三維激光掃描技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字模擬預(yù)拼裝方面的應(yīng)用

高 騰 季 峰 王春林 王 巖

中建鋼構(gòu)有限公司 江蘇 靖江 214532

鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝是在現(xiàn)場(chǎng)安裝之前鋼構(gòu)件檢驗(yàn)的一項(xiàng)重要措施。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體預(yù)拼裝雖然最接近現(xiàn)場(chǎng)安裝，但是需要消耗大量的人力、材料、設(shè)備以及相應(yīng)大小的場(chǎng)地（圖1），占鋼構(gòu)件制造總成本的10%～25%。然而常規(guī)的數(shù)字模擬預(yù)拼裝技術(shù)在彌補(bǔ)了不足的同時(shí)，也存在著不直觀、不精確等問(wèn)題。本文引入三維激光掃描技術(shù)探索數(shù)字模擬預(yù)拼裝的新方法。

圖1 實(shí)體預(yù)拼裝現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

1 原理與分析

近年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)模擬預(yù)拼裝中出現(xiàn)的數(shù)字模擬預(yù)拼裝的方法，其基本思路是通過(guò)對(duì)預(yù)拼裝的構(gòu)件進(jìn)行數(shù)碼相機(jī)拍照、全站儀測(cè)量等工作，將圖像、坐標(biāo)等數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，與預(yù)先存入計(jì)算機(jī)的理論坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比的偏差就是構(gòu)件預(yù)拼裝的誤差，再與實(shí)際工藝要求的構(gòu)件拼裝可允許最大誤差進(jìn)行對(duì)比。但是此種方法的結(jié)果不盡如人意，首先，一個(gè)工程的構(gòu)件數(shù)量眾多，海量的定位點(diǎn)、特征點(diǎn)均需人工操作，工作量巨大；再者，所有的測(cè)量數(shù)據(jù)被輸入計(jì)算機(jī)，只是進(jìn)行實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比，真實(shí)的拼裝效果讓人質(zhì)疑。

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字模擬預(yù)拼裝的原理，是利用其能在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量出千萬(wàn)級(jí)數(shù)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而快速?gòu)?fù)制出鋼構(gòu)件的三維點(diǎn)云模型。將不同編號(hào)構(gòu)件的點(diǎn)云模型導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，再按照工藝設(shè)計(jì)的定位點(diǎn)建立模型坐標(biāo)系，將不同坐標(biāo)系狀態(tài)下構(gòu)件的點(diǎn)云模型統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬預(yù)拼裝。

2 作業(yè)流程

利用三維激光掃描進(jìn)行數(shù)字模擬預(yù)拼裝的作業(yè)流程主要分為預(yù)拼裝方案的制訂、外業(yè)點(diǎn)云采集和內(nèi)業(yè)模型處理三大部分。

2.1 預(yù)拼裝方案的制訂

根據(jù)實(shí)際工程量、構(gòu)件結(jié)構(gòu)情況、制作周期和掃描任務(wù)量等重要因素，制訂預(yù)拼裝方案。

在方案制訂過(guò)程中，要事先收集工藝設(shè)計(jì)CAD圖紙，單根構(gòu)件至少獲取3個(gè)定位點(diǎn)的位置信息（圖2），并與車間生產(chǎn)確定單根構(gòu)件的制作完成時(shí)間，把所獲信息按照構(gòu)件編號(hào)在Excel中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。然后將單根構(gòu)件信息的Excel統(tǒng)計(jì)表，按照預(yù)拼裝單元進(jìn)行分組分類。

圖2 構(gòu)件定位點(diǎn)分布

2.2 外業(yè)點(diǎn)云采集

本文中外業(yè)點(diǎn)云采集的儀器為L(zhǎng)EICA P40三維激光掃描儀，是一臺(tái)脈沖式三維激光掃描儀。

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)考察

現(xiàn)場(chǎng)考察要結(jié)合預(yù)拼裝方案、構(gòu)件加工制作的圖紙，重點(diǎn)確定現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件的定位點(diǎn)。掃描作業(yè)周圍環(huán)境應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，避免過(guò)多的振動(dòng)、干擾，在構(gòu)件周圍留出足夠的工作空間以便設(shè)站。測(cè)量過(guò)程中，構(gòu)件不能發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。掃描作業(yè)一般發(fā)生在構(gòu)件堆場(chǎng)，還需確認(rèn)掃描作業(yè)周圍的安全情況。

2.2.2 設(shè)站方案

對(duì)于單根構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)掃描，關(guān)鍵在于確保鋼構(gòu)件定位點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，其次再確定測(cè)站與標(biāo)靶的位置。測(cè)站應(yīng)盡量設(shè)在能對(duì)構(gòu)件觀察較為全面的位置并避免過(guò)多設(shè)站（圖3）。此部分方案的制訂多以現(xiàn)場(chǎng)草圖的形式在原始記錄上反映。圖3中設(shè)站方案2優(yōu)于方案1。

圖3 設(shè)站方案

2.2.3 標(biāo)靶放置

在預(yù)拼裝過(guò)程中，標(biāo)靶分為拼接標(biāo)靶和預(yù)拼裝標(biāo)靶。兩者的位置的變化需要隨時(shí)反映在掃描方案的草圖中，以便后續(xù)出現(xiàn)異常情況時(shí)進(jìn)行查證。

拼接標(biāo)靶是兩站之間拼接的重要依據(jù)，應(yīng)選擇穩(wěn)定、方便觀測(cè)的地點(diǎn)設(shè)立標(biāo)靶。2個(gè)標(biāo)靶應(yīng)拉開(kāi)距離，以便提升拼接精度，如在測(cè)量過(guò)程中需要增加標(biāo)靶，可在某一站位置獲取共用標(biāo)靶后，再次獲取新增標(biāo)靶，在下一站再次掃描新增標(biāo)靶，確保兩站之間正常拼接，一般兩站之間的拼接標(biāo)靶為2枚。

預(yù)拼裝標(biāo)靶是在構(gòu)件定位點(diǎn)上粘貼的紙標(biāo)靶，其特征參數(shù)與拼接標(biāo)靶相同，其與拼接標(biāo)靶同步掃描但要分開(kāi)命名，預(yù)拼裝標(biāo)靶可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置3～5枚。

2.2.4 參數(shù)設(shè)置

按照設(shè)站方案架設(shè)三維激光掃描儀，調(diào)整水平和水平補(bǔ)償，確保儀器在整個(gè)掃描作業(yè)過(guò)程中保持穩(wěn)定狀態(tài)，并設(shè)置掃描精度、標(biāo)靶類型、掃描范圍、拍照像素等參數(shù)。構(gòu)件掃描距離一般都在10 m以內(nèi)，可適當(dāng)降低掃描精度、減少掃描范圍以提高掃描作業(yè)效率。

2.2.5 掃描（并拍照）

啟動(dòng)掃描作業(yè)后儀器處于閉環(huán)系統(tǒng)，儀器會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)掃描并進(jìn)行拍照，可通過(guò)設(shè)置進(jìn)行局部精細(xì)掃描，構(gòu)件掃描作業(yè)完成后再進(jìn)行標(biāo)靶的掃描，拍照可以用于建立三維模型的紋理映射。

2.3 內(nèi)業(yè)模型處理

本文中內(nèi)業(yè)模型處理軟件為Cyclone軟件，主要進(jìn)行模型輸出、坐標(biāo)系建立、模擬拼裝和分析比對(duì)四部分內(nèi)容。

2.3.1 模型輸出

在Cyclone軟件中，利用拼接標(biāo)靶自動(dòng)將不同測(cè)站掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成單根構(gòu)件的完整點(diǎn)云模型，并用Unify功能自動(dòng)優(yōu)化去除重復(fù)冗余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

在保證構(gòu)件數(shù)據(jù)完整性的情況下，進(jìn)行降噪處理，將與構(gòu)件本體無(wú)關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)刪除，再對(duì)構(gòu)件的點(diǎn)云模型按照比例進(jìn)行抽稀輸出，輸出的點(diǎn)云模型優(yōu)先選擇PTX文件格式。

按照上述方法步驟，依次對(duì)掃描的構(gòu)件點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理輸出，輸出的點(diǎn)云模型要按照構(gòu)件編號(hào)進(jìn)行命名，并按照預(yù)拼裝內(nèi)容需要進(jìn)行分組存儲(chǔ)。

2.3.2 坐標(biāo)系建立

按照預(yù)拼裝分組情況，依次在設(shè)計(jì)模型中找出預(yù)拼裝標(biāo)靶（即構(gòu)件制作定位點(diǎn)）坐標(biāo)值并按順序輸入TXT文檔中，坐標(biāo)點(diǎn)的命名要和預(yù)拼裝標(biāo)靶保持一致。

2.3.3 模擬拼裝

在Cyclone軟件中，重新將分組完成的構(gòu)件點(diǎn)云模型和與之對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值TXT文檔同步導(dǎo)入新建的Registration程序中，程序?qū)?huì)按照坐標(biāo)值TXT文檔建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系，構(gòu)件上坐標(biāo)點(diǎn)會(huì)以最小綜合誤差自動(dòng)坐落于坐標(biāo)系中，從而自動(dòng)完成模型的拼接，并給出參與拼接的全部預(yù)拼裝標(biāo)靶點(diǎn)的誤差統(tǒng)計(jì)。當(dāng)拼接的最大誤差出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)返回檢查預(yù)拼裝標(biāo)靶的順序、位置。

2.3.4 分析比對(duì)

分析比對(duì)的平臺(tái)基于Geomagic Control 軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析處理功能，待測(cè)模型是由Cyclone軟件輸出的點(diǎn)云模型，參照模型是鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝的CAD理論模型。

經(jīng)過(guò)Cyclone軟件輸出的點(diǎn)云模型需要在Geomagic Control 軟件中進(jìn)行二次處理。對(duì)導(dǎo)入Geomagic Control 的待測(cè)模型進(jìn)行著色、二次降噪和排除體外孤點(diǎn)等操作，處理無(wú)序點(diǎn)云的法線信息，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)移至統(tǒng)一的正確位置以彌補(bǔ)掃描儀的誤差，并刪除與大多數(shù)點(diǎn)存在明顯偏差的點(diǎn)，這樣點(diǎn)的排序會(huì)更加平滑規(guī)整。

在模型比對(duì)時(shí)，要將參照模型設(shè)置為數(shù)字?jǐn)M合的標(biāo)準(zhǔn)模型，然后才能進(jìn)行數(shù)字?jǐn)M合參數(shù)的設(shè)置。參數(shù)需要根據(jù)預(yù)拼裝構(gòu)件的尺寸大小、空間結(jié)構(gòu)形式、拼裝精度要求等因素進(jìn)行設(shè)置。測(cè)頭半徑?jīng)Q定比對(duì)的精細(xì)程度，主要的比較方法有對(duì)稱性分析、自動(dòng)偏差校準(zhǔn)、高精度對(duì)齊和微調(diào)試等。其中對(duì)稱性分析和自動(dòng)偏差校準(zhǔn)聯(lián)合使用較多，它可以三維立體分析預(yù)拼裝整體或局部的對(duì)稱性并自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)，使得待測(cè)模型和理論模型能夠進(jìn)行最大化的數(shù)字?jǐn)M合（圖4）。圖4中，紅色部分為待測(cè)模型，黃色部分為參照模型。

圖4 點(diǎn)云模擬數(shù)字?jǐn)M合效果圖

通過(guò)輸入上下偏差臨界值、色譜顏色段等參數(shù)，Geomagic Control軟件自動(dòng)計(jì)算出平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和RMS估計(jì)值等數(shù)據(jù)，繪制3D比較色譜分析圖（圖5），并自動(dòng)生成3D比較分析報(bào)告。當(dāng)從分析報(bào)告中查出預(yù)拼裝偏差超過(guò)設(shè)計(jì)及規(guī)范要求時(shí)，可以及時(shí)通知相關(guān)方面采取校正措施。

圖5 3D比較色譜分析圖

3 應(yīng)用實(shí)例

以阿爾及爾機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目桁架某軸6～9節(jié)預(yù)拼裝為例，該項(xiàng)目為大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程，構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接點(diǎn)較多，并且縱橫交錯(cuò)的圓管使掃描難度加大。

單根構(gòu)件掃描測(cè)站為4站，4根構(gòu)件掃描測(cè)站共計(jì)16站。構(gòu)件掃描過(guò)程中存在振動(dòng)、周圍操作空間不足等情況，使掃描精度略微受到影響。在每根構(gòu)件上選取3個(gè)定位點(diǎn)作為預(yù)拼裝標(biāo)靶點(diǎn)并粘貼紙標(biāo)靶（圖6）。

圖6 預(yù)拼裝標(biāo)靶

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別按照構(gòu)件編號(hào)進(jìn)行命名，再逐一進(jìn)行拼接、優(yōu)化、降噪和抽稀處理，最終輸出單根構(gòu)件的點(diǎn)云模型（圖7），圖7中的D、E、F點(diǎn)即為所選取的預(yù)拼裝坐標(biāo)點(diǎn)。

圖7 構(gòu)件的點(diǎn)云模型

按照預(yù)拼裝標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)值TXT文檔建立統(tǒng)一坐標(biāo)系完成模擬預(yù)拼裝（圖8），參與拼接的全部預(yù)拼裝標(biāo)靶點(diǎn)最大拼接誤差為2 mm。

圖8 模擬預(yù)拼裝

此外，該工程還采用了將實(shí)體預(yù)拼裝和模擬預(yù)拼裝相結(jié)合的方式，充分比較分析構(gòu)件的預(yù)拼裝情況。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字模擬預(yù)拼裝，改善了常規(guī)模擬預(yù)拼裝數(shù)據(jù)采集信息量小、比對(duì)方法單一、測(cè)量精度不高、工作量大等問(wèn)題；相比較鋼構(gòu)件的實(shí)體預(yù)拼裝，其在節(jié)省時(shí)間、人工和機(jī)械設(shè)備使用方面的優(yōu)勢(shì)更為突出。

與此同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用也存在著不足之處：一是在模擬預(yù)拼裝的過(guò)程中無(wú)法計(jì)算由于構(gòu)件自身重力而產(chǎn)生的變形；二是測(cè)量設(shè)備價(jià)格偏高，前期投入較大。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)狀況，數(shù)字模擬預(yù)拼裝正處于改進(jìn)發(fā)展階段，建議采用將實(shí)體預(yù)拼裝和模擬預(yù)拼裝相結(jié)合的方式進(jìn)行，兩者在鋼結(jié)構(gòu)工程的預(yù)拼裝中各占一定的比例，互相彌補(bǔ)，互相驗(yàn)證。