复杂钢结构体高空吊装定位技术研究

陈科，唐华，罗家望

（1四川蜀渝石油建筑安装工程有限责任公司 四川江油 621709 2西科测绘公司 四川绵阳 621000）

1 概述

嘉峪关气象塔位于甘肃省嘉峪关市东湖风景区，由裙楼和混凝土核心筒塔楼组成，塔楼外环绕钢结构“海豚”造型网壳。网壳总高度为95m，由2731根直径18～24cm的钢管对径焊接而成。网壳以24根竖杆为造型主体，竖杆之间连接横杆和斜杆，以空中折线状的钢管构成海豚造型。每一根竖杆由35段直伸钢管对口焊接而成，每段钢管构成为网壳的一“层”，网壳底部通过预埋钢板连接在裙楼顶部环梁上，网壳与混凝土核心筒在3、6、9、11层通过多点拉杆与钢筋混凝土塔楼连接。嘉峪关气象塔外形如图1所示。

图1 嘉峪关气象塔外形

2 网壳安装方案

为了提高作业效率，保证安装精度和作业安全，尽量减少高空作业，网壳安装施工采用的方法是：综合考虑吊车起重能力、组装场地大小、组装困难程度、吊装定位是否方便及现场施工干扰等诸多因素，将钢结构网壳拆分成适当大小的吊装组件。在地面焊接为一体后，再整体吊到高空中进行拼装焊接。整个网壳由下而上逐层安装，当下层吊装组件安装到位并焊接牢固后，再进行上一层组件的吊装。网壳主体拆分的吊装组件如图2所示。

图2 网壳主体拆分的吊装组件

3 吊装组件的安装定位

3.1 测量定位需要解决的问题

安装定位设计值是构成网壳的立杆、横杆和斜杆中心线在连接处交点的三维坐标。理论上讲，定位时应在吊装组件设计点安置测量标志，通过对标志的观测，指挥移动吊装组件到正确位置。具体操作步骤为：

（1）用塔吊将吊装组件吊到大致位置后，首先将组件竖杆下端与已安装好的下层组件竖杆上端对准。此时组件的上端已基本到位，只能在正确位置附近的小范围内移动。

（2）观测位于组件上端的测量标志，用葫芦链条移动组件上端，直至观测坐标等于设计坐标。当吊装组件各竖杆均处于正确位置时，安装定位测量工作即完成。

实际上，网壳定位设计点是无法直接观测到的。经过文献查阅，处理这种问题的一般思路是另行设置观测点，在定位物体上粘贴平面反射镜片或安装反射棱镜，通过获得观测点坐标来推算设计点坐标。

这种思路适用于定位点数量不多、定位物件空间方位单一的情况。嘉峪关气象塔网壳工程安装项目，存在下列问题：

（1）安装操作平台作业空间狭窄且支撑钢梁纵横交错，安装定位时常有障碍物遮挡观测视线，而在高空中重新安装、变更测量标志的位置或方向都比较困难。

（2）定位杆件众多，其空间方位角各不相同，加之观测站和观测点之间不通视时，还需变更地面观测站位置，使得设计点与观测点之间的空间几何关系复杂而难以确定。

（3）相对于一般项目，本工程定位点数量非常多。若观测点与设计点间的关系复杂，会因定位误差大、操作困难而无法保证作业效率。

3.2 解决方法

要解决上述问题，设置观测点的位置应符合以下要求：

（1）观测点与设计点之间的空间几何关系简单、精确。

（2）观测点与设计点间的空间几何关系与观测站位置无关，由设计点坐标计算观测点坐标简单、快捷。

（3）当观测点坐标等于计算值时，设计点即已到达正确位置，无需由观测点坐标再推算设计点坐标对比检验。

显然，若观测点与设计点连线与设计点所在竖杆的中轴线存在夹角，则设计点与观测点间的几何关系会变得非常复杂，因为在实际工作中此夹角难以精确地得出。经过反复研究、权衡，要满足上述3项要求，应将观测点设置在设计点所在竖杆中轴线的延伸线上，这样观测点与设计点之间几何关系非常简单，从而能够快速、简便地由设计点坐标推算出观测点的坐标，即以已知竖杆两端点空间坐标，和其延伸线上一点距一端点的距离为参数，快速计算出延伸线上的观测点坐标。

设吊装组件竖杆上端定位交点设计坐标为P1(x1,y1,z1)，竖杆下一交点设计坐标为P2(x2,y2,z2)，设计点到观测点的距离为d，两交点空间距离即杆长为s，观测点坐标为Pi(xi,yi,zi)，可得：

利用上述公式，根据实际情况确定参数d后，即可快速解算出观测点坐标Pi(xi,yi,zi)。

如前所述，网壳安装时首先将吊装组件竖杆下端，对准已安装到位的下一层吊装组件竖杆上端并固定，此时，吊装组件竖杆下端设计点已经到位。观测点计算坐标值是采用吊装组件竖杆设计方位角计算的，因此，当观测点坐标等于计算值时，所在竖杆轴线空间方位角必等于设计值，从而轴线上的设计点必等于设计值。由此可简单地根据观测点坐标等于计算值，来完成无法直接观测的设计点定位，使得定位工作简单快捷，很好地解决了安装定位的难题。

根据以上解决问题的思路，以及观测标志应满足的要求，结合工程实际情况，设计了如图3、图4所示的专用工具。

图3 扣件示意图

图4 扣件实物图

这是一种内径和竖杆外径相等的半开口圆筒状扣件，顶部正中设置可伸缩的棱镜杆，扣件制作时采用精确机械加工，以保证扣件与竖杆紧密接触。使用时，将其扣在吊装组件竖杆上端顶部并用紧固螺栓固定，这时棱镜杆轴线与定位设计点所在竖杆中轴线重合，从而棱镜中心位于定位设计点所在竖杆中轴线的延伸线上。考虑到实际观测时可能遇到障碍物影响通视，棱镜杆设计为能在5～50cm范围内拉伸的伸缩杆，定位时根据障碍物阻挡情况预先确定棱镜杆长度d，以避开脚手架等障碍物遮挡。

3.3 吊装与空间定位操作步骤

在施工现场根据实际情况确定棱镜杆长度d，并安装好反射棱镜后，就可以实施吊装组件定位工作了。由于观测定位操作时间较长，为保证定位精度，观测站均设置钢筋混凝土强制对中观测墩。塔式起重机将拼装好的吊装组件吊到相应位置后，首先对吊装组件竖杆下端进行限位，使其对接在相对应的下层吊装组件竖杆的顶部，这时竖杆上端即已基本到位（图5）。

图5 “海豚”头部整体吊装作业

然后观测人员连续观测安置在吊装组件上端竖杆上的反射棱镜，根据仪器所显示的信息，指挥定位人员用手拉滑轮将组件顶部移动到设计位置。定位过程中角度和距离的偏差，通过对吊装组件的前后、左右移动来调整。观测点实测坐标与设计值的三维坐标差值反映了定位准确度。由于组件立杆底部已经到达设计位置，如果组件竖杆上部到达设计位置，则测量定位工作完成，可将吊装组件下端焊牢，并将吊装组件上端固定在混凝土塔楼或安装平台上，定位安装工作即完成。

实际工作中，由于杆件加工、组装、焊接过程中不可避免地存在误差，使上下吊装组件竖杆对接不会完全正确。事实上，吊装组件在地面拼装时，即使没有任何定位误差，定位完成后焊接处理不当，仅焊缝收缩引起的变形都可能达到几厘米，而要在高空将重达数吨的吊装单元定位到毫米不差，其难度可想而知。所以，要使定位精度完全达到理论上的要求，实际上是难以实现的。实践中采用的作业办法是：

（1）吊装组件地面拼装时，连接吊装组件竖杆上下端口的斜杆暂不焊牢，使竖杆有一定移动自由度。

（2）吊装时，若上下两吊装单元竖杆端口对接不上，通过手动滑轮施力，利用钢管本身的韧性，强制移动吊装单元，使上下竖杆端口完成对接。

（3）在此基础上，再定位吊装单元竖杆上端到设计位置。

实践证明，按此作业方法，竖杆交点定位误差在4cm以内时，均能顺利实现对口连接，并且定位误差不会逐层积累，不影响网壳外观和往上各层的吊装定位。

4 小结

嘉峪关气象塔海豚状网壳结构复杂，安装定位难点很多，且无任何经验可供借鉴。这一技术的成功应用，创造性地解决了安装定位中的问题，使工程进展十分顺利，达到了预期的目标。

[1]CJJ8—99，城市测量规范[S].

[2]孔祥元，梅是义.控制测量学[M].武汉:武汉大学出版社，2002.

[3]李玉宝，曹智翔.大比例尺数值化测图技术[M].成都:西南交通大学出版社，2006.

[4]李青岳，陈永奇.工程测量学[M].北京:测绘出版社，1995.