北京環(huán)球影城主題公園項(xiàng)目精密施工測量技術(shù)研究與實(shí)施

張勝良 焦俊娟 陸靜文 黃曙亮

(北京中建華海測繪科技有限公司, 北京 100102)

0 引言

北京環(huán)球影城主題公園項(xiàng)目結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜,異型部位多,測量放線工作難度大、任務(wù)量大,而且工期緊張,如何在保障測量精度、施工質(zhì)量及施工進(jìn)度的前提下,合理安排測量工作,是工程難點(diǎn)之一。

主題公園有很多巨型桁架、不規(guī)則彎管或者更加復(fù)雜的異形鋼構(gòu)件,在鋼構(gòu)件吊裝前利用三維激光掃描技術(shù)把異形鋼構(gòu)件分別進(jìn)行掃描,然后在計(jì)算機(jī)里進(jìn)行點(diǎn)云處理、構(gòu)件逆向建模、構(gòu)件誤差校核、數(shù)字化模擬預(yù)拼裝檢測等,預(yù)拼裝通過后,再把鋼構(gòu)件在現(xiàn)場進(jìn)行真正的拼裝與安裝。

為更直觀精準(zhǔn)反映出異形結(jié)構(gòu)的狀態(tài),安裝過程中聯(lián)合建筑信息建模(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)+智能測量設(shè)備,順利解決了設(shè)備安裝精度高、設(shè)備種類繁雜等難題。

1 工程概況

北京環(huán)球度假區(qū)將成為亞洲規(guī)模最大的環(huán)球主題公園,涵蓋“哈利·波特魔法世界”(霍格沃茨與對角巷等場景)、“好萊塢專區(qū)”“變形金剛”“功夫熊貓”“水世界”“神偷奶爸”“侏羅紀(jì)公園”等七大園區(qū)。

功夫熊貓場館主要由Show Box和Ride Box兩個(gè)單體構(gòu)成。Show Box建筑高度為22.5 m, Ride Box建筑高度16.6 m。兩個(gè)單體均無地下室,Show Box主體地上1層,南側(cè)和西側(cè)有局部矮屋面;Ride Box主體地上1層,內(nèi)部局部沒有夾層,西側(cè)和東側(cè)有局部矮屋,內(nèi)部有主題建筑等獨(dú)立的小單體以及騎乘、表演等設(shè)施。Show Box主要柱網(wǎng)跨度為80 m,地上部分最大結(jié)構(gòu)長度為184 m,最大寬度為90 m。采用鋼框架+支撐結(jié)構(gòu)體系。Ride Box主要柱網(wǎng)跨度為30 m,地上部分最大結(jié)構(gòu)長度為190 m,最大跨度為87 m。其中騎乘水道為亞洲最長自防水清水混凝土結(jié)構(gòu)。

2 控制測量

施工測量遵循“先整體后局部、先高級(jí)后低級(jí)、先控制后細(xì)部”的原則展開,結(jié)合現(xiàn)場情況,將控制網(wǎng)分兩級(jí)測設(shè),首先校核業(yè)主提供的基準(zhǔn)點(diǎn),校核無誤后在建筑場地外圍設(shè)置Ⅰ級(jí)控制網(wǎng)。在Ⅰ級(jí)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立Ⅱ級(jí)建筑物平面控制網(wǎng)[1-3],形成完整統(tǒng)一的測控體系,保證各單體之間平面定位和標(biāo)高的銜接(圖1)。

圖1 施工測量控制框架及步驟示意圖

2.1 Ⅰ級(jí)控制網(wǎng)建立

進(jìn)場后在業(yè)主主持下會(huì)同監(jiān)理等單位進(jìn)行高級(jí)基準(zhǔn)點(diǎn)現(xiàn)場移交,辦理移交手續(xù)后并對點(diǎn)位進(jìn)行復(fù)測校核,發(fā)現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)提交建設(shè)監(jiān)理及上級(jí)測繪部門解決。校核內(nèi)容包括點(diǎn)位的高程、邊長、方位角、坐標(biāo)及非樁點(diǎn)定位依據(jù)的幾何關(guān)系。

Ⅰ級(jí)控制網(wǎng)采用高精度全站儀測設(shè)一級(jí)導(dǎo)線,進(jìn)行嚴(yán)密平差對觀測結(jié)果進(jìn)行校核[4],將校核結(jié)果作為場區(qū)的Ⅰ級(jí)平面控制網(wǎng)。

高程控制網(wǎng)的建立是根據(jù)業(yè)主提供的水準(zhǔn)基點(diǎn),采用水準(zhǔn)儀對所提供的水準(zhǔn)基點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測檢查,校測結(jié)果合格后,向場區(qū)內(nèi)測設(shè)一條附合水準(zhǔn)路線,將平差計(jì)算后的結(jié)果,作為場區(qū)高程控制點(diǎn)。

2.2 Ⅱ級(jí)建筑物控制網(wǎng)建立

以場區(qū)控制網(wǎng)為基準(zhǔn),根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)形狀及現(xiàn)場具體情況擬布設(shè)以圓心為中心,半徑為方向的十字交叉形控制網(wǎng)[5-6],控制點(diǎn)設(shè)置在基坑邊緣附近。采用全站儀極坐標(biāo)法測設(shè)軸線控制網(wǎng),經(jīng)校測符合點(diǎn)位限差要求后,作為該建筑的軸線控制網(wǎng)。

曲線控制利用全站儀內(nèi)置基線定位功能,在軸線CLX/CLY上設(shè)置控制點(diǎn)用弦線控制(圖2)。利用半徑控制線和圓弧控制線通過量距轉(zhuǎn)角做切線放樣十字控制線。

圖2 曲線控制點(diǎn)布設(shè)示意圖

3 細(xì)部施工軸線放樣

結(jié)構(gòu)施工軸線放樣采用“外控法”,將全站儀架設(shè)在軸線控制樁上,經(jīng)對中、整平后,后視同一方向樁(或軸線標(biāo)志點(diǎn)),以方向線交會(huì)法將所需的軸線投測到施工的平面層施工段上、在同一施工段上投測的縱、橫線各不得少于二條,且要組成閉合圖形,以此作角度、距離的校核(圖3)。

圖3 控制軸線上的點(diǎn)位放樣示意圖

圓心轉(zhuǎn)角放樣半徑,在半徑與圓弧控制線上量距放樣點(diǎn)位,并做切線放樣十字控制線(圖4～5)。

圖4 圓心可以轉(zhuǎn)角的情況下放樣示意圖

圖5 利用相鄰半徑放樣示意圖

小單體定位點(diǎn)均與CLX、CLY軸有位置關(guān)系,依據(jù)建筑物主控軸線在合適位置加密軸線控制點(diǎn)(例如在X軸上),根據(jù)相對關(guān)系(坐標(biāo)),采用極坐標(biāo)、直角坐標(biāo)定位放樣的方法放出單體建筑的主控點(diǎn),再根據(jù)其他角度距離關(guān)系放樣其他各點(diǎn)(圖6)。

圖6 小單體放樣示意圖

定位完成后,利用在Y軸上加密的控制點(diǎn)對單體建筑定位點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核。還應(yīng)利用鋼尺或全站儀復(fù)核定位角點(diǎn)與周邊主要建筑的尺寸關(guān)系,保證定位成果的準(zhǔn)確性。

4 三維模擬預(yù)拼裝測量

鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中首先進(jìn)行數(shù)據(jù)建模[7-8],更加直觀精準(zhǔn)反映出異型結(jié)構(gòu)的狀態(tài),指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)廠家精準(zhǔn)地加工各個(gè)結(jié)構(gòu)部件,安裝過程中可以通過專業(yè)軟件使用精準(zhǔn)的BIM信息,在施工現(xiàn)場使用電子藍(lán)圖,大大提高現(xiàn)場安裝施工進(jìn)度,避免施工中出錯(cuò)以至施工進(jìn)度延遲,通過智能全站儀進(jìn)行現(xiàn)場測量工作[9]。

4.1 控制測量

采用高精度全站儀和精密水準(zhǔn)儀建立平面和高程控制網(wǎng),控制范圍內(nèi)各構(gòu)件(單元)的拼接精度一般控制在2～3 mm，滿足安裝精度要求。

4.2 預(yù)留、預(yù)埋構(gòu)件復(fù)測

預(yù)留、預(yù)埋構(gòu)件現(xiàn)狀復(fù)測(例如預(yù)埋螺栓的間距、位置)是否滿足要求,并繪制實(shí)測位置圖及偏差數(shù)據(jù)表,指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工。

4.3 出廠前、進(jìn)場后預(yù)拼裝

恢復(fù)控制網(wǎng)并按照實(shí)測數(shù)據(jù)放樣預(yù)留預(yù)埋構(gòu)件位置。

測量各構(gòu)件的尺寸(截面、孔洞尺寸),各項(xiàng)要求滿足后方可進(jìn)場,避免構(gòu)件不合格進(jìn)場后造成運(yùn)輸成本等。

實(shí)體預(yù)拼裝,發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸過程中變形影響。

4.4 安裝過程測量

通過高精度全站儀等測量儀器實(shí)時(shí)跟蹤測量指導(dǎo)現(xiàn)場安裝就位。

4.5 施工安全監(jiān)測

主要是卸載過程中或卸載完成一段時(shí)間內(nèi)的監(jiān)測(空間位置及內(nèi)力),通過測量機(jī)器人及各種傳感器測量。

4.6 驗(yàn)收測量

通過三維激光掃描儀獲取模型,指導(dǎo)下一步機(jī)電、裝飾、燈飾等各專業(yè)安裝、連接、加工、設(shè)計(jì)等工作。

由于傳統(tǒng)的全站儀測量方法獲取的是單點(diǎn)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)獲取量有限,不能完全真實(shí)地反映出整個(gè)樓體的變形情況,使用地面三維激光掃描儀掃描樓體,每秒能夠獲得高達(dá)30萬的三維空間點(diǎn)數(shù)據(jù),在100 m內(nèi)其單點(diǎn)精度能保證在3 mm內(nèi)。通過數(shù)據(jù)比較,清晰直觀地得出樓體每個(gè)立面的變形情況和形變量分布圖,對施工具有重要的指導(dǎo)意義。

5 鋼桁架提升實(shí)施監(jiān)控測量

鋼屋面采用地面拼裝、雙桁架及中間縱向支撐結(jié)構(gòu)為一組桁架拼裝單元,由于屋面桁架超長、超重,在提升過程中極易受到外界環(huán)境的影響,安裝時(shí),要對桁架的平面位置、標(biāo)高以及撓度進(jìn)行跟蹤測量,使其位置達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求才能進(jìn)行螺栓安裝和焊接工作。如此大體量構(gòu)件必須一次性整體提升成功,在提升過程中巨型桁架是否達(dá)到預(yù)定位置,平面、高程、撓度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,均需要測量掌握。采用自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)實(shí)施跟蹤測量,及時(shí)獲取觀測數(shù)值,調(diào)整提升參數(shù),指導(dǎo)現(xiàn)場提升施工,并準(zhǔn)確獲取提升到設(shè)計(jì)位置的時(shí)機(jī),指導(dǎo)桁架最終固定安裝。

5.1 超長、超重屋面桁架結(jié)構(gòu)分析

Ride Box主要柱網(wǎng)跨度為80 m,地上部分最大結(jié)構(gòu)長度為184 m,最大寬度為90 m,桁架吊裝采取超重桁架雙機(jī)抬吊整體安裝工藝,Show Box區(qū)12.5軸的中桁架TRUSS-2由5段組拼為整榀桁架，重量約31.1 t,12軸的框架桁架TRUSS-1由5段組拼為整榀桁架，重量約50.90 t,兩榀桁架間的十三榀縱向支撐的重量約21.77 t,臨時(shí)拉梁約1.05 t,桁架拼裝單元總重量約為104.82 t，如圖7～8所示。

圖7 Show Box桁架拼裝單元

圖8 桁架提升立面圖

5.2 提升測量

采用高精度測量機(jī)器人[10],精確測定高空牛腿的位置,并使用水準(zhǔn)儀測定兩側(cè)牛腿標(biāo)高,為提升對接做準(zhǔn)備。

地面拼裝前根據(jù)已知角部四個(gè)圓心點(diǎn)進(jìn)行地面軸線的放線定位,利用全站儀將桁架的軸線定位點(diǎn)投射到底板上。軸線彈設(shè)完成后對軸線進(jìn)行校核,在四個(gè)已知的圓點(diǎn)上任選一個(gè)作為校核軸線的基準(zhǔn)點(diǎn),測站點(diǎn)與后視方作為長距方向,按照以長定短的原則。用盤左、盤右轉(zhuǎn)角測量對角線的角度及距離是否與理論值相符，確保桁架拼裝正確，同時(shí)控制桁架標(biāo)高。

桁架安裝時(shí)采用測量機(jī)器人+貼片進(jìn)行監(jiān)控,將儀器設(shè)在控制點(diǎn)上,觀測桁架觀測點(diǎn)(反射鏡片),所測數(shù)據(jù)與控制點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)值進(jìn)行對比得出偏差,偏差超出規(guī)范設(shè)計(jì)要求,則用倒鏈、千斤頂?shù)裙ぞ邔﹁旒苓M(jìn)行校正,直至偏差符合要求。然后用同種的方法對桁架另一端進(jìn)行校正,各控制點(diǎn)校正完成后由電焊工對接口進(jìn)行點(diǎn)焊加固。加固好后再次對桁架進(jìn)行一次全面檢測,如偏差符合規(guī)范要求可進(jìn)行下一步施工。桁架整體安裝校正完成，對桁架進(jìn)行一次全面的復(fù)核后開始焊接。

提升過程中,采用精密水準(zhǔn)控制桁架提升高度及撓度變形,采用自動(dòng)全站儀監(jiān)測水平位置變化。

同時(shí)在關(guān)鍵點(diǎn)安裝應(yīng)力計(jì),對結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行監(jiān)測。將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至提升指揮部,調(diào)整提升參數(shù),指導(dǎo)提升。

6 空間復(fù)雜曲線施工測量放樣

參考施工現(xiàn)場布置圖,選取合適的位置建立水道結(jié)構(gòu)坐標(biāo)控制點(diǎn),設(shè)置強(qiáng)制對中裝置。

BIM放樣操作步驟:

(1)通過WiFi或藍(lán)牙將安裝有BIM 360 Layout的iPad與測量機(jī)器人連接。

(2)通過設(shè)計(jì)好的BIM模型,類似傳統(tǒng)全站儀設(shè)站原理,在模型中選擇控制點(diǎn)完成設(shè)站。

(3)設(shè)站完成后,從列表或模型中選擇需要放樣的點(diǎn),根據(jù)軟件中顯示的位置偏移量,完成精確放樣找點(diǎn)工作。也可以通過免棱鏡及激光指向功能,指示放樣點(diǎn)位位置。

(4)棱鏡的位置可相應(yīng)地在軟件中實(shí)時(shí)刷新并進(jìn)行棱鏡所處位置的坐標(biāo)測量,測量結(jié)果可以保存在點(diǎn)列表中。也可通過攝像頭獲取的圖像選取測量點(diǎn)位。并以報(bào)表的形式輸出。

測量機(jī)器人自動(dòng)化程度高,能夠降低人工操作出現(xiàn)差錯(cuò)的概率,測量成果比較客觀,可將復(fù)測數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)模型中快速呈現(xiàn),便于分析實(shí)體與設(shè)計(jì)的偏差。

7 結(jié)束語

在項(xiàng)目實(shí)施過程中,經(jīng)過測量人員精心組織協(xié)調(diào),大膽技術(shù)革新,采用新技術(shù)、新方法提高了測量成果的精度,采用三維模擬預(yù)拼裝測量、鋼桁架提升實(shí)施監(jiān)控測量技術(shù),提升了項(xiàng)目的自動(dòng)化程度,為其他工程提供了成功范例。