國家低速館建筑結構施工測量技術研究

國家體育中心是北京2020年冬季奧運會的象征。該設備于2018年1月起竣工，至2020年12月。測量工作貫穿于整個速滑館建筑施工過程，是結構施工最關鍵的技術工作之一。而國家速滑場結構在空間上的不規則性、多樣性、復雜性及超大規模，增加了施工測量難度。國家速滑館屋蓋結構采用大跨度馬鞍形單層雙向正交索網，是目前世界上跨度最大的單層正交索網結構。超大跨度和體量的索網在加工、鋪索定位、張拉等過程精度要求非常高。作為營造國家速滑館整體形象的玻璃幕墻占整個幕墻比例的90%,數量達3000余塊，且各板塊之間形態各異，單塊板最重達1.1t。板塊的吊裝及安裝過程中必須有吊裝機械全程配合，安裝精度要求極高，安裝面臨巨大挑戰。作為世界首個使用天然工質CO同時，施工場地狹小，場地中的大型施工設備、運輸車輛和重型起重機械的頻繁運行，加之作業公司多，配合、協調、工作交圈不容易，施工測量管理和協調難度大都給測量工作帶來了很多困難。預制件制作允許偏差要求嚴格，索網拉升空間標高控制點(線)精度要求極高，制冰排管的排布和水泥地坪的平整度直接影響制冰效果和賽事安全，諸多環節的環環相扣使得施工測量成為技術工作的重中之重。針對國家速滑館項目施工測量的技術難點，實現動態高精密三維測量是實現預制件精準安裝、復雜封閉環境下精準定位、海量數據精準建模的前提和基礎1測量精度指標施工測量工作貫穿于整個速滑館結構施工過程。施工過程中不斷進行高精度的測量和校正，并確保索網在負載狀態下能夠絲毫不差地達到預定空間位置、屋頂預制件精準安裝到設計位置、復雜網狀排管排布狀態的精準獲取、超大地坪連續面標高的超高精度數據采集，是保證該工程結構施工質量與工程進度的關鍵。國家速滑館項目中各項目測量精度指標見表1。傳統測量技術精度受環境影響因素大，觀測點離散難以滿足無盲區應用，數據不連續不能滿足大型結構整體應用1.1現代機械結構馬鞍形單層正交索網結構是預應力空間結構體系的一種。該結構具有跨度大、受力效率高、自重輕、減少鋼材消耗等特點。隨著索網結構的設計跨度越來越大，給施工帶來的難度也隨之增加1.1.1釩封閉索風險國家速滑館整體采用國產高釩密閉索，也是首次在大型公共建筑中全部采用國產高釩封閉索。高釩封閉索具有高耐腐蝕性、防火性、防扭退性、摩擦系數大的特點。索網隨著拉力變化會發生改變，當拉力超過一定界限索體會發生崩裂。為了在保障索網安全的情況下精準計算索網長度，實現精準加工，該項目通過計算機仿真模擬方法采用按索體最小破斷載荷的55%的張力進行預張拉1.1.2成功拉索地震波分析技術本文利用三維激光掃描技術進行速滑館全空間數據采集，建立拉索和索夾地面投影精準放樣模型1.1.3穩定索張拉安裝按照等距離30mm進行預張拉的原則進行穩定索對稱張拉；穩定索索孔與對應耳板孔距離較小的先張拉到位，為保證施工安全，將到位拉索穿銷軸固定；按照該方法繼續進行穩定索張拉安裝。該技術保證了30對、最長198m的穩定索對稱同步張拉，如圖1(b)所示，填補了國內首個大噸位、大面積的超大跨度單層正交索網同步張拉技術空白。1.1.4索網數據的可靠性分析索網同步張拉前后，可以清晰地看出索網所在的點云，充分說明了點云數據的可靠性，其所在索網能夠用于設計模型的測量工作。索網張拉過程中，屋面恒載及吊掛荷載隨著屋面各系統施工逐步加載到位。針對荷載態的索網進行激光掃描，以校核施工設計誤差。1.2單元式圍護結構精密工程測量針對天壇形曲面幕墻與馬鞍形單元式屋面依附于柔性索網結構的特點，突破特大異形柔性結構屋頂預制、安裝和調控精密測量關鍵技術，基于實體結構對圍護系統逆向建模并加工，通過調節幕墻S形鋼龍骨和單元板塊屋面高精度支座，保證了單元式圍護結構的精準安裝，實現了柔性結構上單元式圍護結構精密工程測量從靜態到動態、離散到連續的轉變。基于實體掃描測量的異形圍護結構逆向建模及加工技術，主要有主體結構實體掃描復測、圍護結構逆向建模、單元式構件加工。(1)拉索變形軌跡檢驗第1階段在索網張拉完成后立刻進行豎向拉索平面投影的定位復測工作，驗證拉索在張拉過程中的變形軌跡是否按符合理論計算；第2階段在屋面配重附加且環桁架支座鎖定后，對豎向拉索索夾位置及環桁架預制埋件進行復測，以確定S形鋼龍骨支座牛腿的尺寸長度及模型是否需要調整。(2)反向建設和國防設計通過掃描結構實體，生成實測點位模型，依據實際點位進行S形鋼龍骨BIM定位及深化，提高鋼結構加工可控性和可操作性，質量更易保障。(3)單元板塊安裝控制所有幕墻龍骨、玻璃、屋面單元板塊及相關配件均由BIM模型提取并對接到加工中心進行加工制造。異形單元式圍護結構高精度安裝技術主要有：幕墻S形鋼龍骨高精度調節、雙曲面玻璃幕墻容差安裝、屋面單元板塊安裝。幕墻所有S形鋼龍骨定位依據環桁架鎖定后結構實測定位，從而保證幕墻整體的準確性。研究幕墻安裝過程中變形和幕墻的容差機制，實現復雜雙曲面玻璃幕墻效果。單元板塊從索網對角穿時，需要精準控制板塊起吊位置及吊車大臂的落點位置。吊車支車時，每個位置都要根據起吊尺寸、對角線關系計算，以選擇合適的支車位置及出桿角度。通過對S形鋼龍骨和幕墻索連接點調差機制的研究和精準測控，實現S形鋼龍骨與幕墻索精準對接安裝(如圖2所示),使曲面玻璃幕墻的加工與現場安裝精準統一。1.3控制網和水平控制網通過速滑館內原有的兩個基準點做水平控制網和高程控制網；通過高程控制網和水平控制網選取6個控制點；利用全站儀后方交會并測量棱鏡球的中心坐標，棱鏡中心和靶球中心為同一位置結合場館內布設的控制網獲取制冰排管高分辨率的空間結構信息、紋理色彩及回波反射強度等信息1.4傳統慣導測量方法特征及與現有測量路線結合性原則，針對待測場地面對速滑場地混凝土地坪澆筑施工過程中需實時獲取平整度的需求，傳統慣導測量方法受限于封閉場館室內信號弱、實施難在超大地坪的施工期，根據待測場地地面的面積、形狀及其他特點，規劃測量路線，需要滿足全覆蓋、網狀交叉、閉合、分區等原則2高精度測量施工技術速滑館玻璃幕墻有21排，共3360塊，其中彎弧玻璃1120塊，共18970m在對掃描模型進行封裝后，將索網模型與設計模型進行對比發現，實際施工模型整體精度較好，形態與設計模型基本吻合。通過分析索網掃描文件及設計模型，可以基本確定索網節點的誤差絕大部分在5mm以內，其余極小部分節點誤差在10mm以內，如圖8所示。通過三維掃描技術復核，本文驗證了索網成套測量方法的正確性，該技術的應用最終實現了大跨度馬鞍形索網結構的安全精準成型。國家速滑館制冰區利用全站儀、三維激光掃描等測量設備對制冷排管進行檢測，獲得數據并結合自主研發軟件完成了制冷排管點云采集、排管安裝翹曲檢測、排管安裝水平偏移量檢測等調查成果。通過對10個區域的點云采集及80365個檢測位置的數據分析，并去掉人工影響數據和無效數據，得到翹曲平均平差值為3.047mm,施工期有近3%的檢測位置偏差大于5mm。如圖9所示。根據施工期檢測數據及分析結果，在調整后的排管區域選取2～4個數據最差的測站進行復測，復測檢測共提取11514個檢測位置的數據，經分析得到翹曲平均平差值為1.82mm,復測掃描檢測成果位置偏差均小于5mm。為指導國家速滑館冰面混凝土基底的磨光作業，在項目施工期混凝土基底達到初凝狀態后，采用本次研究研制的托盤測量機器人對初凝狀態水泥基底平整度進行測量。測量結果顯示，施工水泥基面的高程在平均高程的±4mm范圍內波動，超過90%的測點滿足5m范圍3mm的精度，滿足項目設計要求。如圖10所示。在施工期高精度測量指導下完成混凝土施工后，采用推車系統對整個場館進行平整度完工測量，其具體實施步驟與施工期類似。但為了使測量結果更真實地反映地坪表面的真實情況，完工期的側線密度需要加大，測線間距需縮小至2m。完工測量平整度計算方法與施工期一致。測量數據顯示場地整體的平整度在5m范圍內高差≤3mm的比例超過99.5%。施工效果與預期符合。如圖11所示。3動態高精度施工測量技術體系的構建針對2022年北京冬奧會大型冰上運動比賽場館建設過程中對動態高精度施工測量的重大需求，本文研究并實現了大跨度馬鞍形索網精準加工安裝測量、基于柔性框架的異形單元式圍護結構高精度誤差調控、超大速滑場地復雜環境下制冰排管形態高精度檢測、超大冰面混凝土地坪超高精度連續標高面快速測量等關鍵技術，構建了動態高精度施工