摘 要：针对北京大兴国际机场超大规模不规则自由曲面工程,采用三维激光扫描法及全站仪三维坐标测球面四点法进行数据采集,结合GeomagicControlX 及Surfer16等三维建模和地学分析软件实现了异形钢结构复杂三维变形的可视化分析。确保了工程施工过程的安全,有效指导了相关工序的施工,同时也验证了复杂钢结构卸载理论受力和预计变形的正确性。最后通过三维变形监测的结果与设计模型对比分析,指出航站楼钢结构屋面网架的预起拱深化设计还可在今后类似工程中进行进一步优化。

引言

北京大兴国际机场航站楼是全球最大的机场航站楼,其核心区钢结构屋面网架平面投影面积达1.8×105 m2,仅由8根巨大的C型柱作为主要支撑,其中，6根C型柱围成的空间可以装下整个水立方。屋面网架整体造型为不规则自由曲面,从空中俯瞰犹如外星人基地一般充满科幻感。

核心区钢结构属于超大规模、超大面积异形钢结构工程,具有体量大,造型复杂,施工步骤多、工序多等特点,在整个施工过程中,如何做好钢结构变形监测,面临巨大的技术难题和前所未有的挑战。

对新机场屋面网架及其支撑体系进行变形监测的目的主要有以下4方面：①掌握钢结构屋面网架各关键施工阶段的安全状态,确保施工安全;②辅助对各种施工工法的效果进行比较,帮助对今后类似工程施工方案进行优化;③辅助进行与钢结构紧密相关的分部分项工程的施工;④验证网架受力和变形理论分析的正确性和差异,辅助设计人员对钢结构进行优化设计等。因此,对超大面积异形钢结构进行综合变形监测及分析具有非常重要的现实意义。

变形监测空间区域划分。根据钢结构施工分区将核心区钢结构分为南、北两大区,同时按条形天窗、中央天窗为界把钢结构分为7个小分区。分别是C1-1区、C1-2区、C2-1区、C2-2区、C3-1区、C3-2区以及C4区(图1)。

图1 北京大兴国际机场核心区钢结构分区

变形监测时间阶段划分。对于8颗C型柱的监测,主要划分为3个阶段进行监测。第1个阶段为屋面网架与C型柱对接安装后、卸除支撑之前,简称加载前;第2个阶段为屋面网架卸除临时支撑将支撑力转移到C型柱的过程,简称一次加载阶段。C型柱这两个阶段叠加的变形相当于第1次加载变形;第3个阶段为屋面加载阶段,即从屋面网架上方的主、次檩开始安装至屋面最后一道面层安装完成的阶段,简称二次加载阶段。C型柱的第2、3阶段叠加变形相当于二次加载变形。对于屋面网架的监测,共划分为4个阶段进行。分别为：①提升就位阶段。主要针对7个分区采用提升工法安装的屋面网架,以8颗C型柱周边屋面网架提升到位且与C型柱对接完成为时间节点,开展变形监测。②卸载阶段。指的是7个分区屋面网架拆除临时支撑的阶段,以7个分区基本完成临时支撑拆除、屋面网架的受力全部转移到8颗C型柱、12个支撑筒、楼前幕墙柱及其他支撑单柱等支撑体系之上时作为时间节点开展变形监测。③合拢阶段。指各分区之间的6个条形天窗和1个中央天窗与各个分区对接焊接在一起,将6个分区连成一体、形成总面积达1.8×105 m2的整体屋面网架的过程。以上述7个天窗全部完成对接焊接为时间节点开展变形监测。④屋面加载阶段。该阶段即前面提到的C型柱二次加载阶段,以最终面层开始安装为时间节点开展屋面网架的监测。

8颗C型柱作为屋面网架支撑体系的重要组成部分,设计外形奇特、体量巨大、受力复杂,已成为北京大兴国际机场航站楼的一大亮点。对C型柱加载前、一次加载后、二次加载后进行变形监测,目的是要全面考察C型柱一次加载和二次加载造成的变形规律和大小,分析和判断C型柱受力和变形是否满足设计要求,是否处于安全状态。C型柱设计为空间曲线型,且为无球结点的树状结构,没有明确的变形极值点且很难用三维坐标表征其变形方向和大小,给变形监测带来了巨大挑战。另外,C型柱两次加载没有十分明确的时间节点,因此变形监测对时效性要求较低。

对于屋面网架提升就位阶段的监测有两个作用:一是反映各个分区提升安装网架的就位状态是否满足设计要求,二是为下一步卸载变形监测提供一个可比较的初始基准。网架提升就位后,有一段较长时间的悬停期,所以该阶段对网架监测的及时性要求较低,各个分区也是独立提升互不影响的,对应变形监测也可到位一个区、跟进监测一个区实现非同步监测。核心区屋面网架的卸载过程,本质上是各个分区内部的屋面网架由临时支撑受力向支撑体系受力转换的过程,在这个转换过程中,屋面网架的内部受力和外部变形都异常复杂,稍有不慎就有可能造成事故,是决定整个屋面网架安装成败的关键。因此做好卸载变形监测,是确保钢结构屋面网架安装施工安全的重要手段和保证,要求有很强的针对性、及时性和准确性。针对性就是对受力和变形重点区域、重点位置进行重点关注;及时性是指在卸载过程中,要在短短几十分钟的时间内获得变形监测的结果,及时判断网架的安全性和及时采取应急处置措施;准确性要求变形值的精度要达到毫米级。各个分区的钢结构卸载虽然不要求同步,但要求在短期内尽量按区域对称原则卸载,所有分区的卸载要求在15 d内全部完成。由于每个区域卸载时要求监测同步进行,这对变形监测人员、设备的组织安排和数据的及时处理提出了较高要求和挑战。工程实际卸载过程中,采用了施工监测、第三方监测和工程监理三方同步进行、相互印证的组织形式,取得了较好效果。合拢阶段的变形区域主要集中在条形天窗和中央天窗周边,预计变形值较小,该阶段网架变形监测具有面积巨大、数据量庞大、数据处理复杂及时效性要求较低的特点。屋面加载阶段加载时间长、加载重量大,变形监测除同样具有监测面积大、监测数据多、数据处理复杂和时效性低的特点外。另一重要特点是变形监测的结果可作为屋面网架吊顶支托二次设计的依据,对指导下一步室内吊顶施工具有重要的参考价值和指导意义。

针对不同的监测对象,以及监测对象的不同施工阶段,应该采用适合的监测方法和数据处理手段。由于北京大兴国际机场航站楼核心区屋面网架及支撑体系设计异常复杂,在全球范围内找不到可以参考的先例,所以确定合适的监测方法和数据处理手段是一个从困惑走向坚定、艰辛而又充满乐趣的探索过程。

对于C型柱,笔者最终确定采用三维激光扫描逆向建模技术实现三维变形监测。在3个阶段分别使用同型号三维激光扫描仪RieglVZ400i,结合全站仪辅助作业,使用相同的三维坐标基准进行外业数据采集。使用Geomagic Wrap 软件对各期扫描点云分别单独进行拼接、去噪等预处理形成各期三维模型,再使用Geomagic Control X 软件的工件质量检查功能,对相邻两期的三维模型进行叠置比较分析,得到C型柱一次加载和二次加载的三维变形色谱图,该色谱图直观地反映出了C型柱对应两个时期的变形方向、大小及整体分布规律(图2、图3), 达到了预期目标。

对于屋面网架在就位阶段、合拢阶段和加载阶段的变形监测,需要比较当前网架状态和对应不同设计模型之间的偏差关系,而不同的设计模型包括线划模型、深化模型等的空间位置都是基于网架的结点球球心的空间三维坐标来定义的。因此,这3个阶段的变形监测必须以核心区屋面网架的12 300多个结点球球心为最终研究对象,方可实现监测目标;同时这3个阶段监测的数据量庞大、时效性要求不高,采用三维激光扫描作为数据采集手段是较优的选择。

对于屋面网架卸载阶段的变形监测,由于时效性和变形值精度要求较高,卸载前及卸载过程中使用全站仪观测反射片的方法,实时反映网架的变形方向和大小。在网架卸载完成后,又采用了全站仪观测球面四点坐标和三维激光扫描法进行全面的变形监测。

通过两期三维激光扫描点云的叠置分析或对两期点云中同一个结点球进行球心拟合、提取坐标、偏差比较得到研究对象的三维变形值和方向,从理论上分析是可行的,本研究使用Riegl VZ2000i、TRIMBLE TX8两款地面三维激光扫描仪进行了多个分区网架三维激光点云扫描,同时采用全站仪遥测球面四点三维坐标拟合球心法进行对比验证。最后得出一致结论：在最远150 m的扫描范围内,三维激光扫描点云拟合球心的精度和全站仪遥测球面四点三维坐标拟合球心的精度相当,都在毫米级。整体上全站仪测量精度稍高、三维激光扫描精度稍低,但差异并不显著。

对以上4个阶段除卸载过程实时变形监测之外,变形监测面临着数据量庞大、常规的数据表格和数据曲线的成果表达形式已不能满足超大面积异形钢结构复杂变形整体、直观展现的需要。同时,表达C型柱三维变形的手段和方法在表征屋面网架变形的需求面前已行不通：一方面是由于海量屋面网架点云数据中含有大量的、无法自动剔除的杆件点云,这些杆件与分析网架的变形关系不大;另一方面是拼接后的网架点云数据量太过庞大,造成内业数据难以顺利处理。在这种局面下,必需找到一种新的屋面网架变形表达形式和手段。最终采用Geomagic Wrap三维建模软件和Surfer地学三维分析软件,将海量扫描点云数据经过结点球拟合并提取球心坐标、网格内插、拟合曲面、绘制等值线图等一系列技术处理,对海量点云进行瘦身,实现了复杂钢结构三维变形数据全面、可视化表达,成功解决了上述技术难题。

5.1 C型柱变形监测成果及结论

通过C2-2区C型柱三个阶段三维扫描模型整理出的两次加载变形色谱图(图2、图3)可以发现,该C型柱在一次加载中整体向航站楼南侧倾斜,最大正向变形值约为80.0 mm,最大负向变形值约为-80.0 mm,平均变形值为-27.99～31.79 mm,标准偏差为36.24 mm,且顶面C型平面架体产生了沿顺时针方向(自C型柱上方俯视)的扭转;在二次加载过程中整体向航站楼北侧倾斜,最大正向变形值约为30.0 mm,最大负向变形值约为-30.0 mm,平均变形值为-6.65～9.96 mm,标准偏差为10.23 mm,且顶面C型架体产生了沿逆时针方向(自C型柱上方俯视)的扭转。实测变形监测数据充分说明了C型柱的变形主要集中在一次加载(即屋面网架拆除临时支撑)阶段,二次加载(即屋盖主次檩条和屋面板安装加载)阶段与一次加载阶段相比,变形方向相反,变形值要小,约为一次加载变形值的三分之一。

图2 C形柱一次加载变形结果色谱图

图3 C形柱二次加载变形结果色谱图

5.2 屋面网架变形监测成果及结论

5.2.1 就位阶段

屋面网架安装或提升就位后,除中央天窗低于设计值200 mm外,竖向偏离设计值均在-20 mm～20 mm之间,大部分偏差在±10 mm以内。说明屋面网架整体就位状态良好(图4)。

图4 屋面网架提升或安装就位后偏差色谱图

5.2.2 卸载阶段

从核心区屋面网架卸载变形等值线色谱图(图5)可以直观地看出,卸载变形整体呈左右对称状态;外围及四周呈上升状态,中部及内部下沉,四周最大上升量在30～40 mm之间;除中央天窗外的6个飞鱼状分区的最大下沉变形区域都集中在头部和两腮部位。最大下沉量在150～170 mm之间。这些实测变形的分布规律和用有限元法分析的理论变形值分布规律基本吻合,实测变形的最大、最小值比用有限元分析法得到的理论计算值略大。这一差异现象与大多数钢结构工程实测变形与理论变形值间的关系一致,说明了北京新机场核心区钢结构卸载受力和变形的理论分析正确、合理,卸载过程正常,受力和变形都处在安全、可控范围。

图5 屋面网架卸载实测变形色谱图

5.2.3 合拢阶段

网架合拢完成后,通过比较三维扫描点云和深化模型的球结点三维坐标偏差,并据此绘制出竖向偏差等值线色谱图,从图6可以发现：屋面网架经过卸载、合拢过程,与初就位状态相比发生了较大变化。中央天窗整体仍低于设计位置200～260 mm,核心区四周有少量上升,核心区中部大部分区域低于设计值60～140 mm。需要特别指出,这里所说的设计值是网架的深化模型设计值,是包含了反向预变形(也叫预起拱)值的一种中间设计位置,并不是网架的最终设计位置。

图6 屋面网架大合拢后竖向偏差色谱图

5.2.4 加载阶段

屋面加载后期,通过比较扫描点云提取的球结点三维坐标和设计线划模型,绘制成竖向偏差等值线云图(图7)。从该云图可以发现,屋面钢网架的最终空间形态与设计值相比,除四周略有升高外,大部分区域均低于设计值50～110 mm,局部区域比此范围值还要低。这一现象除受到施工工况的复杂性及屋面结构加载重量的不可精确预测性影响外,在一定程度上说明了钢结构深化设计模型的预起拱量设计存在一定偏差。

图7 屋面网架在屋面加载后期竖向偏差色谱图

采用三维激光扫描结合全站仪直接观测反射片或遥测结点球球面四点坐标等方法进行数据采集,结合使用三维点云建模软件Geomagic Wrap和质量分析软件Geomagic Control X以及地学分析软件Surfer,实现了超大面积不规则自由曲面钢网架综合变形监测和可视化分析,保证了钢结构施工的安全和质量。该复杂钢结构三维变形监测的观测、数据处理及分析方法可以推广应用到类似异形、复杂钢结构工程中。

钢结构支撑体系及屋面网架的整个施工过程,实际上是一个向最终设计模型反向逼近的“找型”过程。由于施工过程的复杂性及网架变形影响因素的不确定性,造成了屋面网架的最终空间位置与设计位置存在一定偏差。基于此偏差,还可以针对钢结构深化模型的预起拱设计进行进一步优化,以便更好地应用于今后类似钢结构工程。

引文格式: 董伟东.北京大兴国际机场核心区钢结构变形监测的创新方法[J].北京测绘,2022,36(4):400-405.

作者简介：董伟东(1975—),男,河北赵县人,大学本科,高级工程师,注册测绘师,从事大型工民建、轨道交通工程测量工作。

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