北京大兴国际机场核心区钢结构变形监测创新方法
董伟东
（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规模不规则自由曲面项目，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，结合GeomagicControlX、Surfer16等三维建模及地学分析软件，实现异形钢结构复杂三维变形的可视化分析，保证施工过程的安全性，有效指导相关工序的施工，验证复杂钢结构理论卸载力及预期变形的正确性。最后通过三维变形监测结果与设计模型的对比分析，指出在今后类似项目中钢结构俯视图怎么看，航站楼钢结构屋面网架预拱深化设计可以进一步优化。
0 简介
北京大兴国际机场航站楼是全球最大的机场航站楼，钢结构屋面网架核心区平面投影面积达1.8×105m2，主要由仅8根巨大的C型柱支撑，6根C型柱围合出的空间可容纳整个水立方[1]。屋面网架整体造型为不规则自由曲面[2-4]，从空中俯瞰，犹如外星基地，科幻感十足。
核心区钢结构为超大规模、超大面积异形钢结构工程，具有体量大、造型复杂、施工步骤和工序多等特点，在整个施工过程中，如何对钢结构变形进行监控面临着巨大的技术难点和前所未有的挑战。
1 变形监测目的
新建机场屋面网架及其支撑体系变形监测的主要目的[5-6]：①了解钢结构屋面网架在各个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，有助于优化今后类似工程的施工方案；③协助与钢结构密切相关的子工程的施工；④验证网架受力与变形理论分析的正确性与差异性，协助设计人员优化钢结构设计。因此，对超大面积异形钢结构进行全面的变形监测与分析具有非常重要的现实意义。
2 变形监测空间划分与时相划分
变形监测空间划分。根据钢结构施工分区，将核心区钢结构划分为南、北两大区域，同时以条形天窗、中央天窗为界将钢结构划分为7个小区域，分别为C1-1区、C1-2区、C2-1区、C2-2区、C3-1区、C3-2区、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8根C型柱的监测主要分为3个阶段[7-8]。第一阶段为屋架与C型柱连接安装完毕后、拆除支撑前，简称预加载；第二阶段为拆除屋架临时支撑、将支撑力转移到C型柱上的过程，简称第一加载阶段。这两个阶段C型柱的叠加变形相当于第一次加载变形；第三阶段为屋面加载阶段，即从屋架上方主、次檩条安装完毕到安装最后一层屋面层为止，简称第二加载阶段。C型柱第二、第三阶段的叠加变形相当于第二次加载变形。屋架的监测分为四个阶段。分别是：①起升定位阶段。主要针对7个分区采用吊装方式安装的屋架，以8根C型柱周边屋架吊装到位并与C型柱连接好的时间节点进行变形监测。 ②卸载阶段。指7个分区屋架临时支撑拆除阶段。当7个分区临时支撑基本拆除，屋架受力充分转移到8根C型柱、12根支撑筒、楼前幕墙柱及其他支撑单柱等支撑体系上时进行变形监测。 ③合拢阶段。指将每个分区间的6个条形天窗和1个中央天窗焊接至每个分区，将6个分区连为一体，形成总面积为1.8×105m2的整体屋架的过程。当以上7个天窗焊接完毕时进行变形监测。 ④屋架加载阶段。此阶段为前述C型柱的二次加载阶段，屋面格栅的监测是在最后一层面层开始安装时进行的。
3 各阶段变形监测特点
8根C型柱作为屋面网架支撑体系的重要组成部分，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型柱进行加载前、第一次加载后、第二次加载后的变形监测，是为了全面考察C型柱第一次、第二次加载引起的变形规律及大小，分析判断C型柱受力及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、无球节点的树状结构，没有明确的变形极值点，很难用三维坐标表征其变形方向和大小，给变形监测带来很大挑战。另外钢结构俯视图怎么看，C型柱两次加载并没有十分明确的时间节点，因此对变形监测的时效性要求相对较低。
屋面网架吊装阶段的监测作用有两个：一是反映各分区吊装网架安装状态是否符合设计要求，二是为下一步卸载变形监测提供可比的初始基准。网架吊装到位后，有一段较长的暂停时间，因此此阶段网架监测的时效性相对较低。各分区也是独立吊装，互不影响，相应的变形监测也可以在一个区域进行，后续跟进，实现异步监测。核心区屋面网架卸载过程，本质上就是各分区内部屋面网架由临时支撑力向支撑体系力的转换过程，在这个转换过程中，屋面网架的内力和外变形极其复杂，稍有不慎就会发生事故，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障，要求针对性强、时效性强、准确性高。针对性就是要特别关注受力、变形的重点区域和部位；及时性就是在卸载过程中，几十分钟之内要得到变形监测结果，及时判断网架安全状况，及时采取应急措施；准确性就是变形值要精确到毫米级。虽然各分区钢结构卸载不要求同步进行，但要求在短时间内尽可能按照区域对称的原则进行卸载，并要求在15天内完成所有分区的卸载。由于卸载时要求各区域同步监测，这对变形监测人员和设备的组织安排、数据的及时处理都提出了很高的要求和挑战。在项目实际卸载过程中，采取了施工监测、第三方监测和工程监理的组织形式，同步开展、相互印证，取得了良好的效果。收尾阶段变形区域主要集中在条形天窗及中央天窗周边，预计变形值较小。此阶段格栅的变形监测具有面积巨大、数据量巨大、数据处理复杂、时效性不强的特点。屋面加载阶段加载时间长、加载重量大，变形监测除了具有监测面积大、监测数据量大、数据处理复杂、时效性不强的特点外，还具有监测面积大、监测数据量大、数据处理复杂、时效性不强的特点。另外一个重要特点是变形监测结果可以作为屋面格栅吊顶支撑二次设计的依据，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。
4 变形监测主要方法与手段
针对不同的监测对象、监测对象的不同建设阶段，应采用适当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面网架及支撑体系设计极其复杂，国际上尚无先例可参考，因此确定合适的监测方法和数据处理方法是一个从迷茫到确定的探索过程，有难度，也有乐趣。
针对C型柱，笔者最终决定采用三维激光扫描逆向建模技术实现三维变形监测。分3个阶段采用同型号三维激光扫描仪RieglVZ400i，结合全站仪辅助作业，以相同的三维坐标参考进行现场数据采集。利用Geomagic Wrap软件对各时期的扫描点云[9-12]进行拼接、去噪等预处理，形成各时期的三维模型。然后利用Geomagic Control X软件[13]的工件质量检测功能对相邻两个时期的三维模型进行叠加对比，得到了第1次、第2次加载条件下C型柱的三维变形色谱图。色谱图直观地反映了C型柱在对应两个时期的变形方向、大小及总体分布规律（图2、图3），达到了预期目标。
对于屋面格栅在就位阶段、合拢阶段、加载阶段的变形监测，需要对比当前格栅状态与对应的不同设计模型的偏差关系。不同的设计模型，包括线模型、深化模型的空间位置都是基于格栅节点球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格栅的12300多个节点球心作为最终的研究对象，才能达到监测目标；同时，这三个阶段监测的数据量巨大，时效性要求不高，采用三维激光扫描作为数据采集方式是较佳的选择。
对于屋面格栅卸载阶段的变形监测，由于对时效性和变形值准确性要求较高，在卸载前及卸载过程中采用全站仪观测反射面，实时反映格栅的变形方向及大小；格栅卸载完成后，采用全站仪观测球面四点坐标及三维激光扫描的方法进行全面的变形监测。
将两期三维激光扫描的点云叠加或在两期点云中拟合同一节点球中心、提取坐标、对比偏差大小等方式获取研究对象的三维变形值及方向在理论上是可行的。本研究采用两台地面三维激光扫描仪Riegl VZ2000i和TRIMBLE TX8对多个分区格网的三维激光点云进行扫描，并使用全站仪遥测球面四点三维坐标拟合方法进行对比验证。最终得出一致的结论：在高达150 m的扫描范围内，三维激光扫描点云拟合球面中心的精度与全站仪遥测球面四点三维坐标拟合球面中心的精度相当，都在毫米级。整体来看，全站仪测量精度略高、三维激光扫描精度略低，但差异并不显著。
变形监测除了卸载过程中的实时变形监测外，还面临着数据量巨大的问题，常规的数据表格、数据曲线已经不能满足大面积异形钢结构复杂变形的整体、直观展示的需求。同时，C型柱三维变形的表达手段和方法在面对屋架变形表征需求时已经不再可行：一方面，海量屋架点云数据中包含大量无法自动剔除的杆件点云，而这些杆件与屋架的变形关系不大；另一方面，拼接后的屋架点云数据量过大，内部数据难以顺利处理。针对此种情况，需要寻找一种新的形式和手段来表达屋架的变形。最后利用Geomagic Wrap三维建模软件与Surfer地学三维分析软件[14-15]，通过节点球拟合及提取球心坐标、网格插值、曲面拟合、等值线图绘制等一系列技术过程，对海量扫描点云数据进行瘦身，实现对海量点云的全面、直观表达，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型柱三级三维扫描模型编制的两张加载变形色谱图（图2、图3）可以发现，第一次加载时C型柱整体向终端南侧倾斜，最大正变形值约80.0 mm，最大负变形值约-80.0 mm，平均变形值为-27.99～31.79 mm，标准差为36.24 mm，顶面C型平面框架产生顺时针方向的扭转（从C型柱顶端往下看）；第二次加载过程中整体向候机楼北侧倾斜，最大正变形值约30.0 mm，最大负变形值约-30.0 mm，平均变形值为-6.65~9.96 mm，标准差为10.23 mm，顶面C型架产生逆时针方向的扭转（从C型柱顶端往下看）。实测的变形监测数据充分说明C柱的变形主要集中在一次加载阶段（即拆除屋架临时支撑）。与一次加载阶段相比，二次加载阶段（即主、次檩条及屋面板安装加载）的变形方向与一次加载阶段相反，变形值较小，约为一次加载变形值的三分之一。
图2 C型柱一次荷载作用后的变形结果色谱图
图3 C型柱二次受荷变形结果色谱图
5.2 屋架变形监测结果与结论
5.2.1 安装阶段
屋面网架安装或吊装到位后，除中央天窗低于设计值200 mm外，其余部位垂直度与设计值的偏差在-20 mm~20 mm之间，大部分偏差在±10 mm以内，表明屋面网架整体位置良好(图4)。
图4 屋面格栅吊装或安装到位后的偏差色谱图
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）可直观地看到，卸载变形整体上呈对称性；周边及周围区域上升，中部及内部下沉，周围区域最大上升量在30～40 mm之间；除中央天窗外，6个飞鱼形隔墙的最大下沉变形区域都集中在头颊部，最大下沉量在150～170 mm之间。这些实测变形的分布规律与有限元法分析得到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均比有限元分析方法得到的理论计算值略大。这一差异现象与多数钢结构工程实测变形与理论变形值关系一致，说明北京新机场核心区钢结构卸荷力与变形理论分析正确合理，卸荷过程正常，力与变形均在安全可控范围内。
图5 卸载后屋面格栅实测变形频谱图
5.2.3 收尾阶段
桁架合拢后，对比三维扫描点云与加深模型球节点三维坐标偏差，并据此绘制垂直偏差等值线谱。从图6可以发现，屋架经过卸载合拢过程后与初始状态相比发生了明显变化，中央天窗整体仍比设计位置低200～260mm，核心区周边有小幅升高，核心区中部大部分区域比设计值低60～140mm。需要指出的是，这里提到的设计值是桁架加深模型的设计值，是包含了反向预变形（也称预拱）值的中间设计位置，并非桁架的最终设计位置。
图6 屋面格栅全封闭后垂直偏差频谱图
5.2.4 加载阶段
屋盖加载结束时，通过对扫描点云提取的球节点三维坐标与设计线模型进行对比，绘制出垂直偏差等值线图（图7）。从云图中可以发现，屋盖钢网架最终的空间形态比设计值低50~110mm，除周边区域略有增加外，局部区域甚至低于此范围。这种现象不仅受到施工条件的复杂性和屋盖结构加载重量的不可预测性的影响，也在一定程度上表明钢结构详细设计模型的预拱设计存在一定的偏差[16]。
图7 顶板加载后期顶板格栅垂直偏差色谱图
6 结论
采用三维激光扫描结合全站仪直接观测反射面或遥测节点球面四点坐标进行数据采集，结合三维点云建模软件Geomagic Wrap、质量分析软件Geomagic Control X、地学分析软件Surfer实现大面积不规则自由曲面钢网架的综合变形监测与可视化分析，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、数据处理与分析方法可在类似的异形复杂钢结构工程中推广应用。
钢结构支撑体系及屋面网架的整个施工过程其实就是一个反向逼近最终设计模型的“找模”过程。由于施工过程的复杂性以及影响网架变形的因素的不确定性，导致屋面网架最终的空间位置与设计位置存在一定的偏差。基于此偏差，可以对钢结构深化模型的预拱设计进行进一步优化，以便将来能够更好地应用于类似的钢结构工程。
参考
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引用格式：董伟东. 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，从事大型土木工程及轨道交通项目测量工作。
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