筑物的美观建筑效果以及稳定的建筑结构，各种新型结构精确的空间定位测量，成为新的施工技术课题。

　　1、工程概况

　　六盘水凉都体育中心位于凉都大道与钟山大道交叉处，占地面积33万㎡，总建筑面积15万㎡。该工程主要项目包括体育场、体育馆、市民健身中心、游泳馆等。体育中心主体育场上部屋盖钢结构形式为空间悬挑管桁架结构，主桁架单榀相贯节点总数30～90个，总重1800t左右。施工现场通视条件差，昼夜温差大，冬季时常有冻雨。如图1所示。

图1 空间悬挑管桁架结构

　　2、 钢结构拼装空间定位测量施工技术研究

　　为了保证空间定位的精度，凉都体育中心项目部使用AutoCAD平台，建立独立的三维空间坐标系，各放样点坐标可快速地自动生成，然后将生成的贯通节点三维空间坐标分解为二维平面坐标和高程;采用普通全站仪对节点进行平面定位测量; 采用高精度水准仪控制其高程;再用手拉葫芦和吊锤即可完成高程方向的定位，保证杆件中心线穿过杆件中心线交点，快速高效地完成了钢结构三维空间定位测量工作。

　　2.1  测量定位方案与精度分析

　　2.1.1 空间钢结构三维节点定位测量

　　管桁架安装的关键是要保证杆件在节点处的准确连接，因此节点定位测量的重点就是保证贯通节点杆件中心线交于一点。 由于工期较紧，加工场地硬化后，管桁架加工场为2块50m×100m 平 台，可同时加工4.5榀管桁架。

　　采用高精度测量仪器进行贯通节点的空间三维定位，按照节点在硬化层上投影平面坐标及节点高程安装杆件，保证贯通节点杆件中心线交于一点。

　　2.1.2 精度分析

　　在管桁架定位测量中，影响定位测量精度的因素主要是点位的平面定位精度，而影响平面定位精度的因素主要是测角误差和测距误差。

　　采用标称精度为1″，2mm+2×10-6D的全站 仪，设控制点至放样点距离为D=80m，水平方位角α=40°，观测竖直角 β=2°，则放样点的点位误差计算：

　　Δx = 80 ×cos40° = 61.284m

　　Δy = 80 ×sin40° = 51.423m  

　　放样点 x 方向精度：

　　放样点y 方向精度：

　　设放样点误差在2mm时，放样点点位误差：

　　精度分析说明，选用的仪器设备和测量放样方法切实可行，放样点的点位精度满足《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205—2001 中关于节点中 心偏移5.0mm的施工精度要求。

　　2.2  关键施工技术措施

　　2.2.1  组合架搭设测量施工

　　组合架的平整度会直接影响到空间独立坐标系的建立和管桁架拼装的精度，如果控制不好则会加大预拼装到拼装过程的累积误差。 组合架搭设测量施工工艺流程如图2所示，组合架平整度检测如图3所示。

　　组合场地垫层硬化前必须平整夯实，为了保证组合场地整体的稳固性，混凝土强度等级采用C25，垫层厚度20cm;事先在侧模下方做垫层，控制[20 侧模的标高，待侧模顶标高达到设计要求后，选用 ϕ14钢筋钉入地面下，与侧模点焊使槽钢竖直固定， 严格控制侧模标高;混凝土浇筑24h后进行养护，并选取合适时间在混凝土地面上垂直于混凝土浇筑方向用切割机切缝来克服温度变换产生的裂缝，混凝土终凝后再用磨光机二次磨光;组合平架进行组装焊接时要用水准仪和平整度检测仪共同控制其 平整度：采用“边焊接、边复测、边调整”的步骤来严格执行;槽钢上翼缘面须连角钢来保证组合架的整体稳定性;组合架安装施工过程中，加强复测校核频率，及时反馈量测结果，以便根据量测结果及时修正组合架平整度。

图2 组合架搭设施工工艺流程

图3 组合架平整度检测截面示意

　　2.2.2  基于AutoCAD空间独立坐标系的模拟施工

　　因体育场上部网架钢结构采用悬挑管桁架，结构为变截面，节点复杂，杆件尺寸不一，倾斜角度及定位在高空安装现场很难准确计算，依靠计算机， 基于AutoCAD平台可打开主桁架图纸三维实体模型，重新定位和旋转坐标系，来计算和获取在新坐 标系下每个贯通节点的新坐标。配合全站仪进行定位控制，大大提高了测量精度和测量控制的速度。对于特殊(桁架转角)部位，需预先制定好控制措施。空间独立坐标系的建立流程：工序准备→ AutoCAD应用平台→HJ8轴测图→HJ8分成2段→ 三维线框视觉样式→键入UCS命令→指定UCS原 点→指定 x 轴上的点→指定 xy 平面点→用定位点定位坐标→坐标数据录入→工序结束。三维线框视觉样式下HJ8切断如图4所示;以节点3038为坐标原点，3038⁃3043⁃30413节点组成平面，定位点定位出3043节点坐标如图5所示。

图4 三维线框视觉样式下HJ8 切断示意

图5 定位点定位出节点3043 的坐标

　　借助AutoCAD2008软件三维查询工具选择某个节点作为坐标原点(x=0.0000，y=0.0000，z= 0.0000)，一般选择紧贴组合架顶平面的那个面作 为 xy 平面，并且选择平面角处的节点作为坐标原点，图5中3038即可用作坐标原点。指定 xy 平面后，即可使用查询定位点按钮将图中每个节点的坐标都定位出来。图5中节点3043坐标快速显示为(-67，1516，1000)。

　　观测点可暂定1个，后视点至少2 个。观测点和后视点应选择通视条件好的地方，为了保证定位的精度，三点两两之间的距离应适中，以10～40m为宜。 即若这3个点作为观测点时，桁架空间所有贯通节点都可以定位到，不出现被型钢柱遮住视线的情况。观测点和后视点的选取如图6所示。

　　2.2.3  三维空间坐标分解为二维平面坐标

　　建立与结构控制网既统一又独立使用的控制网后，利用全站仪在拼装场地上放出桁架节点放样的地面投影线。将边界杆分段(拼接)点、腹杆贯通处作为控制特征点，在拼装平台内放出各特征点 (杆件中心线交点)的地面投影点，最后将设计的三 维坐标转换成独立坐标系。拼装前在地面放样划线，做出地面放样轴测图。

图6 观测点和后视点选取示意

　　利用全站仪在组合架设置点精确测定胎架位置，做出十字线。 胎架搭设完毕后，用水准仪校正胎架上部调节构件顶面高度，确保同一水平构件下部所有胎架顶平;并用水准仪确定特征点胎架的标高，根据理论数据对胎架进行调整，使误差在微调 范围内。

　　每个节点的高程暂时不用考虑，等用节点放样完毕后，只需要用吊锤、手拉葫芦、水准仪控制即可，操作简单准确。

　　2.2.4  空间节点定位放样施工

　　确定好半榀管桁架的大致摆放位置，在组合架 场选择合适位置选取观测点，再定出其他2个后视点，则具备了节点定位放样的条件。全站仪放样流程如图7所示。

　　2.3  三维空间位置复测校核及误差消除

　　使用钢尺检测单个待拼构件的长度、断面的几何尺寸，根据深化设计图，将下弦杆、上弦杆及腹杆吊上胎架按构件编号放好，保证待拼构件的位置准确后临时固定，吊线锤检测弦杆分段拼接点的平面位置并调整。 桁架拼装流程：

　　①第1 步  制作预 拼装胎架，胎架下端安装下弦杆，上端安装上弦杆;

　　②第2步  根据桁架地面投影线，放置拼装胎架，与地面的预埋钢板焊接;

　　③第3步  装配下弦杆，根据 地样将预弯好的弦杆分段进行装配并固定于胎架;

　　④第4步  装配上弦杆，根据地样将预弯好的弦杆分段进行装配并固定于胎架;

　　⑤第5步  装配腹杆：腹杆按从中间往两边、先装直腹杆再装斜腹杆的顺序装配，当多根腹杆同时交于一节点，且同时相贯时，腹杆按大管径和壁厚优先装配。如图8所示。

　　构件调整固定后，根据待拼构件上的点位标记及地面投影点，使用钢尺、线锤进行检测，用点焊固定并将检测数据记录保存，与设计图纸比较分析， 如构件不符合要求，则进行调整。待符合要求后再按焊接工序将构件固定。

图7 放样工艺流程

图8 桁架拼装放线步骤示意

　　3、 施工技术研究总结

　　本研究使定位测量与管桁架加工平台杆件就位焊接的配合更加简便高效，可及时满足现场钢结构拼焊施工需要。采用常规方法每天只能测量定位20～30个贯通节点;采用本研究技术测量，贯通节点测量定位速度每天可达到50～60个，作业效率得到提高，施工进度快。

　　该钢结构拼装空间定位测量的施工技术研究采用独立坐标系空间定位测量方法，主要借助计算机辅助软件AutoCAD三维独立坐标工具进行模拟施工，从而使全站仪、高精度水准仪等主要设备的投入降低了50%，大量节省了设备、人力的投入。 在经费上，项目经理部原测量费用预算投入50万元，该施工技术研究使费用降低到28余万元。

　　4、 结语

　　六盘水凉都体育中心主体育场上部屋顶采用大跨度悬挑网架，采用独立坐标系空间定位测量方法的施工技术对钢结构进行空间三维定位测量，极大地提高了作业效率，圆满完成了凉都体育中心工程的钢结构管桁架定位测量工作。而且保证了不规则钢结构三维空间精确定位，达到建筑物稳定的建筑结构以及完美的建筑效果。该独立坐标系下钢结构拼装空间定位测量研究不仅适用于凉都体育中心主体育场的钢结构拼装空间定位测量工程，还可拓展应用于与其类似的大型结构复杂钢结构拼装定位测量的施工。