【钢结构案例】梅溪湖城市岛双螺旋体异型钢结构BIM

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引言：湖南建工BIM中心申报的《“BIM+智能型全站仪”测绘施工》省级工法确定立项。目前梅溪湖城市岛项目测量工作已顺利完成，特将测量成果进行总结与分享。

1 工程概况





长沙梅溪湖国际新城城市岛工程的标志性构筑物为双螺旋体景观构筑物，最高点约34m，环道外边界直径最大约86m，两条相互环绕螺旋上升的采用三角支撑架结构的环形通道，环道由内部螺旋外扩上升，绕过柱顶在外部螺旋收缩下降，连接着一列密集的廊柱。双螺旋体斜立柱共32根，立柱与水平面的夹角为62.02°，相邻斜立柱在水平面上的投影夹角为11.25°，相邻斜立柱之间以钢棒连接保证结构的整体稳定性。该种造型目前在国内鲜有出现，因此精确的结构测量是保证工程质量进行的关键。



图1 双螺旋体钢结构分布图移除 图1 双螺旋体钢结构分布图


2 三维空间定位测量控制的

   重点与难点





1）构筑物位于梅溪湖城市岛上，高精度的高空平面控制网和高程控制点的布设受场地限制，定位测量控制难度大。

2）钢结构空间变化多样，多为大截面弯扭结构交错形成双螺旋体状，测控精度要求高。

3）施工工期短，各分项工程及工序交叉作业多，控制点使用频率高，必须建立长期稳定、统一的测量控制体系。

4）内业计算和外业施测工作量较大，数据处理、测控方法的选择，放样工具的选择，直接影响测量放样的精度和速度。

5）因日照引起的温差影响，上部钢结构易出现变形现象，应选择有利的观测条件和观测时间，对控制测量精度也很重要。







3 钢结构空中安装定位测量

   控制总体思路





1）双螺旋体构筑物造型复杂，应遵循“先承重结构后悬挑结构”和“关键部位重点控制”的测量控制原则。根据工程空中定位测量控制难度大、精度要求高等特点，首先需要遵循“先承重结构后悬挑结构”的测量控制原则，先从32根斜立柱开始定位安装，再分别螺旋状顺时针定位安装内环道及逆时针定位安装外环道。其次需要关键部位进行重点控制，以确保整个钢结构空中定位测量控制的精度，保障钢结构的安装质量。

2）采用“BIM+智能型全站仪”测量控制技术进行重点控制。因双螺旋体造型中设计有许多重要构件为变截面或异型曲面，其倾斜角度及定位在高空安装现场很难计算准确，必须依靠BIM技术利用计算机建立Tekla的三维实体模型，配合使用BIM 360系列软件来计算和获取测量所需的精确数据，配合智能型全站仪进行定位测量，大大提高了测量精度和测量控制的速度。

3）对于特殊部位（如双螺旋体32根斜立柱、柱顶环道安装），需要进行分段控制，预先制定好控制措施。







4 基于BIM的三维空间定位

   测量控制技术





4.1 工艺原理

1）将含有点位放样数据（设计坐标与尺寸）的模型导入安装有“测量放样应用程序”的平板电脑（移动端），利用Wi-Fi或其他无线网络将其与智能型全站仪（固定端）进行连接并建立数据通信关系。

2）用后方交会法或后视法在施工现场进行智能型全站仪的设站，建立真实三维空间坐标系与BIM模型中三维空间坐标系之间的映射关系。

3）在移动端选中BIM模型中需放样的点，智能型全站仪会自动跟踪棱镜的坐标，棱镜的位置显示在BIM模型中并提示棱镜与放样点的坐标（X，Y，Z）差值，根据提示移动棱镜直至坐标差值为零，则此时棱镜的位置就是需要放样点的位置。移动端操作界面如图2所示。

图2 移动端操作界面移除 图2 移动端操作界面


4.2 工艺特点

1）在建模过程中，能够较早发现图纸中存在的各种问题，为钢结构工程顺利安装提前做好技术准备。

2）现场操作简单方便，与钢结构安装人员紧密配合，能够及时、有效地控制好现场钢结构安装高精度的需要。

3）由于智能型全站仪与移动端之间实现双向通信，测量数据自动传输到智能型全站仪内存，系统实时计算出点位坐标和偏差信息数据，保证构件安装的准确性。

4）设站灵活，智能型全站仪可以在不同的现场条件下选择最佳位置设站，减少其他工序对测量工作的干扰，反之也减少了测量工作对其他工序的影响。

4.3 工艺流程（放样阶段）

建立模型→校核控制点，布设三级控制网→准备数据模型→建立坐标系→创建设站控制点→创建放样点→上传及**放样数据→搭设放样环境→设置测站→施工测量放样。

4.4 三维空间坐标控制系统的建立

校核业主方提供的一级控制点，将误差按比例分配到首级控制网各控制点，在场地周边布置首级三维空间坐标控制体系；然后根据现场实际情况，在保证测绘精度的前提下，在双螺旋体构筑物外围布置二级三维空间坐标控制体系；最后采用内控、外控结合法将三级控制点布置在双螺旋体构筑物内部的合理位置，构成三级三维空间坐标控制体系，从而建立三维空间坐标控制系统。

图3 二级三维空间坐标控制体系移除 图3 二级三维空间坐标控制体系


4.5 关键施工工序测量控制

4.5.1螺旋体斜立柱三维定位及测量校正

1）螺旋体钢柱锚栓定位

地脚螺栓预埋前，先在螺旋体外侧布设轴线控制点且所布设的轴线控制点都在同一条环形线上并与相交的轴线垂直，便于地脚螺栓的安装及钢柱的校正。

埋件吊装到承台后，先用水准尺量测调平埋件板，再使用智能型全站仪测量其控制点位置三维空间坐标，根据移动端所显示的三维坐标差值指挥班组将埋件校正到指定位置。

2）斜立柱柱底定位

柱底就位后，使用智能型全站仪测量控制点位置三维空间坐标，用千斤顶和撬棍进行校正。柱底就位后轴线偏差应不大于5mm，钢柱扭转偏差不大于5mm。

3）斜立柱标高校正

钢柱吊装就位后，观测设置在柱底板之上1m处的标高线，如标高超过允许差值，则增加或减薄垫板厚度调整钢柱标高。

4）斜立柱垂直度校正

在斜立柱柱顶双向中轴线距离柱边100mm处用阳冲打点作为控制点，将激光反射片粘贴于控制点上，在BIM 360Layout软件中设置点位并输出其三维坐标值（X，Y，Z）。柱子吊装到位后，将自动照准WinCE智能全站仪架设到视野开阔、平整且能够便于大面积观测的平面上，利用其免棱镜测量功能逐一测设各点，直到柱子设计坐标值与仪器所测坐标相吻合。钢柱安装垂直度允许偏差不应大于H/1000且≤±10mm。

5）斜立柱二节及以上柱定位及校正

对于第二节以上的钢柱吊装首先是柱与柱接头的相互对准，塔吊松钩后，用智能型全站仪进行三维坐标点测量，校正上节钢柱垂直度时要考虑下节钢柱相对于轴线的偏差值，校正后上节柱顶相对于下一节柱顶的偏差为负值，使柱顶偏回到设计位置，从而便于钢柱的顺利吊装以及保证钢柱安装的精度。

当焊接完成后，对钢柱再次复测，并做好记录，作为资料和上节钢柱吊装校正和焊接的参考依据。

图4 斜立柱三维定位及测量校正移除 图4 斜立柱三维定位及测量校正


4.5.2螺旋体环道三维定位及测量校正

1）环道单元的拼装测量

环道单元拼装之前，根据深化设计图所给的各点（拼装胎架及拼装构件）相对三维坐标，对构件进行放样点的选取。在拼装过程中对需拼装构件三维坐标点进行测量使其一一吻合，以完成拼装。



图5 环道单元三维视图移除 图5 环道单元三维视图


2）环道单元的安装测量

在环道单元的上表面四个角点用阳冲打点作为控制点，然后用智能型全站仪对各控制点进行三维坐标控制，环道单元通过连接板与斜立柱进行连接。环道单元安装测量示意如图6。

图6 环道单元安装测量示意图移除 图6 环道单元安装测量示意图


3）环道单元的测量校正

环道单元临时固定后，使用智能型全站仪逐一校核各点，根据移动端显示的三维坐标差值，利用倒链微调环道的空间位置，直到移动端显示的三维坐标差值为零。







5 测量精度控制





1）树立测量工程师的高精度意识，对BIM模型的建立、控制点的设计、放样点的选取、点位数据的计算、施测等做到步步有校核，在现场测量过程中，严格贯彻测量工作的自检、互检制度。

2）由于安装过程中悬挑构件较多，会在自重的影响下，发生不同程度的变形。为此，构件在运输、倒运、安装过程中，应采取合理保护措施，如布设合理吊点，局部采取加强抵抗变形等，来减少自重变形，提高安装精度。

3）钢构件在安装过程中，因日照温差、焊接会使钢结构产生收缩变形，从而影响结构的安装精度。因此，在上一安装单元安装结束后，通过观测其变形规律，结合具体变形条件，总结其变形量和变形方向，在下一构件定位测控时，对其定位轴线实施反向预偏，即节点定位实施反三维空间变形，以消除安装误差的累积。

4）现场施工过程中，由于日照温度过高，从而导致光线发生折射现象。为了减小这种误差对测量工作所产生的影响，观测时间主要设在6:00～10:00、17:00～19:00的低温时段。







6 效益分析





6.1 确保测量精度

智能型全站仪精度较普通全站仪要高，减少仪器本身误差对精度的影响；“BIM+智能型全站仪”测量技术结合BIM模型所包含的点位数据进行放样，三维坐标差值在移动端实时显示，有效降低测量施工中的人为误差，安装精度控制在5mm以内。

6.2提高测量效率

“BIM+智能型全站仪”放样测量相对于传统放样方法人员投入3～4人要少一半，只需1～2人即可，放样速度在200～250放样点/工作日（大面积放样），节省人工50%，节省工期20%以上。

6.3降低安全隐患

钢结构安装作业属于高空作业，使用自动照准WinCE智能全站仪配合激光反射片进行测量校核，减少了人工高空作业时间，有利于保证人员安全，减少事故发生的可能性。

6.4提升BIM应用价值

“BIM+智能型全站仪”测量技术可以最大可能地把人从施工现场繁重的劳动中解脱出来，并得到精度较高的数据。以后必将沿着数字化、一体化、自动化、信息化的道路进行，其发展趋势将是与云技术进一步集成，通过云技术的的使用可以使用网络进行移动终端和云端数据同步，使BIM测量放样数据**到移动终端和实际测量放样数据上传至云端更加快捷；与项目质量管控进一步融合，使质量控制和模型修正无缝地融入原有工作流程中，提升BIM应用价值。







7 结语





BIM是一个建筑设施物理和功能特征的数字表达，是工程项目设施实体和功能特征的完整描述。它基于三维几何数据模型，集成了建筑设施其他相关物理信息、功能要求和性能要求等参数化信息，并通过开放式标准实现信息的互用。“BIM+智能型全站仪”测量技术，通过使用BIM模型所包含的点位数据进行定位放样，采集实际建造数据更新BIM模型，采用实际建造数据与BIM模型对比分析进行施工验收，把BIM模型带入施工现场。

梅溪湖城市岛双螺旋体异型钢结构采用“BIM+智能型全站仪”测量技术，确保了各构件的节点安装在空间定位±5mm的预定精度，是的顶部钢结构最后安装合龙时，其定位测量控制到最后的闭合差仅为5mm，最终顺利完成了所有钢构件的空中安装对接，形成了受力稳定的双螺旋体异型钢结构。该技术方便可靠，确保了测量精度，又提高了测量效率；既降低了安全隐患，又提升了BIM应用价值；同时还为解决复杂异型钢结构空中安装定位测量控制难的问题提供了新的思路，为今后类似工程施工提供了借鉴。

悲剧的懒猫

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没图，有图才能更准确反映施工过程。