基于大跨度雙坡梯形鋼屋架整體吊裝施工技術(shù)★

楊大勇，馬 超，吳金池

(湖北工建集團(tuán)第三建筑工程有限公司,湖北 武漢 430000)

近年來,我國鋼結(jié)構(gòu)在大跨度單層工業(yè)廠房中的應(yīng)用受到了世界各國的矚目,在今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi),我國大跨度鋼結(jié)構(gòu)單層工業(yè)廠房將持續(xù)保持著快速增長的趨勢。在單層工業(yè)廠房中,我們通常把屋蓋結(jié)構(gòu)中的橫向桁架式構(gòu)件稱為屋架。單層工業(yè)廠房普通鋼屋架的外形通常有三角形、梯形、人字形,而屋架的坡向可分為單坡與雙坡。對于跨度不小于42 m的大跨度屋架,通常采用雙坡梯形鋼屋架[1]。

隨著施工技術(shù)的發(fā)展,越來越多的大跨度雙坡梯形鋼屋架開始采用吊裝安裝的施工方法,包括分段吊裝[2-4]和整體吊裝[5-7]等。其中分段吊裝一般是先將大跨度雙坡梯形鋼屋架分段制作后運(yùn)至現(xiàn)場,起吊前在現(xiàn)場搭設(shè)滿堂腳手架,再采用單臺(tái)吊車將分段的鋼屋架吊裝至高空后由工人在高空腳手架上將分段鋼屋架拼裝為整體。而整體吊裝一般是先在現(xiàn)場地面上將分段制作的大跨度雙坡梯形鋼屋架拼裝為整體,起吊前根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在鋼屋架上選取多臺(tái)吊車的吊點(diǎn),再采用多臺(tái)吊車將鋼屋架整體吊裝,在起吊過程中通過人工目測鋼屋架的空中姿態(tài),同時(shí)由人工指揮多臺(tái)吊車司機(jī)進(jìn)而控制多臺(tái)吊車的起吊速度及同步性[8-11]。

然而,現(xiàn)有大跨度雙坡梯形鋼屋架吊裝施工方法存在以下缺陷:1)對于分段吊裝,一方面由于需要搭設(shè)滿堂腳手架,這將大大增加施工工作量,延長施工工期并增加成本,另一方面需要施工人員在高空腳手架上完成拼裝,這將增加施工人員高空作業(yè)的工作量,從而增大施工人員的安全風(fēng)險(xiǎn);2)對于整體吊裝,一方面是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取多臺(tái)吊車的吊點(diǎn),吊點(diǎn)的選取未經(jīng)過技術(shù)人員計(jì)算,存在吊點(diǎn)設(shè)置不合理進(jìn)而導(dǎo)致鋼屋架在起吊過程中發(fā)生變形或傾覆等安全風(fēng)險(xiǎn),另一方面是通過人工目測鋼屋架的空中姿態(tài),無法及時(shí)準(zhǔn)確判斷鋼屋架的空中姿態(tài),無法及時(shí)識別多臺(tái)吊車整體吊裝中的協(xié)調(diào)性異常,進(jìn)而無法及時(shí)提出預(yù)警[12-15]。

為解決上述問題,以隨州新能源項(xiàng)目的石墨化車間為例,介紹通過優(yōu)化設(shè)計(jì)吊點(diǎn)的位置,采用雙目識別技術(shù)監(jiān)測鋼屋架兩臺(tái)吊車整體吊裝中的協(xié)同異常并及時(shí)提出預(yù)警,有效控制兩臺(tái)吊車整體吊裝的同步性,可以達(dá)到使鋼屋架整體吊裝過程施工便捷、節(jié)約工期、降低成本、安全可靠的目的,為大跨度雙坡梯形鋼屋架整體吊裝提供了一些施工經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

隨州新能源項(xiàng)目是隨州高新區(qū)加速搶占新能源材料行業(yè)制高點(diǎn)的招商引資重點(diǎn)項(xiàng)目,總投資約30億元,該項(xiàng)目采用行業(yè)領(lǐng)先生產(chǎn)工藝,主要從事鋰電池負(fù)極材料生產(chǎn)。該項(xiàng)目位于湖北省隨州市曾都區(qū)淅河鎮(zhèn)余家畈白云大道以西,隨城山大道以南。該項(xiàng)目包括石墨化車間、高溫碳化車間、低溫碳化車間、前驅(qū)體車間等多個(gè)大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房,項(xiàng)目鳥瞰圖見圖1。其中石墨化車間為單層兩跨的大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房,建筑面積約20 000 m2,平面軸網(wǎng)尺寸為73 m×261 m,主廠房為排架結(jié)構(gòu)(跨度52 m、高度33.1 m、柱距9 m、雙層吊車),附跨廠房為門式剛架(跨度21m、高度15.82 m、柱距9 m、單層吊車),屋蓋系統(tǒng)為大跨度雙坡梯形鋼屋架。大跨度雙坡梯形鋼屋架包括左端鋼屋架、中間鋼屋架、右端鋼屋架、連接腹桿,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2—圖5(圖2—圖5中:1—左端鋼屋架,11—左端上弦,12—左端下弦,13—左端腹桿,14—左端節(jié)點(diǎn)板,15—左端底座,16—左端上弦端板,17—左端下弦端板,2—中間鋼屋架,21—中間上弦,22—中間下弦,23—中間腹桿,24—中間節(jié)點(diǎn)板,25—中間上弦拼接板,26—中間下弦拼接板,3—右端鋼屋架,31—右端上弦,32—右端下弦,33—右端腹桿,34—右端節(jié)點(diǎn)板,35—右端底座,36—右端上弦端板,37—右端下弦端板,4—連接腹桿,5—靶標(biāo),6—鋼柱,61—鋼柱底座,62—鋼柱上弦連接翼緣,63—鋼柱下弦連接翼緣,7—鋼絲繩,8—吊鉤。

2 新技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)

本項(xiàng)目施工面積大、工期緊、鋼屋架整體吊裝技術(shù)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高。針對現(xiàn)有技術(shù)中鋼屋架吊裝施工工作量大、安全隱患大的問題,本項(xiàng)目提出了一種基于雙目視覺的大跨度雙坡梯形鋼屋架整體吊裝的新技術(shù)。

2.1 雙目視覺基本原理

動(dòng)物雙眼獲取的信息通過神經(jīng)傳輸至大腦,通過分析物體在兩眼眼底成像位置的不同,視神經(jīng)系統(tǒng)便可以還原出準(zhǔn)確的空間信息,判斷自身位置,完成復(fù)雜的動(dòng)作。同一物體在兩眼眼底中呈現(xiàn)的位置差異就是視差,視差就包含了畫面的深度信息[16-19]。

在理想的簡化條件下,雙目視覺中深度的計(jì)算原理見圖6。兩臺(tái)相同型號的相機(jī)平行布置,相機(jī)的光軸互相平行。左相機(jī)光心OL與右相機(jī)光心OR的水平距離b為基準(zhǔn)長度,點(diǎn)P為空間中的任意一點(diǎn),點(diǎn)P在左右相機(jī)上的成像,像點(diǎn)分別是PL,PR。根據(jù)三角原理,存在以下關(guān)系:

即可推導(dǎo)出P與相機(jī)的深度距離:

其中,d為視差;f為相機(jī)的焦距;b為基線長度。

以求解目標(biāo)深度為基礎(chǔ),再利用相機(jī)獨(dú)立的空間投影關(guān)系,可以完整地重建物理的空間信息。

2.2 大跨度雙坡鋼屋架特點(diǎn)

大跨度雙坡梯形鋼屋架包括左端鋼屋架1個(gè)、中間鋼屋架1個(gè)、右端鋼屋架1個(gè)、連接腹桿2個(gè)等,它們各自的特點(diǎn)詳見以下介紹。

2.2.1 左端鋼屋架

左端鋼屋架包括左端上弦、左端下弦、左端腹桿、左端節(jié)點(diǎn)板、左端底座、左端上弦端板、左端下弦端板,先按圖紙要求在左端上弦、左端下弦上焊接若干左端節(jié)點(diǎn)板,再將若干左端腹桿依次焊接在左端節(jié)點(diǎn)板上,接著依次將左端底座、左端上弦端板安裝在左端上弦左端,最后將左端下弦端板安裝在左端下弦左側(cè)。

2.2.2 中間鋼屋架

中間鋼屋架包括中間上弦、中間下弦、中間腹桿、中間節(jié)點(diǎn)板、中間上弦拼接板、中間下弦拼接板,先按圖紙要求在中間上弦、中間下弦上焊接若干中間節(jié)點(diǎn)板,再將若干中間腹桿依次焊接在中間節(jié)點(diǎn)板上,接著將中間上弦拼接板安裝在中間上弦兩端,最后將中間下弦拼接板安裝在中間下弦兩側(cè)。

2.2.3 右端鋼屋架

右端鋼屋架包括右端上弦、右端下弦、右端腹桿、右端節(jié)點(diǎn)板、右端底座、右端上弦端板、右端下弦端板,先按圖紙要求在右端上弦、右端下弦上焊接若干右端節(jié)點(diǎn)板,再將若干右端腹桿依次焊接在右端節(jié)點(diǎn)板上,接著依次將右端底座、右端上弦端板安裝在右端上弦左端,最后將右端下弦端板安裝在右端下弦右側(cè)。

2.2.4 連接腹桿

連接腹桿用于連接左端鋼屋架與中間鋼屋架、右端鋼屋架與中間鋼屋架,其中左端上弦、左端下弦、左端腹桿、中間上弦、中間下弦、中間腹桿、右端上弦、右端下弦、右端腹桿、連接腹桿均由鋼材制作,其截面形式可為矩形管、圓管、工字鋼、槽鋼、角鋼等。

3 新技術(shù)的工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 工藝流程

構(gòu)件加工制作及運(yùn)至現(xiàn)場→鋼屋架現(xiàn)場地面拼裝→采用雙目識別技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測兩臺(tái)吊車整體吊裝同步性→鋼屋架臨時(shí)固定→鋼屋架永久固定。

3.2 操作要點(diǎn)

1)構(gòu)件加工制造及運(yùn)至現(xiàn)場。

按圖紙要求在工廠依次加工制作左端鋼屋架、中間鋼屋架、右端鋼屋架、連接腹桿并運(yùn)至施工現(xiàn)場。

2)鋼屋架現(xiàn)場地面拼裝。

a.拼裝前在施工現(xiàn)場制作一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)拼裝胎架平臺(tái),用水準(zhǔn)儀控制胎架平臺(tái)頂面標(biāo)高一致。

b.將左端鋼屋架、中間鋼屋架、右端鋼屋架平臥放置于胎架平臺(tái)上,調(diào)整三者之間的位置,依次使左端上弦右側(cè)螺栓孔與中間上弦拼接板左側(cè)螺栓孔對齊、左端下弦右側(cè)螺栓孔與中間下弦拼接板左側(cè)螺栓孔對齊、右端上弦左側(cè)螺栓孔與中間上弦拼接板右側(cè)螺栓孔對齊、右端下弦左側(cè)螺栓孔與中間下弦拼接板右側(cè)螺栓孔對齊,采用高強(qiáng)螺栓將三者連接。

c.依次將兩根連接腹桿平臥放置于胎架平臺(tái)上,分別將其兩端與對應(yīng)左端節(jié)點(diǎn)板、中間節(jié)點(diǎn)板、右端節(jié)點(diǎn)板焊接,使左端鋼屋架、中間鋼屋架、右端鋼屋架、連接腹桿形成一個(gè)穩(wěn)定可靠的大跨度雙坡梯形鋼屋架。

d.在大跨度雙坡梯形鋼屋架的下弦沿長度方向的0,1/4,1/2,3/4,1處依次布設(shè)靶標(biāo),在施工現(xiàn)場合適位置布設(shè)兩個(gè)工業(yè)相機(jī),使每個(gè)工業(yè)相機(jī)能拍攝鋼屋架起吊整個(gè)過程。

3)采用雙目識別技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測兩臺(tái)吊車整體吊裝同步性。

a.吊裝前分別對兩臺(tái)吊車在鋼屋架上的吊點(diǎn)A與吊點(diǎn)D、吊點(diǎn)B與吊點(diǎn)E、吊點(diǎn)C與吊點(diǎn)F、吊點(diǎn)A與吊點(diǎn)C、吊點(diǎn)B與吊點(diǎn)D、吊點(diǎn)C與吊點(diǎn)E、吊點(diǎn)B與吊點(diǎn)C、吊點(diǎn)C與吊點(diǎn)D、吊點(diǎn)D與吊點(diǎn)E等多種吊點(diǎn)組合設(shè)置方案進(jìn)行計(jì)算,確定最優(yōu)吊點(diǎn)組合設(shè)置方案,其中吊點(diǎn)A,B,C,D,E,F應(yīng)布設(shè)于左端上弦、中間上弦、右端上弦與左端腹桿、中間腹桿、右端腹桿、連接腹桿的交叉位置。

b.將兩臺(tái)吊車鋼絲繩對準(zhǔn)上面已確定的四個(gè)最優(yōu)吊點(diǎn)后同步起吊鋼屋架至將其抬離胎架平臺(tái),同時(shí)將鋼屋架扶直后再同步起升鋼屋架至離地面1 m后,停止起升,靜置10 min,在此過程中采用已布設(shè)的兩個(gè)工業(yè)相機(jī)對上面布設(shè)靶標(biāo)進(jìn)行圖像采集,利用視差進(jìn)行空間計(jì)算和轉(zhuǎn)換,從而得到鋼屋架上的靶標(biāo)的空間信息,及時(shí)識別判斷鋼屋架整體吊裝中的同步性差異并向吊車司機(jī)提出預(yù)警。

c.如無異常,同步降落鋼屋架至離地面0.5 m后,再次同步起升鋼屋架至離地面1 m后,再次停止起升,靜置10 min,在此過程中同上采用已布設(shè)的兩個(gè)工業(yè)相機(jī)監(jiān)測鋼屋架整體吊裝中的同步性差異并及時(shí)向吊車司機(jī)提出預(yù)警。

d.如無異常,再次同步起升鋼屋架至左端底座和右端底座超過鋼柱底座0.5 m時(shí)停住,再用纜風(fēng)繩微調(diào)旋轉(zhuǎn)鋼屋架使左端底座和右端底座對準(zhǔn)鋼柱底座后同步降落就位,在此過程中同上采用已布設(shè)的兩個(gè)工業(yè)相機(jī)監(jiān)測鋼屋架整體吊裝中的同步性差異并及時(shí)向吊車司機(jī)提出預(yù)警。

4)鋼屋架臨時(shí)固定。

待鋼屋架的左端底座和右端底座接觸鋼柱底座時(shí)同步停止降落,使用吊車配合撬棍和千斤頂?shù)裙ぞ邔︿撐菁艿臉?biāo)高、軸線、垂直度進(jìn)行校正后將左端底座和右端底座與鋼柱底座采用臨時(shí)螺栓固定,將左端上弦端板和右端上弦端板與鋼柱上弦連接翼緣、左端下弦端板和右端下弦端板與鋼柱下弦連接翼緣均采用點(diǎn)焊固定,同時(shí)松掉兩臺(tái)吊車的吊鉤。

5)鋼屋架永久固定。

安排專業(yè)焊工對鋼屋架與鋼柱連接處的點(diǎn)焊焊縫進(jìn)行正式施焊,采用高強(qiáng)螺栓逐一替代臨時(shí)螺栓固定,即完成大跨度雙坡梯形鋼屋架的安裝。

4 結(jié)語

本技術(shù)提供的一種大跨度雙坡梯形鋼屋架整體吊裝的施工方法,它通過優(yōu)化設(shè)計(jì)吊點(diǎn)的位置,采用雙目識別技術(shù)確定鋼屋架整體吊裝中的空間姿態(tài),及時(shí)識別判斷鋼屋架整體吊裝中的協(xié)同異常并及時(shí)提出預(yù)警,有效控制兩臺(tái)吊車整體吊裝的同步性,可以達(dá)到使鋼屋架整體吊裝過程施工便捷、節(jié)約工期、降低成本、安全可靠的目的。

首先,本技術(shù)通過對大跨度雙坡梯形鋼屋架上吊點(diǎn)A,B,C,D,E,F組成的多種吊點(diǎn)組合設(shè)置方案,由技術(shù)人員根據(jù)兩臺(tái)吊車在起吊過程中因鋼屋架自重產(chǎn)生的內(nèi)力或變形最小的原則經(jīng)計(jì)算確定最優(yōu)吊點(diǎn)組合設(shè)置方案,大大降低了因吊點(diǎn)設(shè)置不合理進(jìn)而導(dǎo)致鋼屋架在起吊過程中發(fā)生變形或傾覆等安全風(fēng)險(xiǎn),增加了鋼屋架整體吊裝過程的安全可靠度。

其次,本技術(shù)通過雙目識別技術(shù),在施工現(xiàn)場合適位置布設(shè)兩個(gè)工業(yè)相機(jī)對大跨度雙坡梯形鋼屋架上布設(shè)的靶標(biāo)進(jìn)行圖像采集,利用視差進(jìn)行空間計(jì)算和轉(zhuǎn)換,從而得到鋼屋架上的靶標(biāo)的空間信息,及時(shí)識別判斷鋼屋架整體吊裝中的同步性差異并及時(shí)向吊車司機(jī)提出預(yù)警,該技術(shù)能及時(shí)識別兩臺(tái)吊車的同步性差異并及時(shí)提出預(yù)警,可以達(dá)到使鋼屋架整體吊裝過程施工便捷、安全可靠的目的。

最后,本技術(shù)通過在現(xiàn)場地面對大跨度雙坡梯形鋼屋架進(jìn)行拼裝后再采用兩臺(tái)吊車整體吊裝,大大減少了施工人員在高空作業(yè)的工作量,且不需要再在現(xiàn)場搭設(shè)滿堂腳手架,這既可以節(jié)約工期、降低成本,又可以降低施工人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。