嘉峪關(guān)氣象塔鋼結(jié)構(gòu)體組件地面拼裝數(shù)據(jù)處理

李玉寶 余代俊

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621010；2.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都610059）

嘉峪關(guān)氣象塔位于甘肅省著名旅游城市嘉峪關(guān)市東湖風(fēng)景區(qū)內(nèi)。氣象塔主體是混凝土筒狀塔樓，其外圍環(huán)繞裝飾性海豚造型的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼。網(wǎng)殼高95m，以2 726根直徑14～22cm的直伸鋼管對(duì)徑焊接而成，非常逼真地塑造出了海豚的輪廓，其空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，在國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)工程中是罕見(jiàn)的，如圖1所示。

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型高聳鋼結(jié)構(gòu)體的安裝，為了減少高空作業(yè)，提高準(zhǔn)確度和工作效率，一般是將整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)體拆分成適當(dāng)大小的吊裝組件，在地面上先組裝焊接成一體后，再整體吊裝[1]。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)吊裝組件的地面組裝，存在的技術(shù)難題是如何在地面組裝平臺(tái)上確定各構(gòu)件的相對(duì)空間關(guān)系，并且高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)在拼裝場(chǎng)地的空間定位。本文結(jié)合嘉峪關(guān)氣象塔海豚造型鋼結(jié)構(gòu)體網(wǎng)殼安裝的成功實(shí)踐，闡述復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)體吊裝組件地面組裝定位技術(shù)研究的成果。

圖1 海豚造型的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼Fig.1 The dolphin－shape steel structure net shell

1 六參數(shù)法坐標(biāo)轉(zhuǎn)換存在的問(wèn)題

海豚造型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的主體是24根豎桿，每根豎桿均由35段無(wú)縫鋼管對(duì)口焊接而成，而每一段鋼管構(gòu)成網(wǎng)殼的一“層”。豎桿之間對(duì)徑焊接鋼管橫桿和斜桿，焊接成的桿件以空中折線“編織”成海豚造型[2]。

網(wǎng)殼設(shè)計(jì)采用的定位參照系統(tǒng)是空間直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在氣象塔混凝土筒體地面幾何中心，Z軸鉛直向上，Y軸與“海豚”地面投影對(duì)稱軸重合，方向由原點(diǎn)指向“海豚”背部，順時(shí)針90°方向則為X軸方向，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

吊裝組件設(shè)置是綜合考慮塔吊起重能力、組裝場(chǎng)地大小、組裝是否方便、吊裝定位實(shí)施難度等因素而確定的。在本項(xiàng)目中，網(wǎng)殼被拆分為若干個(gè)吊裝組件，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的組件是在1～3層。吊裝組件由3根立桿及其相應(yīng)的橫桿、斜桿組成（圖2）；最復(fù)雜的吊裝組件是“海豚”的側(cè)鰭（圖3）。

圖2 最簡(jiǎn)單的吊裝組件Fig.2 The simplest lifting components

圖3 “海豚”側(cè)鰭結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of the dolphin＇s lateral swing

網(wǎng)殼定位的設(shè)計(jì)值是各鋼管中心線在對(duì)徑連接處的空間交點(diǎn)坐標(biāo)。要在地面完成網(wǎng)殼吊裝組件的拼裝，首先要確定組件上各交點(diǎn)在拼裝平臺(tái)上的空間相對(duì)關(guān)系。設(shè)：Xs＝[xsyszs]T為吊裝組件上一個(gè)交點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)向量，其地面拼裝平臺(tái)上的坐標(biāo)向量為 Xd＝[xdydzd]T，Xd與Xs的差為：ΔXsd＝[Δx Δy Δz]。以該點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，設(shè)3個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)角分別為αx，αy，αz，則將交點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到拼裝平臺(tái)坐標(biāo)的計(jì)算公式為[3，4]

其中

為旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣。由此可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)到拼裝平臺(tái)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，需要求出6個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，而這在實(shí)踐中是難于實(shí)施的，理由可以歸結(jié)如下：

a.要解算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，理論上至少要確定組件中2個(gè)以上的交點(diǎn)在拼裝平臺(tái)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。對(duì)于空間三維坐標(biāo)而言，這是相當(dāng)困難的。另一方面，即使能夠精確確定交點(diǎn)的拼裝平臺(tái)坐標(biāo)，由于求坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的方程是非線性的，旋轉(zhuǎn)角αx，αy，αz均非小量，計(jì)算是復(fù)雜的且難以保證精度。

b.由于各吊裝組件結(jié)構(gòu)均不同，每一個(gè)組件均要單獨(dú)求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，因此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作繁瑣復(fù)雜，效率、精度、可靠性低的問(wèn)題非常突出。

由于存在上述問(wèn)題，因而通過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是不切合實(shí)際的，必須另辟蹊徑。

2 CAD圖形操作坐標(biāo)變換方法

為解決吊裝組件定位數(shù)據(jù)處理的難題，筆者設(shè)計(jì)了一套基于AutoCAD系統(tǒng)的圖形操作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。根據(jù)圖形整體變換，不改變其相對(duì)空間關(guān)系的基本原理，以一系列圖形旋轉(zhuǎn)、變換投影面及平移的操作步驟，實(shí)現(xiàn)了吊裝組件交點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)向拼裝平臺(tái)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。相對(duì)于數(shù)學(xué)計(jì)算方法，這種方法避免了復(fù)雜的計(jì)算，不存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差，并可根據(jù)拼裝場(chǎng)地和組件形狀的不同情況，選擇最有利于組裝作業(yè)的放置方式，靈活、快速地進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。具有操作簡(jiǎn)單、直觀、便于檢驗(yàn)、可靠性高的顯著優(yōu)勢(shì)[2]。

如前所述，側(cè)鰭是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的吊裝組件，因此，下面以側(cè)鰭組裝數(shù)據(jù)處理為例，對(duì)圖形操作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理方法加以闡述；其他相對(duì)簡(jiǎn)單組件的處理方法以此類推，本文不再贅述。

“海豚”有左右兩個(gè)側(cè)鰭，相對(duì)于ZOY平面成鏡像關(guān)系。每個(gè)側(cè)鰭由206根長(zhǎng)短、直徑不一的直伸鋼管對(duì)徑焊接而成。側(cè)鰭體積龐大，約為：長(zhǎng)11m、高6m、寬3m。顯然，要方便拼裝施工作業(yè)，應(yīng)將側(cè)鰭背腹脊所在平面水平地置于拼裝平臺(tái)。為此，基于CAD圖形操作的交點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法如下：

a.設(shè)側(cè)鰭背腹脊所在空間平面方程為

在側(cè)鰭背腹脊線上取4個(gè)交點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)，代入平面方程，得到一個(gè)4階線性方程組。從中解算出平面方程的系數(shù)值A(chǔ)，B，C，D，確定平面方程。

b.令平面方程中z＝0，求得側(cè)鰭背腹脊所在平面與XOY坐標(biāo)平面的一段交線ab，在計(jì)算機(jī)屏幕上繪制出來(lái)。

c.將側(cè)鰭的全部交點(diǎn)展繪在計(jì)算機(jī)屏幕上，并選中與線段ab一同旋轉(zhuǎn)，直至線段ab與Y坐標(biāo)軸平行。經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)后，側(cè)鰭各交點(diǎn)空間相對(duì)關(guān)系不變，但背腹脊所在平面已經(jīng)與XOZ坐標(biāo)平面垂直。

d.將側(cè)鰭旋轉(zhuǎn)后交點(diǎn)坐標(biāo)編輯為數(shù)據(jù)文件，按XOZ坐標(biāo)平面展繪在計(jì)算機(jī)屏幕上。由于背腹脊所在平面與XOZ平面垂直，所以側(cè)鰭背腹脊線上所有交點(diǎn)均在一條直線cd上。選中全部側(cè)鰭交點(diǎn)，以c（或d）點(diǎn)為基點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，使線段cd與X坐標(biāo)軸平行，這時(shí)，側(cè)鰭背腹脊所在平面即已與XOY坐標(biāo)平面平行。

3 組裝定位數(shù)據(jù)的確定

通過(guò)以上操作步驟，側(cè)鰭在組裝平臺(tái)上的放置面已經(jīng)確定。同樣地，通過(guò)CAD圖形操作的方法，可以方便、精準(zhǔn)地確定組裝定位放樣數(shù)據(jù)，其步驟如下：

a.將側(cè)鰭經(jīng)二次旋轉(zhuǎn)后的交點(diǎn)坐標(biāo)，編輯為數(shù)據(jù)文件，按XOY坐標(biāo)平面展繪在計(jì)算機(jī)屏幕上（XOY平面投影圖）。

b.在組裝平臺(tái)旁的觀測(cè)墩上，以任意假定坐標(biāo)用全站儀測(cè)定組裝平臺(tái)范圍，以及觀測(cè)墩與組裝平臺(tái)間可能影響通視的物體。

c.將展繪出的側(cè)鰭交點(diǎn)平面投影圖整體移入組裝平臺(tái)范圍內(nèi)，并做調(diào)整，使觀測(cè)站與放樣交點(diǎn)間無(wú)障礙物影響通視。

經(jīng)過(guò)上述步驟，觀測(cè)站與拼裝平臺(tái)上吊裝組件的空間關(guān)系已確定，即吊裝組件交點(diǎn)坐標(biāo)已經(jīng)納入以觀測(cè)墩為基點(diǎn)的拼裝平臺(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)，通過(guò)圖面（計(jì)算機(jī)屏幕）就能量算出觀測(cè)站到各個(gè)交點(diǎn)的平面距離和方位角等放樣數(shù)據(jù)。平面位置定位數(shù)據(jù)確定后，再以組裝作業(yè)方便為原則，設(shè)定相對(duì)于組裝平臺(tái)最低交點(diǎn)的相對(duì)高程，然后就可以根據(jù)各個(gè)交點(diǎn)的z坐標(biāo)，確定其相對(duì)組裝平臺(tái)的高差了。

4 結(jié)語(yǔ)

嘉峪關(guān)氣象塔海豚造型鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，空間造型極其復(fù)雜。網(wǎng)殼采用鋼管對(duì)徑焊接方式連接，定位精度要求很高，若出現(xiàn)測(cè)量定位錯(cuò)誤或較大誤差，會(huì)使鋼管桿件不能精準(zhǔn)對(duì)接而造成重大損失。此項(xiàng)目放樣測(cè)量定位難度之大是罕見(jiàn)的，類似工程國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。本文所闡述研究成果，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)殼吊裝組件設(shè)計(jì)坐標(biāo)向任意拼裝平臺(tái)坐標(biāo)的無(wú)誤差轉(zhuǎn)換。這一快捷、方便而可靠性高的方法，保證了網(wǎng)殼安裝工程在作業(yè)場(chǎng)地十分簡(jiǎn)陋的條件下順利完成（圖4），可供從事類似復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)安裝定位工作的同行借鑒、參考。

圖4 氣象塔竣工圖Fig.4 The building－up drawing of the Jiayuguan meteorological tower

[1]潘國(guó)榮.太湖明珠鋼結(jié)構(gòu)球形建筑的安裝測(cè)量[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，30（11）：1342－1345.

[2]李玉寶.嘉峪關(guān)氣象塔海豚狀鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼安裝定位[J].工程勘察，2009，37（7）：63－66.

[3]張正祿.工程測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005：248－280.

[4]覃輝，唐平英，余代俊，等.土木工程測(cè)量[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2005：322－362.

[5]沈祖炎，陳揚(yáng)驥，陳以一.鋼結(jié)構(gòu)基本原理[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005：212－241.

[6]楊廣旋，楊浩，孫靜.AutoCAD定制與應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2005：169－252.

[7]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB／T 15314－1994，精密工程測(cè)量規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[8]馮文灝.工業(yè)測(cè)量 [M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2004：16－124.