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技术分享|关于装配式建筑模拟预拼装技术研究与开发 2020-12-01

摘 要

装配式建筑对构件提出了更高的精度要求,通过对装配式构件装配特征的研究,提出了测控元素的概念和方法,以解决实际应用中对点、线、面的测控需求;并针对各测控元素,采用改进的正交普氏分析、基于稳健特征值法的空间直线及空间平面拟合分析等方法进行误差分析。研制了相应的计算机模拟预拼装软件,并通过实例验证了方法的可靠性和实用性。

建筑结构预拼装技术主要用于钢结构建筑领域,以保证现场安装精度要求,避免返工、节约成本、缩短工期。随着国家对绿色建筑、绿色施工等建筑产业转型发展的要求,装配式建筑技术得到极大发展,相应的技术标准基本建立,进一步推动了装配式建筑技术对设计、建造、安装、运维等各环节的技术发展。目前国内大多数装配式构件加工企业,甚至包括钢构件加工企业,在构件出厂精度控制方面,仍普遍采用传统手工方法来检验构件是否符合设计要求,主要方法是建造胎架、吊装构件、手工测量。装配式构件就更加复杂,除了单个构件要满足要求,装配式构件由于组合了建筑、结构、电气等各专业构件,不再局限于单纯结构专业,对装配精度要求更高,以往精度控制的方法有待改进。本文通过研究装配式构件的装配特征,提出相应的测量方法,并通过开发计算机模拟预拼装软件,较好解决了这个问题。

1、装配式构件预拼装现状

目前对装配式构件的精度控制方面,没有单独的技术规范,具体的细节分散在不同的规范中,譬如钢结构工程,就要根据GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》[1]规定的允许偏差,并根据具体工程实际,对误差范围自行设定。实际操作中,仍然采用控制点的方法,没有考虑装配式构件的装配特征。

装配式构件预拼装,需要对单构件制作精度检测合格后进行装配式构件组装,然后进行检测。装配式构件的检测比单构件要求更加复杂、严密,因为除对节点处测试,还要对影响构件组装的点、线、面等进行测量,以保证最终的施工质量。

2、建筑结构模拟预拼装应用现状

计算机模拟预拼装技术目前主要用于船舶制造、桥梁、钢结构加工制作等领域,实际工程经验表明,利用计算机进行钢结构模拟预拼装,可以有效地提高预拼装效率、节省预拼装费用。国内钢结构领域,对于超大型构件中构件制作精度、接口尺寸要求高的项目,如上海中心大厦、中国尊、深圳平安大厦等超高层项目,就是采用数字模拟预拼装方法,大大提高了检测的精度和效率。

目前国内外相关的软件,主要采用包括全站仪、三维扫描、照相等测量技术,但都需要人工设定控制点。国内自主开发的钢结构计算机模拟预拼装软件,通过对Tekla技术的开发,自动提取测控点进行相关分析,取得了初步成效。

但是在装配式建筑技术方面,国内外还没有这方面的应用。相关文献对钢结构模拟预拼装技术做了初步研究和应用,并取得了很好的效果,本文主要在此基础上,进行相关文献中相应技术在装配式建筑领域的应用研究。

3、构件装配式特征研究

装配式构件在大多数情况下,需要直接和其他构件在现场装配,所需要的安装控制点、控制线、控制面等必须达到更高的要求,以减少现场安装中需要的修正措施。

装配式构件具有以下3个特征:1)点对齐。相邻构件在主要控制点处需要对齐,构件之间节点处的连接需要控制点具有一定的精度;2)线对齐。相邻构件在接缝处需要对齐;3)面对齐。相邻构件在构件表面的接合需要一定的平整度,如外墙与保温层、装饰构件等。由于装配式构件体量远大于单个构件,在出厂前就需要对上述精度严格把控。

4、装配式建筑构件的测控元素及误差分析

不同于钢结构模拟预拼装技术中基本只依靠测控点就可以解决大部分安装问题,装配式构件根据其具有的3个特征,需要更高的检测要求,包含测控点、测控线、测控面等,本文统一定义为测控元素,如图1所示。其中测控线、测控面的检测应遵循国家相关规范要求。

4.1 测控点及误差分析

测控点的提取与检测方法,采用软件自动提取和人工设定相结合,总的原则是基于构件在现场能够正确安装,并得到要求的安装精度。

采用改进的正交普氏分析EOPA( Extended Orthogonal Procrustes Analysis) 进行误差分析,其原理简要介绍如下: 设有p个点,其实测坐标及理论坐标分别用矩阵Ap,3 、Bp,3表示,同时存在未知的旋转矩阵T3,3、未知的位移向量t3,1、未知的误差矩阵Ep,3,它们存在关系如下:

采用矩阵奇异值分解(SVD),得出:

式中:V、W为SVD分解结果。

将 T、t代入式(1),即可得出误差矩阵E。

基于以上算法,相关文献提出了改进算法,在测控点上增加了权重因子,以强调各点在装配中的不同重要性。但对于装配式构件,因为不同测控点要求的误差可以不同,因此可以忽略权重因子,直接取值为1.0。同时,采用点剔除迭代算法,其主要原理是减少多数点误差、加大不合格点误差。

4.2 测控线及误差分析

主要分析构件直线与设计直线的夹角作为判定依据。在构件上采集多个点,按实际情况取3~5个中间点,加上两端点,利用三维直线拟合的方法进行分析。其原理为,将空间直线拟合问题转换成拟合两个相交平面问题后,采用稳健总体最小二乘法RTLS(Robust Total Least Squares)估计空间直线参数。模拟试验结果证明了此算法能够有效剔除粗差,提高了参数和验后方差的估计精度。

4.3 测控面及误差分析

主要分析构件平面与设计平面的法线夹角作为判定依据。在构件对应的面上采集多个点,按实际情况取3~9个中间点,加上平面边缘角点,借鉴点云技术进行三维平面拟合。其原理为,以特征值法为基础,通过迭代循环,去除误差大的异常点,得到稳健的平面参数估计值,该法能克服异常值的影响,提高检测精度。

4.4 测控元素提取方法

测控点提取还需要安装经验来确定。图2为测控线、测控面测量点选取示意。但具体的原则,应该包括单构件测控点、复合后的装配式构件的测控元素等,相关的研究需要进一步开展,本文目前只限于提取测控点。

测控点的理论值提取需要相应的构件模型。目前,通过软件开发,可以支持提取测控点理论值的、与装配式建筑设计相关的软件,如PBIMS(PKPM BIM系统)、Revit、Tekla等,都可以实现。其原理是:1)自动识别构件之间节点处的连接件关键点,作为测控点;2)自动识别构件之间重合的线、面作为测控元素。通过测控元素的理论值和实际测量值比对,给出误差超限的部分,提供整改依据。

5、测控点误差分析实例

图3是某项目的PBIMS模型中的某装配式构件,已经由软件指定测控点,共24个。

部分测量分析结果如表1所示。24个测控点中有4个点不满足误差要求,其最大误差为4.27 mm,由于设定允许误差为3 mm,所以总体精度不满足要求,但允许误差范围有待商榷。

注:X、Y、Z为测控点设计值;x、y、z为其测量值。

以测控点1为例说明计算过程,转换矩阵为:

则根据实测坐标A和设计坐标B,可得:

其中 A=[40 805.250,16 932.150,37 991.700,1]

B=[40 800.000,16 930.000,37 990.000,1]

可计算出:E=[2.734,0.358,0.126,1],则实测误差e=(2.734 2+0.358 2+0.126 2)1/2 =2.76 mm。

6、结束语

基于装配式建筑特有的装配特征,提出了适合于装配式建筑构件的测控元素的概念,拓展了钢结构模拟预拼装中单纯测控点检测的概念,以解决实际应用中对点、线、面的测控需求,并给出相应的误差分析技术;研制开发了相应的技术软件,通过工程实例测试,所开发的软件系统可以顺利快速地完成误差分析和输出。

但对于装配式建筑构件的测控元素的定义、误差范围等,还需要进一步的研究和完善。

来源:南东亚, 王月栋, 刘鹏, 等. 装配式建筑模拟预拼装技术研究与开发[J]. 钢结构, 2019, 34(5): 107-109.

doi: 10.13206/j.gjg201905020

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