三維激光測量技術(shù)在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建造中的應(yīng)用

祝明然

(山東省國土測繪院,山東 濟南 250101)

目前大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑多采用核心筒+外框鋼結(jié)構(gòu)+樓承板結(jié)構(gòu)形式，但由于目前國內(nèi)大多數(shù)加工鍛造廠缺少先進有效的誤差檢測、監(jiān)測技術(shù)體系，導(dǎo)致鋼構(gòu)件加工、拼裝、累積等誤差[1]，并造成廢料返工，嚴重影響了施工質(zhì)量，給超高層建筑留下潛在安全隱患。

BIM技術(shù)是以三維動態(tài)顯示為基礎(chǔ)，包含了諸多信息模型[2]。隨著科技發(fā)展，三維激光掃描及BIM技術(shù)逐漸進入汽車、航空、建筑等領(lǐng)域，為大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)超高層工程建造提供了先進有效的技術(shù)手段。地面三維激光掃描誤差包括系統(tǒng)誤差和偶然誤差[3]，距離、水平角、垂直角的測量精度直接影響點位精度[4- 5],經(jīng)檢較后，誤差一般可以控制在毫米級[6]，手持便攜式掃描儀也能控制在0.007 mm以內(nèi)[7- 8]，能很好地滿足大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建造誤差檢測、監(jiān)測要求。

1 方案介紹

1.1 傳統(tǒng)大型復(fù)雜鋼構(gòu)件誤差檢測方案

傳統(tǒng)的測量方法使用游標卡尺、全站儀等工具進行量測，數(shù)據(jù)單一，與鋼構(gòu)件設(shè)計模型比對時，較難確定對齊基準。同時由于鋼構(gòu)件復(fù)雜性的增加及關(guān)鍵尺寸的多次調(diào)整，導(dǎo)致這種測量方法耗時、費力，增加了勞動成本，無法滿足大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)環(huán)境下誤差檢測、監(jiān)測技術(shù)需求。

1.2 基于三維激光掃描技術(shù)的BIM預(yù)制驗證方案

1.2.1 軟硬件系統(tǒng)

(1) 地面三維激光掃描儀、便攜式激光掃描儀(跟蹤儀)、云梯等用于高精度、高密度附帶回光強度信息的鋼結(jié)構(gòu)及復(fù)雜隱蔽節(jié)點三維激光點云獲取。

(2) FARO SCENE、Geomagic Studio、Geomagic Qualify等用于點云去噪、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、誤差分析統(tǒng)。

1.2.2 技術(shù)方法與流程

本文通過試驗和研究，提出了三維激光掃描技術(shù)在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建造中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)流程。首先，通過現(xiàn)場查勘了解大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，合理選配三維激光掃描設(shè)備。在事先BIM預(yù)制驗證中本文主要使用地面三維激光掃描儀，使用便攜式掃描儀及激光跟蹤儀隱蔽盲區(qū)特征量測。復(fù)雜地面對象表面一般采用多測站多視角環(huán)繞式掃描方式，再通過分塊數(shù)據(jù)拼接處理獲得完整表面點云。針對事后焊接拼裝的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)場景，采用三維框架控制掃描技術(shù)[9]，即在實際工程中對工程現(xiàn)場進行整體查勘，繪制布局圖，根據(jù)工程布局復(fù)雜度分別布設(shè)頂面框架控制網(wǎng)及側(cè)面框架控制網(wǎng)，并注重頂面和側(cè)面框架控制網(wǎng)連接站的布設(shè)，靶標或特征控制連接點選取4～5個，以減小點云整體拼接誤差[10]。

其次，利用靶標或特征信息[11- 12]進行分塊點云融合、格式轉(zhuǎn)換、賦色，數(shù)據(jù)量太大時可對融合后點云數(shù)據(jù)進行重分割。目前BIM預(yù)制模型有Revit、Tekla等軟件格式，要在同一框架下與實際掃描點云數(shù)據(jù)比對，需要進行格式轉(zhuǎn)換。以Revit軟件下BIM模型為例，可以選擇實體導(dǎo)出CAD格式(一般為三維多段線，必要時需進行參數(shù)化處理)，然后在Rhino軟件下保存為OBJ通用格式，繼而與噪音、體外孤點、冗余數(shù)據(jù)去除后的修整點云進行最佳擬合，最后進行三維誤差分析。根據(jù)偏差結(jié)果，對鋼構(gòu)件及下一步工程建造計劃及時進行調(diào)整。

最后，為順利實現(xiàn)大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)部件實際掃描三維激光點云數(shù)據(jù)與Revit軟件下BIM預(yù)制模型的坐標統(tǒng)一，將三維激光掃描點云數(shù)據(jù)在Geomagic下進行了坐標系轉(zhuǎn)換、逆向建模等處理，將Revit支持的三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入并進行誤差分析。工藝流程如圖1所示。

2 大型復(fù)雜鋼構(gòu)件部件誤差檢測案例

2.1 方案設(shè)計

超高層建筑云鼎大廈為山東第一高樓，其大型鋼結(jié)構(gòu)部件每段6 m左右，且焊接有牛角等部件。由于國內(nèi)鍛造加工技術(shù)較國外仍有較大差距，這些部件在加工焊接時與BIM預(yù)制模型存在厘米級誤差，在焊接裝配工程建造中又會產(chǎn)生焊接、累積誤差等。本文選用FARO地面三維激光掃描儀及配套FARO SCENE軟件，并將Revit軟件格式的BIM鋼構(gòu)件模型在Rhino軟件下轉(zhuǎn)換至OBJ通用格式；將拼接修整后的完整鋼構(gòu)件三維激光點云數(shù)據(jù)在Geomagic Studio中進行點云冗余、噪點、孤點剔除；再將BIM預(yù)制模型與實際點云數(shù)據(jù)在Geomagic Qualify下進行最佳擬合、坐標系轉(zhuǎn)換，最后進行三維誤差分析。結(jié)果如圖2所示。

2.2 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析以偏差色帶、柱狀圖、統(tǒng)計表等形式直觀展現(xiàn)偏差分布，如圖3和表1所示。

表1 偏差統(tǒng)計

鋼構(gòu)件BIM預(yù)制模型與實際掃描點云實現(xiàn)整體最佳擬合，通過采樣點比對統(tǒng)計，90%以上加工偏差保持在1.5 cm以內(nèi)，經(jīng)檢查，為鋼構(gòu)件添加冗余部件所致。本文工藝流程為大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)部件的偏差檢測提供了科學(xué)有效參考，同時實現(xiàn)了測試模型坐標系與參考模型坐標系的一致性轉(zhuǎn)換，為Revit下逆向模型的導(dǎo)入比對提供了統(tǒng)一坐標框架。

綜上所述，基于三維激光掃描技術(shù)的BIM預(yù)制驗證方案，通過與設(shè)計模型最佳擬合進行三維誤差分析，有效直觀地展示了大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)部件加工誤差，可快速獲取建筑物特征點點云[13]，相比傳統(tǒng)全站儀、游標卡尺量測模式，數(shù)據(jù)更為豐富，展現(xiàn)更為直觀，解決了傳統(tǒng)方式比對基準難以確定的問題，同時通過逆向工程，也為統(tǒng)一框架下BIM預(yù)制模型調(diào)整分析提供了數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。

3 結(jié) 語

本文提出了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建造中鋼構(gòu)件誤差檢測的關(guān)鍵技術(shù)方案，在鋼構(gòu)件加工階段，事先檢測生產(chǎn)模型與BIM預(yù)制模型的符合程度，將鋼結(jié)構(gòu)誤差在設(shè)計階段和生產(chǎn)過程中予以削弱，避免了鋼構(gòu)件在施工地與加工廠之間返工運輸?shù)某杀鞠?，提高了大型?fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建造精度和效率，為以后大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建造提供了先進的技術(shù)支撐和借鑒方案。

未來的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程智能建造及建筑變形監(jiān)測[14]，需要高精度三維激光掃描設(shè)備及完整技術(shù)方案的支撐。如何利用各種精密三維激光掃描設(shè)備搭建完整的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程智能建造監(jiān)測流水線，并突破各領(lǐng)域軟件之間的接口瓶頸，實現(xiàn)統(tǒng)一框架下BIM子模型自動提取[15]與實際掃描逆向工程數(shù)據(jù)及整體大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)模型的無縫快捷對接，是下一步值得研究的重點問題。