董偉東

(北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司, 北京 100101)

0 引言

北京大興國際機場航站樓是全球最大的機場航站樓,其核心區(qū)鋼結(jié)構(gòu)屋面網(wǎng)架平面投影面積達1.8×105m2,僅由8根巨大的C型柱作為主要支撐,其中，6根C型柱圍成的空間可以裝下整個水立方[1]。屋面網(wǎng)架整體造型為不規(guī)則自由曲面[2-4],從空中俯瞰猶如外星人基地一般充滿科幻感。

核心區(qū)鋼結(jié)構(gòu)屬于超大規(guī)模、超大面積異形鋼結(jié)構(gòu)工程,具有體量大,造型復(fù)雜,施工步驟多、工序多等特點,在整個施工過程中,如何做好鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測,面臨巨大的技術(shù)難題和前所未有的挑戰(zhàn)。

1 變形監(jiān)測的目的

對新機場屋面網(wǎng)架及其支撐體系進行變形監(jiān)測的目的主要有以下4方面[5-6]：①掌握鋼結(jié)構(gòu)屋面網(wǎng)架各關(guān)鍵施工階段的安全狀態(tài),確保施工安全;②輔助對各種施工工法的效果進行比較,幫助對今后類似工程施工方案進行優(yōu)化;③輔助進行與鋼結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的分部分項工程的施工;④驗證網(wǎng)架受力和變形理論分析的正確性和差異,輔助設(shè)計人員對鋼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計等。因此,對超大面積異形鋼結(jié)構(gòu)進行綜合變形監(jiān)測及分析具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2 變形監(jiān)測空間分區(qū)和時間階段劃分

變形監(jiān)測空間區(qū)域劃分。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工分區(qū)將核心區(qū)鋼結(jié)構(gòu)分為南、北兩大區(qū),同時按條形天窗、中央天窗為界把鋼結(jié)構(gòu)分為7個小分區(qū)。分別是C1-1區(qū)、C1-2區(qū)、C2-1區(qū)、C2-2區(qū)、C3-1區(qū)、C3-2區(qū)以及C4區(qū)(圖1)。

圖1 北京大興國際機場核心區(qū)鋼結(jié)構(gòu)分區(qū)

變形監(jiān)測時間階段劃分。對于8顆C型柱的監(jiān)測,主要劃分為3個階段[7-8]進行監(jiān)測。第1個階段為屋面網(wǎng)架與C型柱對接安裝后、卸除支撐之前,簡稱加載前;第2個階段為屋面網(wǎng)架卸除臨時支撐將支撐力轉(zhuǎn)移到C型柱的過程,簡稱一次加載階段。C型柱這兩個階段疊加的變形相當(dāng)于第1次加載變形;第3個階段為屋面加載階段,即從屋面網(wǎng)架上方的主、次檁開始安裝至屋面最后一道面層安裝完成的階段,簡稱二次加載階段。C型柱的第2、3階段疊加變形相當(dāng)于二次加載變形。對于屋面網(wǎng)架的監(jiān)測,共劃分為4個階段進行。分別為：①提升就位階段。主要針對7個分區(qū)采用提升工法安裝的屋面網(wǎng)架,以8顆C型柱周邊屋面網(wǎng)架提升到位且與C型柱對接完成為時間節(jié)點,開展變形監(jiān)測。②卸載階段。指的是7個分區(qū)屋面網(wǎng)架拆除臨時支撐的階段,以7個分區(qū)基本完成臨時支撐拆除、屋面網(wǎng)架的受力全部轉(zhuǎn)移到8顆C型柱、12個支撐筒、樓前幕墻柱及其他支撐單柱等支撐體系之上時作為時間節(jié)點開展變形監(jiān)測。③合攏階段。指各分區(qū)之間的6個條形天窗和1個中央天窗與各個分區(qū)對接焊接在一起,將6個分區(qū)連成一體、形成總面積達1.8×105m2的整體屋面網(wǎng)架的過程。以上述7個天窗全部完成對接焊接為時間節(jié)點開展變形監(jiān)測。④屋面加載階段。該階段即前面提到的C型柱二次加載階段,以最終面層開始安裝為時間節(jié)點開展屋面網(wǎng)架的監(jiān)測。

3 各階段變形監(jiān)測的特點

8顆C型柱作為屋面網(wǎng)架支撐體系的重要組成部分,設(shè)計外形奇特、體量巨大、受力復(fù)雜[7-8],已成為北京大興國際機場航站樓的一大亮點。對C型柱加載前、一次加載后、二次加載后進行變形監(jiān)測,目的是要全面考察C型柱一次加載和二次加載造成的變形規(guī)律和大小,分析和判斷C型柱受力和變形是否滿足設(shè)計要求,是否處于安全狀態(tài)。C型柱設(shè)計為空間曲線型,且為無球結(jié)點的樹狀結(jié)構(gòu),沒有明確的變形極值點且很難用三維坐標(biāo)表征其變形方向和大小,給變形監(jiān)測帶來了巨大挑戰(zhàn)。另外,C型柱兩次加載沒有十分明確的時間節(jié)點,因此變形監(jiān)測對時效性要求較低。

對于屋面網(wǎng)架提升就位階段的監(jiān)測有兩個作用:一是反映各個分區(qū)提升安裝網(wǎng)架的就位狀態(tài)是否滿足設(shè)計要求,二是為下一步卸載變形監(jiān)測提供一個可比較的初始基準(zhǔn)。網(wǎng)架提升就位后,有一段較長時間的懸停期,所以該階段對網(wǎng)架監(jiān)測的及時性要求較低,各個分區(qū)也是獨立提升互不影響的,對應(yīng)變形監(jiān)測也可到位一個區(qū)、跟進監(jiān)測一個區(qū)實現(xiàn)非同步監(jiān)測。核心區(qū)屋面網(wǎng)架的卸載過程,本質(zhì)上是各個分區(qū)內(nèi)部的屋面網(wǎng)架由臨時支撐受力向支撐體系受力轉(zhuǎn)換的過程,在這個轉(zhuǎn)換過程中,屋面網(wǎng)架的內(nèi)部受力和外部變形都異常復(fù)雜,稍有不慎就有可能造成事故,是決定整個屋面網(wǎng)架安裝成敗的關(guān)鍵。因此做好卸載變形監(jiān)測,是確保鋼結(jié)構(gòu)屋面網(wǎng)架安裝施工安全的重要手段和保證,要求有很強的針對性、及時性和準(zhǔn)確性。針對性就是對受力和變形重點區(qū)域、重點位置進行重點關(guān)注;及時性是指在卸載過程中,要在短短幾十分鐘的時間內(nèi)獲得變形監(jiān)測的結(jié)果,及時判斷網(wǎng)架的安全性和及時采取應(yīng)急處置措施;準(zhǔn)確性要求變形值的精度要達到毫米級。各個分區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)卸載雖然不要求同步,但要求在短期內(nèi)盡量按區(qū)域?qū)ΨQ原則卸載,所有分區(qū)的卸載要求在15 d內(nèi)全部完成。由于每個區(qū)域卸載時要求監(jiān)測同步進行,這對變形監(jiān)測人員、設(shè)備的組織安排和數(shù)據(jù)的及時處理提出了較高要求和挑戰(zhàn)。工程實際卸載過程中,采用了施工監(jiān)測、第三方監(jiān)測和工程監(jiān)理三方同步進行、相互印證的組織形式,取得了較好效果。合攏階段的變形區(qū)域主要集中在條形天窗和中央天窗周邊,預(yù)計變形值較小,該階段網(wǎng)架變形監(jiān)測具有面積巨大、數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜及時效性要求較低的特點。屋面加載階段加載時間長、加載重量大,變形監(jiān)測除同樣具有監(jiān)測面積大、監(jiān)測數(shù)據(jù)多、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜和時效性低的特點外。另一重要特點是變形監(jiān)測的結(jié)果可作為屋面網(wǎng)架吊頂支托二次設(shè)計的依據(jù),對指導(dǎo)下一步室內(nèi)吊頂施工具有重要的參考價值和指導(dǎo)意義。

4 變形監(jiān)測的主要方法和手段

針對不同的監(jiān)測對象,以及監(jiān)測對象的不同施工階段,應(yīng)該采用適合的監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)處理手段。由于北京大興國際機場航站樓核心區(qū)屋面網(wǎng)架及支撐體系設(shè)計異常復(fù)雜,在全球范圍內(nèi)找不到可以參考的先例,所以確定合適的監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)處理手段是一個從困惑走向堅定、艱辛而又充滿樂趣的探索過程。

對于C型柱,筆者最終確定采用三維激光掃描逆向建模技術(shù)實現(xiàn)三維變形監(jiān)測。在3個階段分別使用同型號三維激光掃描儀RieglVZ400i,結(jié)合全站儀輔助作業(yè),使用相同的三維坐標(biāo)基準(zhǔn)進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。使用Geomagic Wrap 軟件對各期掃描點云分別單獨進行拼接、去噪等預(yù)處理[9-12]形成各期三維模型,再使用Geomagic Control X 軟件的工件質(zhì)量檢查功能[13],對相鄰兩期的三維模型進行疊置比較分析,得到C型柱一次加載和二次加載的三維變形色譜圖,該色譜圖直觀地反映出了C型柱對應(yīng)兩個時期的變形方向、大小及整體分布規(guī)律(圖2、圖3), 達到了預(yù)期目標(biāo)。

對于屋面網(wǎng)架在就位階段、合攏階段和加載階段的變形監(jiān)測,需要比較當(dāng)前網(wǎng)架狀態(tài)和對應(yīng)不同設(shè)計模型之間的偏差關(guān)系,而不同的設(shè)計模型包括線劃模型、深化模型等的空間位置都是基于網(wǎng)架的結(jié)點球球心的空間三維坐標(biāo)來定義的。因此,這3個階段的變形監(jiān)測必須以核心區(qū)屋面網(wǎng)架的12 300多個結(jié)點球球心為最終研究對象,方可實現(xiàn)監(jiān)測目標(biāo);同時這3個階段監(jiān)測的數(shù)據(jù)量龐大、時效性要求不高,采用三維激光掃描作為數(shù)據(jù)采集手段是較優(yōu)的選擇。

對于屋面網(wǎng)架卸載階段的變形監(jiān)測,由于時效性和變形值精度要求較高,卸載前及卸載過程中使用全站儀觀測反射片的方法,實時反映網(wǎng)架的變形方向和大小。在網(wǎng)架卸載完成后,又采用了全站儀觀測球面四點坐標(biāo)和三維激光掃描法進行全面的變形監(jiān)測。

通過兩期三維激光掃描點云的疊置分析或?qū)善邳c云中同一個結(jié)點球進行球心擬合、提取坐標(biāo)、偏差比較得到研究對象的三維變形值和方向,從理論上分析是可行的,本研究使用Riegl VZ2000i、TRIMBLE TX8兩款地面三維激光掃描儀進行了多個分區(qū)網(wǎng)架三維激光點云掃描,同時采用全站儀遙測球面四點三維坐標(biāo)擬合球心法進行對比驗證。最后得出一致結(jié)論：在最遠150 m的掃描范圍內(nèi),三維激光掃描點云擬合球心的精度和全站儀遙測球面四點三維坐標(biāo)擬合球心的精度相當(dāng),都在毫米級。整體上全站儀測量精度稍高、三維激光掃描精度稍低,但差異并不顯著。

對以上4個階段除卸載過程實時變形監(jiān)測之外,變形監(jiān)測面臨著數(shù)據(jù)量龐大、常規(guī)的數(shù)據(jù)表格和數(shù)據(jù)曲線的成果表達形式已不能滿足超大面積異形鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜變形整體、直觀展現(xiàn)的需要。同時,表達C型柱三維變形的手段和方法在表征屋面網(wǎng)架變形的需求面前已行不通：一方面是由于海量屋面網(wǎng)架點云數(shù)據(jù)中含有大量的、無法自動剔除的桿件點云,這些桿件與分析網(wǎng)架的變形關(guān)系不大;另一方面是拼接后的網(wǎng)架點云數(shù)據(jù)量太過龐大,造成內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)難以順利處理。在這種局面下,必需找到一種新的屋面網(wǎng)架變形表達形式和手段。最終采用Geomagic Wrap三維建模軟件和Surfer地學(xué)三維分析軟件[14-15],將海量掃描點云數(shù)據(jù)經(jīng)過結(jié)點球擬合并提取球心坐標(biāo)、網(wǎng)格內(nèi)插、擬合曲面、繪制等值線圖等一系列技術(shù)處理,對海量點云進行瘦身,實現(xiàn)了復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)三維變形數(shù)據(jù)全面、可視化表達,成功解決了上述技術(shù)難題。

5 變形監(jiān)測成果及主要結(jié)論

5.1 C型柱變形監(jiān)測成果及結(jié)論

通過C2-2區(qū)C型柱三個階段三維掃描模型整理出的兩次加載變形色譜圖(圖2、圖3)可以發(fā)現(xiàn),該C型柱在一次加載中整體向航站樓南側(cè)傾斜,最大正向變形值約為80.0 mm,最大負向變形值約為-80.0 mm,平均變形值為-27.99～31.79 mm,標(biāo)準(zhǔn)偏差為36.24 mm,且頂面C型平面架體產(chǎn)生了沿順時針方向(自C型柱上方俯視)的扭轉(zhuǎn);在二次加載過程中整體向航站樓北側(cè)傾斜,最大正向變形值約為30.0 mm,最大負向變形值約為-30.0 mm,平均變形值為-6.65～9.96 mm,標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.23 mm,且頂面C型架體產(chǎn)生了沿逆時針方向(自C型柱上方俯視)的扭轉(zhuǎn)。實測變形監(jiān)測數(shù)據(jù)充分說明了C型柱的變形主要集中在一次加載(即屋面網(wǎng)架拆除臨時支撐)階段,二次加載(即屋蓋主次檁條和屋面板安裝加載)階段與一次加載階段相比,變形方向相反,變形值要小,約為一次加載變形值的三分之一。

圖2 C形柱一次加載變形結(jié)果色譜圖

圖3 C形柱二次加載變形結(jié)果色譜圖

5.2 屋面網(wǎng)架變形監(jiān)測成果及結(jié)論

5.2.1就位階段

屋面網(wǎng)架安裝或提升就位后,除中央天窗低于設(shè)計值200 mm外,豎向偏離設(shè)計值均在-20 mm～20 mm之間,大部分偏差在±10 mm以內(nèi)。說明屋面網(wǎng)架整體就位狀態(tài)良好(圖4)。

圖4 屋面網(wǎng)架提升或安裝就位后偏差色譜圖

5.2.2卸載階段

從核心區(qū)屋面網(wǎng)架卸載變形等值線色譜圖(圖5)可以直觀地看出,卸載變形整體呈左右對稱狀態(tài);外圍及四周呈上升狀態(tài),中部及內(nèi)部下沉,四周最大上升量在30～40 mm之間;除中央天窗外的6個飛魚狀分區(qū)的最大下沉變形區(qū)域都集中在頭部和兩腮部位。最大下沉量在150～170 mm之間。這些實測變形的分布規(guī)律和用有限元法分析的理論變形值分布規(guī)律基本吻合,實測變形的最大、最小值比用有限元分析法得到的理論計算值略大。這一差異現(xiàn)象與大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)工程實測變形與理論變形值間的關(guān)系一致,說明了北京新機場核心區(qū)鋼結(jié)構(gòu)卸載受力和變形的理論分析正確、合理,卸載過程正常,受力和變形都處在安全、可控范圍。

圖5 屋面網(wǎng)架卸載實測變形色譜圖

5.2.3合攏階段

網(wǎng)架合攏完成后,通過比較三維掃描點云和深化模型的球結(jié)點三維坐標(biāo)偏差,并據(jù)此繪制出豎向偏差等值線色譜圖,從圖6可以發(fā)現(xiàn)：屋面網(wǎng)架經(jīng)過卸載、合攏過程,與初就位狀態(tài)相比發(fā)生了較大變化。中央天窗整體仍低于設(shè)計位置200～260 mm,核心區(qū)四周有少量上升,核心區(qū)中部大部分區(qū)域低于設(shè)計值60～140 mm。需要特別指出,這里所說的設(shè)計值是網(wǎng)架的深化模型設(shè)計值,是包含了反向預(yù)變形(也叫預(yù)起拱)值的一種中間設(shè)計位置,并不是網(wǎng)架的最終設(shè)計位置。

圖6 屋面網(wǎng)架大合攏后豎向偏差色譜圖

5.2.4 加載階段

屋面加載后期,通過比較掃描點云提取的球結(jié)點三維坐標(biāo)和設(shè)計線劃模型,繪制成豎向偏差等值線云圖(圖7)。從該云圖可以發(fā)現(xiàn),屋面鋼網(wǎng)架的最終空間形態(tài)與設(shè)計值相比,除四周略有升高外,大部分區(qū)域均低于設(shè)計值50～110 mm,局部區(qū)域比此范圍值還要低。這一現(xiàn)象除受到施工工況的復(fù)雜性及屋面結(jié)構(gòu)加載重量的不可精確預(yù)測性影響外,在一定程度上說明了鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計模型的預(yù)起拱量設(shè)計存在一定偏差[16]。

圖7 屋面網(wǎng)架在屋面加載后期豎向偏差色譜圖

6 結(jié)束語

采用三維激光掃描結(jié)合全站儀直接觀測反射片或遙測結(jié)點球球面四點坐標(biāo)等方法進行數(shù)據(jù)采集,結(jié)合使用三維點云建模軟件Geomagic Wrap和質(zhì)量分析軟件Geomagic Control X以及地學(xué)分析軟件Surfer,實現(xiàn)了超大面積不規(guī)則自由曲面鋼網(wǎng)架綜合變形監(jiān)測和可視化分析,保證了鋼結(jié)構(gòu)施工的安全和質(zhì)量。該復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)三維變形監(jiān)測的觀測、數(shù)據(jù)處理及分析方法可以推廣應(yīng)用到類似異形、復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程中。

鋼結(jié)構(gòu)支撐體系及屋面網(wǎng)架的整個施工過程,實際上是一個向最終設(shè)計模型反向逼近的“找型”過程。由于施工過程的復(fù)雜性及網(wǎng)架變形影響因素的不確定性,造成了屋面網(wǎng)架的最終空間位置與設(shè)計位置存在一定偏差。基于此偏差,還可以針對鋼結(jié)構(gòu)深化模型的預(yù)起拱設(shè)計進行進一步優(yōu)化,以便更好地應(yīng)用于今后類似鋼結(jié)構(gòu)工程。