摘要：北京大兴国际机场核心区钢结构变形监测的创新方法北京大兴国际机场核心区钢结构分区引文格式: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....

北京大兴国际机场核心区钢结构变形监测创新方法

董卫东

（北京城建勘察设计院有限公司 北京 100101）

摘要：针对北京大兴国际机场超大型不规则自由曲面工程，采用三维激光扫描法和全站仪三维坐标测量球面四点法进行数据采集，并结合GeomagicControlX、Surfer16等三维建模及地质分析软件，实现异型设计钢结构复杂三维变形的可视化分析。 保证了工程施工过程的安全，有效指导相关工序的施工，也验证了复杂钢结构卸载理论应力和预期变形的正确性。 最后，通过三维变形监测结果与设计模型的对比分析，指出今后类似工程中航站楼钢结构屋盖网架预拱顶加深设计可进一步优化。

0 前言

北京大兴国际机场航站楼是世界上最大的机场航站楼。 核心区钢结构屋面网格平面投影面积为1.8×105m2。 主要由8根巨大的C形柱支撑。 其中，6个C形柱围成的空间可容纳整个水立方[1]。 屋顶网格的整体形状是一个不规则的自由曲面[2-4]。 从空中俯瞰，它就像是一个外星人基地，充满了科幻感。

核心区钢结构为超大型、超大面积异型钢结构工程。 具有体积大、形状复杂、施工步骤多、工序多的特点。 在整个施工过程中，如何监测钢结构的变形是一个巨大的技术挑战。 谜题和前所未有的挑战。

1 变形监测的目的

新机场屋盖网架及其支撑系统变形监测的目的主要从以下四个方面入手[5-6]： ①掌握钢结构屋盖网架各关键施工阶段的安全状况，确保施工安全； ②协助比较各种施工方法的效果，有助于今后优化类似项目的施工方案； ③协助建设与钢结构密切相关的子项目； ④验证网格应力与变形理论分析的正确性和差异性，协助设计人员进行钢结构的优化设计等。因此，超大面积异型钢结构的综合变形监测与分析具有非常重要的实际意义意义。

2 变形监测的空间分区和时间阶段划分

变形监测空间区域的划分。 根据钢结构建设分区，核心区钢结构分为南、北两大区域。 同时，钢结构按照条形天窗和中央天窗划分为7个小区域。 它们是区域C1-1、区域C1-2、区域C2-1、区域C2-2、区域C3-1、区域C3-2和区域C4（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根C型柱的监测，监测主要分为三个阶段[7-8]。 第一阶段是屋顶网架与C形柱连接后、拆除支撑前，简称加载前； 第二阶段是屋顶网架拆除临时支撑并将支撑力传递给C形柱的过程，简称一次。 加载阶段。 C形柱在这两个阶段的叠加变形相当于第一次加载变形； 第三阶段为屋面荷载阶段，即从屋面网格上方主次檩条安装到屋面最后面层安装完成的阶段。 ，简称二次加载阶段。 C形柱的第二、三阶段叠加变形相当于二次加载变形。 屋顶网格的监测分为四个阶段。 它们是：①吊装到位阶段。 主要针对7个分区采用吊装方式安装的屋面网架，以8个C形柱周围的屋面网架吊装到位并与C形柱对接的时间节点进行变形监测。 ②卸载阶段。 是指拆除7个隔断屋面网格临时支撑的阶段。 7个分区的临时支撑拆除已基本完成，屋面网格的应力已全部转移到8根C形柱、12根支撑管、前幕墙柱上，并进行变形监测。支撑系统如其他支撑单柱时的时间节点。 ③封闭阶段。 是指每个区域之间有6个条形天窗和1个中央天窗与每个区域对焊，将6个区域连成一体，形成总面积为1.8×105m2的整体屋面网格的工艺。 变形监测将在上述7个天窗全部对接焊完成的基础上进行。 ④顶板荷载阶段。 该阶段是前面提到的C形柱的二次荷载阶段，以最终面层安装为时间节点进行屋面网格的监测。

3 各阶段变形监测特点

作为屋顶网架支撑系统的重要组成部分，8根C形柱设计独特、体量巨大、受力复杂[7-8]，成为北京大兴国际机场航站楼的一大亮点。 对C型柱在加载前、一次加载后、二次加载后变形进行监测的目的是综合考察C型柱一次加载和二次加载引起的变形形式和大小，分析判断C型柱的变形情况。 C型柱的应力和变形。 是否符合设计要求，是否处于安全状态。 C型柱设计为空间曲线，树状结构，无球节点。 它没有明确的变形极值点，很难用三维坐标来表征其变形方向和大小，这给变形监测带来了巨大的挑战。 另外，C型柱的两次加载没有非常明确的时间节点，变形监测时效性要求不高。

屋顶网格吊装安装阶段的监测有两个作用：一是反映各隔断吊​​装网格的安装状态是否满足设计要求，二是为下一步提供可比的初始基准。卸载变形监测。 电网吊装到位后，有较长的悬停期，因此现阶段对电网监测的时效性要求较低。 每个隔板也独立升降，互不影响。 还可以对一个区域进行相应的变形监测，对一个区域进行跟踪监测，实现异步监测。 核心区屋架的卸载过程实质上是各分区内部屋架从临时支撑力转变为支撑系统力的过程。 在这个转换过程中，屋架的内应力和外变形都受到影响。 它极其复杂北京钢结构拆除公司，一不小心就可能引发事故。 它是整个屋顶网格安装成败的关键。 因此，监测卸载变形是保证钢结构屋面网架安装施工安全的重要手段和保障，要求针对性强、及时性、准确性强。 针对性就是要密切关注受力、变形的重点区域和部位； 及时性是指在卸荷过程中，要在短短几十分钟内得到变形监测结果，及时判断电网的安全保障。 及时采取应急措施； 精度要求变形值必须精确到毫米级。 虽然各分区钢结构的卸载不要求同步，但要求短期内尽可能按照区域对称的原则卸载。 所有分区的卸载需在15天内完成。 由于卸货时要求各区域同时进行监测，这对变形监测人员和设备的组织安排以及数据的及时处理提出了更高的要求和挑战。 在项目实际卸货过程中，采取了施工监测、第三方监测和工程监理同时进行、相互验证的组织形式，取得了良好的效果。 合模阶段变形区域主要集中在条形天窗和中央天窗周围，预计变形值较小。 现阶段网格变形监测具有面积巨大、数据量大、数据处理复杂、时效性要求不高的特点。 顶板装载阶段，装载时间长、装载重量重。 除变形监测外，还具有监测面积大、监测数据量大、数据处理复杂、时效性低等特点。 另一个重要特点是变形监测结果可以作为屋顶网格吊顶支撑二次设计的依据，对于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。

4 变形监测的主要方法和手段

针对不同的监测对象和监测对象的不同建设阶段，应采用合适的监测方法和数据处理方法。 由于北京大兴国际机场航站楼核心区屋顶网格及支撑系统设计极其复杂，在全球范围内尚无可供借鉴的先例，确定合适的监测方法和数据处理方法就离混乱一步之遥。决心和艰苦的工作。 以及一个充满乐趣的探索过程。

对于C形柱北京钢结构拆除公司，作者最终决定采用三维激光扫描逆向建模技术来实现三维变形监测。 三个阶段均采用相同型号的3D激光扫描仪RieglVZ400i，结合全站仪辅助作业，并使用相同的3D坐标基准进行现场数据采集。 利用Geomagic Wrap软件对扫描得到的点云[9-12]各相分别进行拼接、去噪等预处理，形成各相的三维模型，然后通过Geomagic Control的工件质量检测功能实现这三将C型柱三维模型叠加对比分析，得到C型柱一次加载和二次加载时的三维变形色谱图。 色谱图直观地反映了两个时期对应的C型柱的变形方向、大小和整体分布规律。 （图2、图3），达到了预期目标。

对于屋顶网格在安装阶段、合拢阶段和加载阶段的变形监测，需要比较当前网格状态以及对应的不同设计模型之间的偏差关系，不同的设计模型包括画线的空间模型、深化模型等。位置是根据网格节点球中心的空间三维坐标来定义的。 因此，这三个阶段的变形监测必须以核心区屋面网格的12300多个节点球心为最终研究对象，才能达到监测目标； 同时，这三个阶段监控的数据量巨大且时效性强。 要求不高，采用三维激光扫描作为数据采集方式是较好的选择。

对于卸载阶段屋顶网格的变形监测，由于对时效性和变形值精度要求较高，采用全站仪在卸载前和卸载过程中对反光片进行观察，以反映网格变形方向和大小。即时的。 网格卸载后，采用全站仪观测球面四点坐标，采用三维激光扫描方法进行综合变形监测。

通过三维激光扫描点云的两相叠加分析或两相点云中同一节点球的中心拟合、坐标提取、偏差比较，可以获得研究对象的三维变形值和方向。 理论分析可行，本研究使用两台地面3D激光扫描仪Riegl VZ2000i和TRIMBLE TX8进行多分区网格的3D激光点云扫描。 同时采用全站仪遥测球面四点3D坐标拟合球心法进行对比验证。 。 最终得出一致的结论：在长达150 m的扫描范围内，球心与3D激光扫描点云的拟合精度相当于球心与四点三维的拟合精度全站仪遥测球面坐标，均为毫米级。 总体来看，全站仪测量精度稍高，三维激光扫描精度稍低，但差异并不显着。

对于上述四个阶段，除了卸载过程中的实时变形监测外，变形监测还面临着海量的数据。 常规的数据表和数据曲线已不能满足超大面积异形钢结构复杂变形整体直观显示的需求。 同时，面对表征屋面网格变形的需求，表达C形柱三维变形的手段和方法已经不再可行：一方面，因为巨大的屋面网格点云数据中包含大量无法自动消除的杆点云，这些杆与分析网格的变形关系不大； 另一方面，拼接网格中的点云数据量太大，难以顺利处理内部数据。 在这种情况下，有必要寻找一种新的屋面网格变形的表达形式和方法。 最后利用Geomagic Wrap三维建模软件和Surfer geoscience三维分析软件[14-15]对海量扫描点云数据进行节点球拟合，提取球心坐标、网格插值、曲面拟合、绘图等。其他价值 采用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的全面可视化表达，成功解决了上述技术难题。

5 变形监测结果及主要结论 5.1 C型柱变形监测结果及结论

通过C2-2区域C形柱三级三维扫描模型编制的两次加载变形色谱图（图2和图3）可以发现，C形柱向一次装货期间航站楼南侧整体。 最大正变形值约为80.0毫米，最大负变形值约为-80.0毫米，平均变形值为-27.99~31.79毫米，标准偏差为36.24毫米，顶部C形平面框架具有顺时针方向变形方向（从C形柱上方俯视）； 二次加载过程中，整体向航站楼北侧倾斜，最大正变形值约为30.0毫米，最大负变形值约为-30.0毫米，平均变形值为-6.65~ 9.96毫米，标准偏差10.23毫米，顶部C形架体逆时针扭转（从C形柱上方看）。 实测变形监测数据充分说明，C形柱的变形主要集中在一次荷载阶段（即屋顶网架拆除临时支撑）和二次荷载阶段（即一次、二次安装荷载）。屋顶檩条和屋顶板）与主要加载阶段类似。 比，变形方向相反，变形值较小，约为一次载荷下变形值的三分之一。

图2 C形柱一次加载后变形结果色谱图

图3 C形柱二次加载变形结果色谱图

5.2 屋面网格变形监测结果及结论

5.2.1 安装阶段

屋面格栅安装或吊装到位后，除中央天窗比设计值低200毫米外，垂直方向与设计值的偏差均在-20毫米至20毫米之间，且大部分偏差为±10毫米以内。 这表明屋顶网格整体状况良好（图4）。

图4 屋顶网格吊装或安装到位后偏差色谱图

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，整体卸载变形是对称的； 外围及周边上升，中部及内部下沉，四周最大上升量为30～40毫米。 除中央天窗外，六个飞鱼形隔断最大下陷变形区域集中在头部和脸颊处。 最大沉降量在150至170毫米之间。 这些实测变形的分布规律与有限元方法分析的理论变形值的分布规律基本一致。 实测变形的最大值和最小值略大于有限元分析方法得到的理论计算值。 这种差异现象与大多数钢结构工程实测变形值与理论变形值的关系一致。 表明北京新机场核心区钢结构卸载应力及变形的理论分析是正确、合理的。 卸载过程正常，应力、变形正常。 一切都在安全可控范围内。

图5 屋顶网格卸荷实测变形色谱图

5.2.3 收尾阶段

网格闭合后，根据3D扫描点云与加深模型的三维坐标偏差的比较，绘制垂直偏差轮廓色谱图。 从图6中可以发现，屋顶网格已卸载并关闭。 该过程与初始定位状态相比发生了显着的变化。 整体中央天窗仍比设计位置低200-260毫米，核心区周围有小幅度增加，核心区大部分中心区域比设计值低60-140毫米。 特别需要指出的是，这里所说的设计值是网格的深化模型设计值，是包含反向预变形（也叫预封顶）值在内的中间设计位置，并不是最终的设计值。网格的设计位置。

图6 屋顶网格关闭后垂直偏差色谱图。

5.2.4 加载阶段

在顶板加载后期，通过将扫描点云提取的球节点三维坐标与设计画线模型进行对比，绘制垂直偏差等高线云图（图7）。 从该云图可以发现，与设计值相比，屋顶钢网架最终空间形态周边区域稍高，大部分区域比设计值低50~110毫米，部分区域甚至低于这个范围。 。 这种现象除了受施工条件复杂性和屋面结构荷载重量不可精确预测的影响外，也在一定程度上说明了钢结构深化设计预拱度设计存在一定偏差。模型[16]。

图7 顶板荷载后期屋面网格竖向偏差色谱图

六，结论

采用三维激光扫描结合全站仪直接观察反射片或遥测节点球面四点坐标进行数据采集。 三维点云建模软件Geomagic Wrap与质量分析软件Geomagic Control X和地学分析软件Surfer结合使用。 实现了超大面积不规则自由型钢网架的全面变形监测和可视化分析，保证了钢结构施工的安全和质量。 复杂钢结构三维变形监测观测、数据处理和分析方法可应用于类似异型、复杂钢结构工程。

钢结构支撑系统和屋面网架的整个施工过程实际上是一个反向逼近最终设计模型的“找形”过程。 由于施工过程的复杂性以及影响网格变形因素的不确定性，屋顶网格的最终空间位置与设计位置存在一定的偏差。 基于此偏差，可以进一步优化钢结构深化模型的预封设计设计，以便更好地应用于未来类似的钢结构工程。

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引用格式：董卫东. 北京大兴国际机场核心区钢结构变形监测创新方法[J]. 北京测绘, 2022, 36(4): 400-405.

作者简介：董卫东（1975—），男，河北省赵县人，本科，高级工程师，注册测量师，从事大型工业与民用建筑、轨道交通工程测量工作。

邮箱：109838262@qq.com