高精度全站仪在栓接钢结构制造中的应用

向 阳，鄂利春，高相府，徐晓玉，刘 杰，叶爱青

(1. 福建船政交通职业学院，福建 福州 350007； 2. 上海龙禹船舶技术有限公司，上海 201206)

测绘4.0：拓普康索佳应用方案专栏

高精度全站仪在栓接钢结构制造中的应用

向 阳1，鄂利春2，高相府2，徐晓玉2，刘 杰2，叶爱青2

(1. 福建船政交通职业学院，福建 福州 350007； 2. 上海龙禹船舶技术有限公司，上海 201206)

1 项目简介

本项目为管廊模块项目，管道在钢构件结构上预制，钢结构自身设计采用螺栓栓接，分为上下两层对接，底部模块与现场已安装完成的地脚螺栓连接。如图1所示，共有18根立柱，每根立柱上下两层连接板面均需测量，单个连接面测量4角的4个螺栓孔，测量点数多；而且单个螺栓孔精度要求为1″/16。为保证项目的顺利运行，使用高精度全站仪SOKKIA NET1005进行检测。

图1 模块结构

2 基于SOKKIA NET1005的精度检测方法

2.1 SOKKIA NET1005简介

SOKKIA NET1005测角精度为0.5″；测距精度为：反射片：0.5 mm+1×10-6D，棱镜：0.8 mm+1×10-6D，免棱镜：1 mm+1×10-6D。因项目现场环境及测量点位限制无法使用棱镜测量，只能使用反射片测量模式。

2.2 测量实施方案

现场测量点为螺栓孔中心，需要获得其圆心的三维坐标，由于圆心点不存在于钢构件上，因此需制作特定的测量工装来满足测量条件。如图2所示，根据钢构件螺栓孔大小制作孔检测工装，孔接触面作-0.3 mm公差，以满足现场使用及精度要求。

现场测量采用自由设站方式，全站仪架设整平后，对螺栓孔进行数据采集。由于现场存在遮挡，以及测量钢构件顶部螺栓孔时需要进行搬站，为减少搬站带来的误差，在测量初始时在构件四周需布设4～5个固定标靶，其坐标应在第1测站内测量，其后的每次搬站测量均使用至少3个公共点标靶(选其中一固定点进行坐标复核确认)进行转站，且搬站精度应在1 mm内才能进行下一测站的测量，如图3所示。

图2 孔检测工装

图3 全站仪自由设站中搬站测量示意图

2.3 自由设站原理与精度评定

我不肯和张家明发生关系，有两个原因。一是因为我年龄小；二则是我并没有将自己托付给张家明的想法。我只不过是暂时拿他当保护伞而已。

转站测量采用的是自由设站边角交会原理，通过测量A、B两个已知点，自动计算设站点P的坐标，实现坐标系统一，完成搬站。

A、B为已知点，P为设站点。通过测量距离S1、S2，测定夹角γ，列出误差方程式

V=BX-L

(1)

其表达式为

针对方向与距离两类测量值，定义方向观测值的中误差为m0，定权为1，则边长观测值定权为

由目标函数VTPV=min列出法方程，解算得

X=(BTPB)-1BTPL

(2)

协因数阵为

(3)

点位中误差为

(4)

3 单构件尺寸精度分析

3.1 数据分析处理

利用分析软件直接读取3D设计模型，根据现场实测螺栓孔位生成理论点三维坐标(X，Y，Z)，将实测数据坐标集(x1，y1，z1)导入软件中进行自动匹配，实现实测点与设计点一对一匹配。

由于钢构件采用上下对接的方式，底层模块还需与安装现场对接，因此分析时以模块的地面地脚螺栓为基准，分析整个模块的建造状态。

数据处理时需采用自动、手动匹配调整，首先整体数据自动匹配结束后，进行距离绑定，查看整体数据偏差状态；再根据底部基准进行手动调整，在软件中利用“1点、2点、3点”的旋转、平移功能，直到整体螺栓孔数据达到最佳匹配状态，至此单个钢构件的数据分析结束，如图4所示。

图4 单个钢构件数据分析处理

3.2 报告出具

软件中含有三维版块和二维版块，三维版块中数据分析结束后进入二维版块中生成数据报表，一键生成钢构件底部、顶部的螺栓孔偏差数据报告，如图5所示。

图5 模块螺栓孔图形报告

4 数字化模拟预拼装

4.1 模拟预拼

模拟拼装预期效果及目标是通过数据的电脑模拟预拼替代现场实物预拼同样可满足建造精度；对所有制作好的单一构件进行虚拟拼装，以检验单一构件的尺寸偏差及对接构件的累积偏差。

此项目对接面共有两个：一个是底部模块底层地脚螺栓与安装现场支墩螺栓连接，另一个是底部模块顶部螺栓与顶部模块对接。

利用电脑预拼装软件读取对接单构件分析完成的数据文件，将底层模块构件作为基准分段，安装现场的支墩地脚螺栓数据由于提前预制安装完成，可以将其理论数据当成实测数据，顶层模块构件的实测值与底层模块构件的实测值进行拼装匹配，顶层模块构件通过分析调整，已达到整体螺栓孔的最优匹配。分析过程如图6所示。

图6 模拟预拼装过程分析

4.2 现场修正

对接模块完成模拟预拼装后，出具如图7所示的对接面图形报告，工程师根据螺栓孔匹配结果，给出解决方案。

图7 模块对接面图形报告

结合设计、安装要求，在保证安装结构强度的前提下，对于超差无法对接的问题，采用底层模块顶部单张面板上的对接螺栓孔扩孔处理方案，保证螺栓孔完成对接；对接超差且不允许扩孔的对接面板现场安装时采用焊接方式连接；底层模块构件地脚螺栓对接时根据偏差报告对螺栓孔进行扩孔修正，而不允许扩孔处理时则修改安装现场支墩的地脚螺栓坐标位置，以满足现场的顺利安装。

5 结 语

本项目使用高精度全站仪进行栓接钢结构精度控制，不仅快速高效地完成了检测工作，而且大大提升了精度等级，使钢构件质量得到保障。利用分析处理软件对栓接钢构件进行数字化模拟预拼，保证了安装现场工作的顺利进行，缩短了整个项目的运行周期，节省了大量的人力、物力。