基于結(jié)構(gòu)仿真分析與三維激光掃描的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化預(yù)拼裝技術(shù)

王強(qiáng)強(qiáng)，蘇英強(qiáng)，趙 切，孟玲霄，賈尚瑞

(1.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312030； 2.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313099；3.比姆泰客信息科技(上海)有限公司，上海 201199)

0 引言

隨著人類對建筑美學(xué)要求的不斷提升，大量異形鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)運(yùn)而生，異形構(gòu)件的精度控制難度較大，一般須采取實(shí)體預(yù)拼裝工藝進(jìn)行檢驗(yàn)，才能保證現(xiàn)場安裝順利，但傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體預(yù)拼裝存在施工工期長、資源消耗量大、測量精度低、施工安全風(fēng)險(xiǎn)高的問題。近年來，隨著信息化技術(shù)和圖像采集技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸明確了鋼結(jié)構(gòu)虛擬預(yù)拼裝的研究方向，并結(jié)合工程實(shí)際需要，研發(fā)基于三維激光掃描的鋼結(jié)構(gòu)工程數(shù)字化預(yù)拼裝技術(shù)[1]。

對于精度控制要求高、柔性較大的鋼構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，單構(gòu)件虛擬掃描檢測結(jié)果受檢測儀器精度、構(gòu)件實(shí)際加工誤差、構(gòu)件不固定變形等因素影響，其中，構(gòu)件不固定變形是影響預(yù)拼裝結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素，構(gòu)件不固定變形與掃描時(shí)胎架布置、構(gòu)件自重、環(huán)境溫度有關(guān)，因此需通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算出構(gòu)件因不固定變形造成的構(gòu)件偏差，并進(jìn)行修正[2]。為找到一種更精準(zhǔn)的構(gòu)件尺寸檢測及數(shù)字化預(yù)拼裝方法，本文對基于結(jié)構(gòu)仿真分析與三維激光掃描的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化預(yù)拼裝技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1 技術(shù)原理

1.1 基本原理

基于三維激光掃描的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化預(yù)拼裝技術(shù)，將BIM信息化模型與逆向工程結(jié)合，借鑒航空制造領(lǐng)域和高端海工設(shè)備制造領(lǐng)域的相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)，將空間鋼結(jié)構(gòu)或預(yù)制建筑中大尺寸構(gòu)件快速高精度地采集到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中逆成像，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)空間鋼結(jié)構(gòu)或預(yù)制建筑的數(shù)字化仿真預(yù)拼裝[3]，即在虛擬環(huán)境中，查看實(shí)際加工構(gòu)件的加工情況，分析構(gòu)件在現(xiàn)場安裝中可能出現(xiàn)的如相鄰構(gòu)件接口錯(cuò)邊、牛腿偏差等問題，在工廠加工階段便可提供切實(shí)可行的構(gòu)件偏差調(diào)整方案。該技術(shù)具有效率高、精度高、工期短、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

利用MIDAS，SAP2000，3D3S，Geomagic Qualify等結(jié)構(gòu)分析軟件對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行受力分析，分析過程可模擬構(gòu)件或結(jié)構(gòu)實(shí)際施工工況、受力情況和實(shí)際外界環(huán)境，快速分析計(jì)算出其結(jié)構(gòu)變形位移、應(yīng)變、應(yīng)力等結(jié)果。

1.2 技術(shù)流程

首先在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段根據(jù)施工方案及工況對結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行變形分析，并確定結(jié)構(gòu)預(yù)起拱值，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化；工廠根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行構(gòu)件加工；加工完成后對構(gòu)件進(jìn)行三維激光掃描檢測及虛擬預(yù)拼裝。利用優(yōu)化后的計(jì)算模型在設(shè)計(jì)分析軟件中模擬掃描時(shí)的約束條件和影響因素，計(jì)算出被掃描構(gòu)件的仿真變形Δ1，用三維激光掃描模型分析的偏差Δ2-Δ1，即得到實(shí)際的加工偏差Δ，通過結(jié)構(gòu)變形分析提高鋼構(gòu)件虛擬預(yù)拼裝檢測的準(zhǔn)確性，為鋼結(jié)構(gòu)虛擬預(yù)拼裝提供可靠的數(shù)據(jù)保障。

1)將標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)單元計(jì)算模型導(dǎo)入設(shè)計(jì)分析軟件，按現(xiàn)場安裝情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形分析，并按得到的結(jié)構(gòu)變形結(jié)果對結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行預(yù)起拱。

2)深化設(shè)計(jì)人員根據(jù)結(jié)構(gòu)預(yù)起拱設(shè)計(jì)要求完成鋼構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)，同步完成優(yōu)化后的BIM模型。

3)工廠按深化設(shè)計(jì)方案完成構(gòu)件加工。

4)將加工完成的鋼構(gòu)件擺放至胎架上，確定構(gòu)件擺放方式及胎架布置數(shù)量和位置，待構(gòu)件固定后對構(gòu)件進(jìn)行三維激光掃描，獲取其掃描數(shù)據(jù)模型[4]。

5)將掃描得到的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入逆向分析軟件進(jìn)行擬合分析，并對各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行偏差測量和剖切分析，得到實(shí)際鋼構(gòu)件各檢測項(xiàng)的偏差結(jié)果。

6)將預(yù)起拱設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)單元模型拆分成單構(gòu)件計(jì)算模型，并導(dǎo)入設(shè)計(jì)分析軟件中。

7)在設(shè)計(jì)分析軟件中給予計(jì)算模型與實(shí)際掃描狀態(tài)下相同的支座約束條件(胎架放置數(shù)量、位置及固定方式)和環(huán)境溫度，分析其在自重、溫度等因素作用下的變形，得到各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(檢測項(xiàng))的變形結(jié)果。

8)將實(shí)際構(gòu)件虛擬檢測偏差結(jié)果與模擬分析的構(gòu)件變形結(jié)果相減得到其最終偏差，該最終偏差即為鋼構(gòu)件實(shí)際加工誤差。

9)根據(jù)GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》要求判定構(gòu)件加工是否合格，根據(jù)實(shí)際加工誤差對問題構(gòu)件進(jìn)行矯正，直至構(gòu)件檢測合格。

2 計(jì)算分析及驗(yàn)證

2.1 工程案例

以某大跨度鋼連廊為例，重點(diǎn)對不同約束條件下的拼裝構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為數(shù)字化預(yù)拼裝提供理論數(shù)據(jù)支持。鋼連廊模型如圖1所示。

圖1 鋼連廊模型

鋼連廊結(jié)構(gòu)如圖2所示。鋼連廊跨度為66.4m，寬12m，由2榀平面桁架和桁架間連梁組成，平面桁架的上、下弦采用B800×450×30×30，腹桿采用B450×450×22×22；下弦間連梁采用H600×300×14×28，H500×250×12×24；上弦間屋面鋼梁采用變截面H型鋼，H(500～675)×300×14×28，H(400～575)×250×12×24；鋼構(gòu)件材質(zhì)均為Q345B。鋼連廊的頂部標(biāo)高為21.880m，兩端通過盆式橡膠支座落于混凝土柱上。

圖2 鋼連廊結(jié)構(gòu)

2.2 鋼連廊預(yù)起拱值的確定

為保證結(jié)構(gòu)成型后的形態(tài)滿足建筑要求，按鋼連廊在“1.0×恒荷載+0.5×活荷載”工況下的豎向變形值進(jìn)行預(yù)起拱[5]。采用有限元軟件MIDAS進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算中考慮的荷載為：上、下弦層樓面采用120mm厚鋼筋桁架式樓承板，折算面荷載為3.0kN/m2；上弦層樓面的設(shè)計(jì)附加恒荷載為4.0kN/m2，活荷載為0.5kN/m2；下弦層樓面的設(shè)計(jì)附加恒荷載為2.0kN/m2，活荷載為3.0kN/m2。鋼連廊整體及主桁架豎向變形如圖3所示。

圖3 鋼連廊整體及主桁架豎向變形云圖(單位：mm)

預(yù)起拱作用為抵消豎向變形，因此二者絕對值相同，方向相反；加工預(yù)起拱已反映到深化模型中，是理論模型(Reference模型)的一部分。為更直觀地觀察平面主桁架各位置的豎向變形，對下弦節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(見圖4)，主桁架下弦節(jié)點(diǎn)豎向變形及預(yù)起拱值如圖5所示。由圖5可知，主桁架跨中最大豎向變形及預(yù)起拱值為136mm，且各下弦節(jié)點(diǎn)的預(yù)起拱值不同。

圖4 平面桁架下弦節(jié)點(diǎn)編號

圖5 主桁架下弦節(jié)點(diǎn)豎向變形及預(yù)起拱值

2.3 預(yù)拼裝構(gòu)件在不同約束條件下的理論變形分析

采用有限元分析軟件ABAQUS，選取一段下弦構(gòu)件(長11.72m)進(jìn)行不同約束條件下的變形分析，如圖6所示，計(jì)算時(shí)僅考慮構(gòu)件自重。

圖6 選取的預(yù)拼裝構(gòu)件

預(yù)拼裝分析的支點(diǎn)布置如圖7所示。約束條件考慮以下3種：①約束條件1 支點(diǎn)1，5，此時(shí)為單跨簡支梁；②約束條件2 支點(diǎn)1，3，5，此時(shí)為雙跨連續(xù)梁；③約束條件3 支點(diǎn)1，2，4，5，此時(shí)為三跨連續(xù)梁。

圖7 預(yù)拼裝分析的支點(diǎn)布置

3種約束條件下構(gòu)件豎向變形如圖8所示。

圖8 3種約束條件下構(gòu)件豎向變形云圖(單位：mm)

由圖8可知，約束條件1，2，3對應(yīng)的構(gòu)件最大豎向變形分別為0.23，0.02，0.01mm。

加工完成構(gòu)件掃描階段，構(gòu)件擺放至胎架為2個(gè)支點(diǎn)的方式，因此約束條件1是本案例分析的基礎(chǔ)，對應(yīng)的2個(gè)斷面上4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的變形數(shù)值Δ1如表1所示。

表1 仿真分析計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)變形值Δ1 mm

2.4 鋼構(gòu)件三維激光掃描測量

類似于簡支梁的試驗(yàn)方法，將加工好的鋼構(gòu)件兩端采用較理想的鉸支座形式,一端為固定鉸支座,一端為滑動鉸支座。

使用精度為0.085mm的三維激光掃描儀掃描加工好的構(gòu)件，通過對掃描模型(Test模型)和理論模型(Reference模型)進(jìn)行擬合對比分析，構(gòu)件檢測結(jié)果可在三維空間模型中以全彩色的差異圖形式表達(dá)。冷暖色調(diào)表達(dá)實(shí)際加工構(gòu)件相對理論BIM設(shè)計(jì)模型位置的凹凸情況，顏色深淺漸變則反映了偏差程度及趨勢、誤差范圍、偏差量等，同時(shí)在模型任意位置可創(chuàng)建偏差注釋快速獲取指定區(qū)域的偏差數(shù)值，在關(guān)鍵部位創(chuàng)建剖切截面并進(jìn)行尺寸標(biāo)注，使檢測結(jié)果一目了然[6]。

三維激光掃描擬合計(jì)算分析得出的構(gòu)件加工偏差Δ2如表2所示。

表2 三維激光掃描模型分析偏差Δ2 mm

2.5 鋼構(gòu)件實(shí)際加工偏差

構(gòu)件的實(shí)際加工誤差是掃描擬合結(jié)果扣除計(jì)算分析變形，即實(shí)際構(gòu)件三維激光掃描擬合分析Δ2，扣除模擬掃描工況分析得到的模型仿真分析計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)變形值Δ1，得到構(gòu)件真實(shí)的加工偏差Δ=Δ2-Δ1，如表3所示。

表3 構(gòu)件實(shí)際加工偏差Δ mm

工廠質(zhì)檢部門根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》要求判定構(gòu)件加工是否合格，根據(jù)實(shí)際加工誤差對問題構(gòu)件進(jìn)行矯正，直至構(gòu)件檢測合格。

3 結(jié)語

本文基于結(jié)構(gòu)仿真分析與三維激光掃描的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化預(yù)拼裝技術(shù)研究，有效解決了鋼結(jié)構(gòu)虛擬預(yù)拼裝由于非加工偏差造成的檢測結(jié)果真實(shí)性缺失問題，通過該方法可修正鋼構(gòu)件在虛擬檢測過程中因自重、外界溫度等因素造成的變形誤差，從而出具更加精確的構(gòu)件矯正方案，提高構(gòu)件加工精度，尤其對跨度較大、相對柔性的構(gòu)件或拼裝單元更有實(shí)際意義。該研究成果為鋼結(jié)構(gòu)虛擬預(yù)拼裝提供實(shí)施路徑，確保數(shù)據(jù)分析的精確性，提高工程質(zhì)量，使鋼結(jié)構(gòu)虛擬預(yù)拼裝技術(shù)更利于推廣應(yīng)用和指導(dǎo)加工及安裝。