李少良
沈阳建筑大学土木工程学院辽宁沈阳110168
摘要：本文从钢结构预拼装的基本概念出发，通过对钢结构拼装及模拟预拼装尺寸检测技术的研究，提出了基于BIM模型的拼装及模拟预拼装尺寸检测方法。采用3D扫描技术获取实体构件的点云模型，实现了点云模型与理论模型精确拟合对齐的迭代算法，解决了复杂空间钢结构拼装及模拟预拼装尺寸检测难的问题。
关键词：钢结构；模拟预拼装；施工技术
1预拼装必要性
预拼装的必要性，与施工单位的加工质量水平、安装水平有关系。如构件加工质量有保证，不影响结构安装质量，不一定需进行预拼装。相反，如果工程特别复杂、特别重要、施工单位的经验有限，若有条件，应尽可能进行预拼装。设计可建议预拼装，但不可强求。设计规范、施工验收规范，包括新版《规范》，均没有关于哪些工程应进行预拼装或虚拟预拼装的规定。施工验收规范仅对于预拼装的做法及验收做出了规定。尽管不可要求所有单位、所有项目统一，但鉴于虚拟预拼装易于实现，建议施工规范可做出易于进行预拼装或虚拟预拼装，尤其是虚拟预拼装的规定。对于形状特别复杂，特别重要的工程，除虚拟预拼装外，宜辅以实体预拼装或部分实体预拼装。
2钢结构预拼装现状
对于复杂的钢构件，为了保障现场安装能准确顺利进行，往往需要对实体构件进行预拼装作业，以便当构件出现偏差时可进行及时整改及减小累计误差。实体构件预拼装不仅耗费大量人力、物力、运输、场地等资源，而且对工程进度管理提出了更高要求。预拼装作业不但需要大片场地、检测过程繁琐、测量时间长、检测费用高，而且检测精度比较低，作业过程中也存在一定的安全隐患。
3预拼装技术
3.1实体预拼装
钢结构预拼装即现场安装前的“实体模拟预拼装”，常简称为“预拼装”“实体预拼装”“模拟预拼装”。《规范》规定，预拼装是为检验构件是否满足安装质量要求而进行的模拟拼装，以确保现场结构安装顺利，并满足《规范》要求。预拼装所用的支承凳或平台应测量找平，检查时应拆除全部临时固定和拉紧装置。构件或单元预拼装应全数检查，质量应符合设计要求。设计无特别要求时，各类构件预拼装的检查项目、允许偏差和检查方法均应符合《规范》规定。检查项目主要包括构件的长宽高、距离、矢高、拱度、弯曲、扭曲等及安装连接口的端口错边偏差、间隙、余量等。
3.2钢结构模拟预拼装技术
当前，计算机模拟预拼装技术已经在多个工程中实际应用。实际工程经验表明，利用计算机进行钢结构预拼装模拟，可以有效地缩短预拼装时间、提高预拼装效率、节省预拼装费用。如昆明新机场航站楼，其钢彩带体系主要由彩带结构和悬臂钢柱组成，钢彩带共有7根，主要由大截面箱梁构成。鉴于钢彩带构件外形尺寸大、分段制作，且对构件制作精度、接口尺寸要求高，采用计算机模拟拼装技术大大提高了检测的精度和效率。如上海中心大厦桁架层，因对构件间接口的制作精度要求很高，仅靠控制单体构件精度无法满足现场安装要求，因此采用数字模拟预拼装方法较好地解决了这一问题。
4钢构件虚拟预拼装的数字化测量技术
4.1钢结构BIM模型应用技术研究
当前钢结构工程在建造之前都需要对工程进行深化设计，采用专业的钢结构建模软件对工程进行建模和出图，然后再根据施工图进行工程建造。目前钢结构行业最常用的深化设计软件有Tekla和基于CAD平台开发的建模软件。采用建模软件对钢结构工程进行BIM建模，以获得钢结构的理论设计模型，为后续的空间钢结构拼装及预拼装尺寸检测提供理论模型基础。钢结构BIM模型建模完成后，系统建立了模型传输接口，可导入钢构件3D实体模型。
4.2三维激光扫描测量技术
三维激光扫描测量技术是一种全自动、高精度、非接触式的立体扫描技术，该技术环境适应能力强、数据采集时效性高、可实时测量。它不仅在测绘领域得到广泛应用，而且在工程、环境检测、城市建设、文物保护方面也得到发展。在钢结构方面，采用莱卡三维激光扫描仪对钢结构生产构件进行了测量和检测，有效地防止钢结构制造误差对安装过程和结构自身安全的影响。三维激光扫描测量技术是通过激光扫描仪测试构件，获得复杂钢结构的点云数据，能够实现实测模型的重构，且数据获取速度快、精度高，全天候可作业。
4.3理论模型与点云模型拟合对齐技术
将钢结构BIM模型和三维激光扫描获得的点云模型导入到对比分析软件内，通过软件实现2种模型的拟合对齐。拟合对齐分为粗对齐和精对齐，分别需要相应的算法支持。其中，粗对齐可采用3点对齐的方式进行，分别在理论模型和点云模型上选取三点，然后根据坐标变换将2个模型合并对齐；精对齐则通过软件内相应算法计算出点云模型的旋转矩阵和平移矩阵，使2个模型在粗对齐的基础上旋转平移达到最佳的对齐状态。
4.4测控点自动提取技术
钢结构预拼装的检测，主要用于钢结构是否可以顺利安装，其重点是对控制点进行测量，判断是否满足GB50205—2001要求。钢结构构件之间的节点是通过焊缝、螺栓连接的，因此检测焊缝附近的点及螺栓孔圆心的精度，基本可以覆盖GB50205—2001所要求的检测范围。因此，本文提出一种新方法，采用Tekla模型中构件的工地焊缝及工地螺栓属性，自动提取测控点，并通过少量的人工操作，指定需要测量的距离及夹角。通过这些措施，就可以有效减少误测、漏测现象，提高工作效率。Tekla模型测控点的提取采用二次开发技术，可以提取焊缝类型、螺栓群各螺栓孔圆心、半径等信息。利用这些信息，结合构件三维轮廓点，就可以找到测控点。
4.5三维实测特征模型的建立与精度管理
建立三维测试特征模型的步骤为：①在拼装软件中导入设计的三维理论模型，格式一般选择CAD中的dxf格式，复杂钢桁梁构件导入三维模型；②在软件中标注测试点位置（测点自动进行编号）；③将数字化测量的特征点几何坐标导入；④利用最小二乘法将实测特征点与理论设计点进行关联和显示。在进行关联时，可以选择自动关联、手动关联，关联后即可进行精度管理，软件按照设定的参数，对设计数据与实测数据进行误差对比，自动计算出特征位置的位置偏差，并按颜色分级显示，并可实现误差统计输出、允许值的设定、自定义报表等输出功能。
5模拟预拼装技术研究
当构件形式比较复杂时，为保证现场构件顺利安装，构件在出厂之前需要进行预拼装作业，另一方面，为了提高预拼装作业效率，减少预拼装作业成本，可以采用计算机模拟预拼装代替复杂构件的实体预拼装。计算机模拟预拼装的流程为：使用三维激光扫描仪分别扫描要预拼装的构件，获取构件的点云模型，然后将需要预拼装的相邻构件BIM模型导入软件系统中，再逐一导入预拼装的点云模型构件，以理论模型为参考，分别进行拟合对齐和偏差分析，最终达到整体预拼装效果。
结语
综上所述，我们可以得知，近年来，正值计算机应用蓬勃发展时期，尤其是BIM应用以来，计算机模拟预拼装技术应运而生，为解决预拼装问题提供了新的途径。目前，该项技术发展迅速，逐渐成熟，已具备了广泛推广普及的条件，故已被列入我国2017版《建筑业10项新技术》钢结构技术，也纳入即将颁布的新版《钢结构工程施工质量验收规范》（以下简称《规范》），对促进钢结构发展具有重要影响。
参考文献：
［1］李亚东．数字模拟预拼装在大型钢结构工程中的应用［J］．施工技术，2012，41（18）：23-26．
［2］李超．徕卡三维激光扫描技术在钢结构检测中的应用［J］．测绘通报，2013（3）：116-117．
［3］李亚东．数字模拟预拼装在大型钢结构工程中的应用［J］．施工技术，2012，41（9）：23－26．