高精度全站儀在栓接鋼結構制造中的應用

向 陽，鄂利春，高相府，徐曉玉，劉 杰，葉愛青

(1. 福建船政交通職業(yè)學院，福建 福州 350007； 2. 上海龍禹船舶技術有限公司，上海 201206)

測繪4.0：拓普康索佳應用方案專欄

高精度全站儀在栓接鋼結構制造中的應用

向 陽1，鄂利春2，高相府2，徐曉玉2，劉 杰2，葉愛青2

(1. 福建船政交通職業(yè)學院，福建 福州 350007； 2. 上海龍禹船舶技術有限公司，上海 201206)

1 項目簡介

本項目為管廊模塊項目，管道在鋼構件結構上預制，鋼結構自身設計采用螺栓栓接，分為上下兩層對接，底部模塊與現(xiàn)場已安裝完成的地腳螺栓連接。如圖1所示，共有18根立柱，每根立柱上下兩層連接板面均需測量，單個連接面測量4角的4個螺栓孔，測量點數(shù)多；而且單個螺栓孔精度要求為1″/16。為保證項目的順利運行，使用高精度全站儀SOKKIA NET1005進行檢測。

圖1 模塊結構

2 基于SOKKIA NET1005的精度檢測方法

2.1 SOKKIA NET1005簡介

SOKKIA NET1005測角精度為0.5″；測距精度為：反射片：0.5 mm+1×10-6D，棱鏡：0.8 mm+1×10-6D，免棱鏡：1 mm+1×10-6D。因項目現(xiàn)場環(huán)境及測量點位限制無法使用棱鏡測量，只能使用反射片測量模式。

2.2 測量實施方案

現(xiàn)場測量點為螺栓孔中心，需要獲得其圓心的三維坐標，由于圓心點不存在于鋼構件上，因此需制作特定的測量工裝來滿足測量條件。如圖2所示，根據鋼構件螺栓孔大小制作孔檢測工裝，孔接觸面作-0.3 mm公差，以滿足現(xiàn)場使用及精度要求。

現(xiàn)場測量采用自由設站方式，全站儀架設整平后，對螺栓孔進行數(shù)據采集。由于現(xiàn)場存在遮擋，以及測量鋼構件頂部螺栓孔時需要進行搬站，為減少搬站帶來的誤差，在測量初始時在構件四周需布設4～5個固定標靶，其坐標應在第1測站內測量，其后的每次搬站測量均使用至少3個公共點標靶(選其中一固定點進行坐標復核確認)進行轉站，且搬站精度應在1 mm內才能進行下一測站的測量，如圖3所示。

圖2 孔檢測工裝

圖3 全站儀自由設站中搬站測量示意圖

2.3 自由設站原理與精度評定

我不肯和張家明發(fā)生關系，有兩個原因。一是因為我年齡??；二則是我并沒有將自己托付給張家明的想法。我只不過是暫時拿他當保護傘而已。

轉站測量采用的是自由設站邊角交會原理，通過測量A、B兩個已知點，自動計算設站點P的坐標，實現(xiàn)坐標系統(tǒng)一，完成搬站。

A、B為已知點，P為設站點。通過測量距離S1、S2，測定夾角γ，列出誤差方程式

V=BX-L

(1)

其表達式為

針對方向與距離兩類測量值，定義方向觀測值的中誤差為m0，定權為1，則邊長觀測值定權為

由目標函數(shù)VTPV=min列出法方程，解算得

X=(BTPB)-1BTPL

(2)

協(xié)因數(shù)陣為

(3)

點位中誤差為

(4)

3 單構件尺寸精度分析

3.1 數(shù)據分析處理

利用分析軟件直接讀取3D設計模型，根據現(xiàn)場實測螺栓孔位生成理論點三維坐標(X，Y，Z)，將實測數(shù)據坐標集(x1，y1，z1)導入軟件中進行自動匹配，實現(xiàn)實測點與設計點一對一匹配。

由于鋼構件采用上下對接的方式，底層模塊還需與安裝現(xiàn)場對接，因此分析時以模塊的地面地腳螺栓為基準，分析整個模塊的建造狀態(tài)。

數(shù)據處理時需采用自動、手動匹配調整，首先整體數(shù)據自動匹配結束后，進行距離綁定，查看整體數(shù)據偏差狀態(tài)；再根據底部基準進行手動調整，在軟件中利用“1點、2點、3點”的旋轉、平移功能，直到整體螺栓孔數(shù)據達到最佳匹配狀態(tài)，至此單個鋼構件的數(shù)據分析結束，如圖4所示。

圖4 單個鋼構件數(shù)據分析處理

3.2 報告出具

軟件中含有三維版塊和二維版塊，三維版塊中數(shù)據分析結束后進入二維版塊中生成數(shù)據報表，一鍵生成鋼構件底部、頂部的螺栓孔偏差數(shù)據報告，如圖5所示。

圖5 模塊螺栓孔圖形報告

4 數(shù)字化模擬預拼裝

4.1 模擬預拼

模擬拼裝預期效果及目標是通過數(shù)據的電腦模擬預拼替代現(xiàn)場實物預拼同樣可滿足建造精度；對所有制作好的單一構件進行虛擬拼裝，以檢驗單一構件的尺寸偏差及對接構件的累積偏差。

此項目對接面共有兩個：一個是底部模塊底層地腳螺栓與安裝現(xiàn)場支墩螺栓連接，另一個是底部模塊頂部螺栓與頂部模塊對接。

利用電腦預拼裝軟件讀取對接單構件分析完成的數(shù)據文件，將底層模塊構件作為基準分段，安裝現(xiàn)場的支墩地腳螺栓數(shù)據由于提前預制安裝完成，可以將其理論數(shù)據當成實測數(shù)據，頂層模塊構件的實測值與底層模塊構件的實測值進行拼裝匹配，頂層模塊構件通過分析調整，已達到整體螺栓孔的最優(yōu)匹配。分析過程如圖6所示。

圖6 模擬預拼裝過程分析

4.2 現(xiàn)場修正

對接模塊完成模擬預拼裝后，出具如圖7所示的對接面圖形報告，工程師根據螺栓孔匹配結果，給出解決方案。

圖7 模塊對接面圖形報告

結合設計、安裝要求，在保證安裝結構強度的前提下，對于超差無法對接的問題，采用底層模塊頂部單張面板上的對接螺栓孔擴孔處理方案，保證螺栓孔完成對接；對接超差且不允許擴孔的對接面板現(xiàn)場安裝時采用焊接方式連接；底層模塊構件地腳螺栓對接時根據偏差報告對螺栓孔進行擴孔修正，而不允許擴孔處理時則修改安裝現(xiàn)場支墩的地腳螺栓坐標位置，以滿足現(xiàn)場的順利安裝。

5 結 語

本項目使用高精度全站儀進行栓接鋼結構精度控制，不僅快速高效地完成了檢測工作，而且大大提升了精度等級，使鋼構件質量得到保障。利用分析處理軟件對栓接鋼構件進行數(shù)字化模擬預拼，保證了安裝現(xiàn)場工作的順利進行，縮短了整個項目的運行周期，節(jié)省了大量的人力、物力。