基于BIM+三維激光掃描技術(shù)的大跨度轉(zhuǎn)體斜拉橋鋼球鉸精細(xì)化安裝管理研究

郭樹彬

（中鐵二十二局第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000，E-mail：137277398qq.com）

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程的增加，新建橋梁越來(lái)越多地需要跨越既有運(yùn)營(yíng)鐵路線。為了減少橋梁施工對(duì)鐵路的干擾，工程上可以采用轉(zhuǎn)體施工技術(shù)[1]。橋梁轉(zhuǎn)體施工的成敗取決于球鉸，對(duì)球鉸制造及安裝進(jìn)行監(jiān)控是十分必要的[2]。目前，國(guó)內(nèi)橋梁轉(zhuǎn)體工程多通過(guò) BIM 技術(shù)的三維可視化功能建立相關(guān)模型，模擬并指導(dǎo)球鉸安裝。但是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立的BIM模型不能反映球鉸制造和拼裝誤差，無(wú)法快速獲取為彌補(bǔ)相應(yīng)球鉸誤差對(duì)鋼骨架進(jìn)行調(diào)整所需的標(biāo)高數(shù)據(jù)。因此，提出一種將 BIM+三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于球鉸安裝精度控制的新思路。

BIM 技術(shù)結(jié)合三維激光掃描技術(shù)在國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐中已有一定應(yīng)用。秦國(guó)成等[3]利用BIM結(jié)合三維激光掃描技術(shù)采集異形幕墻基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，加快了設(shè)計(jì)周期。周成益[4]在南京祿口機(jī)場(chǎng)T1航站樓改擴(kuò)建工程中應(yīng)用 BIM+三維激光掃描技術(shù)對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行管理，避免了延期、超預(yù)算等問(wèn)題。訾昕媚[5]基于 BIM+三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建了安化縣文廟數(shù)字化文物保護(hù)平臺(tái)。劉莎莎[6]通過(guò)分析三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM模型，快速得到建筑物實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度的精確偏差。張麗等[7]基于移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)，提出了一種可識(shí)別隧道環(huán)片的隧道位移監(jiān)測(cè)方法。上述研究對(duì)于 BIM+三維激光掃描的應(yīng)用提供了有力的參考，但同時(shí)可以看出 BIM+三維激光掃描技術(shù)目前在基建領(lǐng)域多用于建筑設(shè)計(jì)和施工進(jìn)度管理，很少應(yīng)用于橋梁工程。

隨著橋梁結(jié)構(gòu)的日漸復(fù)雜，快速準(zhǔn)確地獲取橋梁構(gòu)件的施工數(shù)據(jù)，提前模擬施工并分析誤差對(duì)于提升橋梁構(gòu)件安裝工程的施工效率具有極大的現(xiàn)實(shí)意義[8-9]。鑒于此，本文通過(guò)對(duì)哈爾濱哈西大街打通工程轉(zhuǎn)體斜拉橋球鉸進(jìn)行三維激光掃描，根據(jù)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立構(gòu)件模型，與前期建立的BIM模型進(jìn)行比對(duì)，獲得球鉸的制造及拼裝誤差；通過(guò)虛擬預(yù)拼裝獲取鋼骨架調(diào)整所需的標(biāo)高，為實(shí)際施工提供參考。

1 工程背景及技術(shù)路線

哈西大街打通工程跨鐵路橋梁全長(zhǎng) 434m，采用（118+198+118）m雙塔雙索面斜拉橋結(jié)構(gòu)，半漂浮支承體系（見(jiàn)圖1）。橋梁跨越哈南站48條鐵路線，鐵路運(yùn)輸繁忙，可供轉(zhuǎn)體施工的天窗期極少。為保證既有鐵路線運(yùn)營(yíng)安全，減少施工過(guò)程對(duì)既有鐵路線的干擾，斜拉橋連續(xù)梁采用轉(zhuǎn)體施工方式。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由下承臺(tái)、球鉸、上承臺(tái)、轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)組成。其中9號(hào)墩轉(zhuǎn)體段長(zhǎng)度196m（97m+99m），需逆時(shí)針轉(zhuǎn)體79.31°；10號(hào)墩轉(zhuǎn)體段轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度204m（97m+107m），需順時(shí)針轉(zhuǎn)體96.12°。

圖1 橋梁示意圖

斜拉橋采用平轉(zhuǎn)法施工[10-11]，所用鋼球鉸直徑為 4500mm，總高度為 890mm，轉(zhuǎn)體重量高達(dá)29500t，球鉸直徑及轉(zhuǎn)體重量均位于國(guó)內(nèi)前列（目前國(guó)內(nèi)球鉸的最大轉(zhuǎn)體重量約為35000t[12]）。受所跨鐵路線限制，本工程為不平衡轉(zhuǎn)體，對(duì)球鉸的安裝精度要求更高，安裝中應(yīng)保證球鉸頂面任意點(diǎn)相對(duì)高差不大于1mm。為了對(duì)球鉸安裝進(jìn)行精確控制及施工質(zhì)量及安全管理，對(duì)鋼球鉸實(shí)施三維激光掃描，并根據(jù)所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立模型，通過(guò)模型的虛擬預(yù)拼裝獲取球鉸支架調(diào)整數(shù)據(jù)以指導(dǎo)實(shí)際安裝工作。并根據(jù)工程實(shí)際情況，提出了相應(yīng)的質(zhì)量管理與安全管理方法。

在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)過(guò)程中，為了保證掃描精度，使得相應(yīng)的掃描結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際工程中構(gòu)件的制造誤差和安裝誤差，需要對(duì)三維激光掃描的過(guò)程制定精細(xì)化管理流程，并依照過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行。具體技術(shù)路徑如圖2所示。

圖2 技術(shù)路徑圖

2 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用流程管理

三維激光掃描技術(shù)通過(guò)處理現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)形成可應(yīng)用成果。本次掃描使用萊卡TS60超高精度全站儀進(jìn)行，其角度測(cè)量精度為0.15mgon，單次距離測(cè)量精度為0.6mm，掃描速度為30000點(diǎn)/秒[13]。

為保證后期數(shù)據(jù)處理精度，在完成儀器架設(shè)和定視定向后，首先對(duì)儀器坐標(biāo)系進(jìn)行校對(duì)，再對(duì)下承臺(tái)及鋼骨架進(jìn)行掃描以確定鋼球鉸安裝環(huán)境。鋼球鉸的上鉸盤及下鉸盤加工完成后會(huì)在廠家進(jìn)行拆分以滿足運(yùn)輸需求，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，待球鉸組裝完成后分別對(duì)上、下鉸盤進(jìn)行掃描。為了提高掃描精細(xì)度，每個(gè)掃描目標(biāo)周邊均架設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，并按逆時(shí)針?lè)较蛞来芜M(jìn)行掃描，以保證相鄰測(cè)點(diǎn)直接掃描重復(fù)率達(dá)到50%以上。全站儀通過(guò)距離定義掃描點(diǎn)間隔，設(shè)置斜距為 3.5806m、水平間隔為0.020m、垂直間隔為 0.020m，設(shè)置掃描范圍為300m。全站儀在各個(gè)測(cè)站的設(shè)置參數(shù)與架設(shè)信息需要實(shí)時(shí)記錄[14]。

掃描完成后將獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 3D Reshaper軟件中進(jìn)行預(yù)處理，由于從不同測(cè)站所獲取的數(shù)據(jù)相對(duì)獨(dú)立，在掃描完成后需要在同一坐標(biāo)系中進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接。本次數(shù)據(jù)處理采用標(biāo)靶拼接的方式，選取處于相鄰測(cè)站重復(fù)掃描范圍內(nèi)的特定反射目標(biāo)作為參照點(diǎn)，通過(guò)軟件利用掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高對(duì)比度特性對(duì)多測(cè)點(diǎn)掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)拼接。在實(shí)際操作中，完成單個(gè)掃描對(duì)象6個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)拼接工作花費(fèi)的時(shí)間約為 10分鐘，圖像拼接誤差不超過(guò)1mm。拼接完成后得到單個(gè)目標(biāo)的一組整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以下球鉸為例，點(diǎn)云拼接完成后的效果圖如圖3。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果圖

由于掃描環(huán)境的限制，掃描過(guò)程中不可避免地會(huì)生成掃描物體之外的干擾點(diǎn)，同時(shí)物體本身反射特性的不均勻還會(huì)導(dǎo)致偏差點(diǎn)的出現(xiàn)，影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理質(zhì)量[15~17]。為了保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)達(dá)到一定的精度，需要對(duì)干擾點(diǎn)和偏差點(diǎn)進(jìn)行剔除，即降噪工作。在本工程的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，通過(guò)利用不同掃描區(qū)域反射強(qiáng)度值的不同對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分割，通過(guò)設(shè)置反射強(qiáng)度閾值對(duì)分割后得到的各部分點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理，使需要預(yù)安裝、拼合的構(gòu)件點(diǎn)云數(shù)據(jù)得以保留。并通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別分類，糾正獲取的圖像。

完成數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用Autodesk 3ds Max軟件建立具有制造誤差和拼裝誤差的球鉸真實(shí)模型，并通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)共同保證模型的準(zhǔn)確性與完整性，如圖4所示。

圖4 鋼球鉸各構(gòu)件三維激光掃描模型與BIM模型對(duì)比圖

3 鋼球鉸加工精度檢驗(yàn)

將通過(guò)三維激光掃描技術(shù)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)所建立的鋼球鉸各構(gòu)件模型與根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙利用BIM技術(shù)建立的三維模型進(jìn)行對(duì)比，分析相應(yīng)的制造誤差與安裝誤差（見(jiàn)圖 4），模型偏差統(tǒng)計(jì)如表1所示。通過(guò)對(duì)鋼球鉸各部件的尺寸、部分對(duì)角距離進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，測(cè)量精度需達(dá)到0.1mm以下，以檢驗(yàn)各構(gòu)件的加工精度是否滿足要求。

表1 模型偏差統(tǒng)計(jì)表 （%）

通過(guò)圖4可知鋼球鉸各構(gòu)件均存在正、負(fù)偏差，但偏差值絕對(duì)值均小于1mm。其中鋼球鉸鋼骨架的加工誤差在-0.8~0.6mm范圍內(nèi)，偏差所占比例為7.82%；上鉸盤的加工誤差在-0.7~0.4mm范圍內(nèi)，偏差所占比例為9.32%；下鉸盤的加工誤差在-0.3~0.5mm范圍內(nèi)，偏差所占比例為8.28%?？傮w來(lái)看，鋼球鉸各構(gòu)件偏差所占比例不超過(guò)9.5%，且任意兩點(diǎn)之間加工偏差不超過(guò)1mm，處于加工誤差允許范圍內(nèi)，表明構(gòu)件滿足施工使用要求。

4 基于模擬預(yù)安裝的施工質(zhì)量及安全管理

4.1 模擬預(yù)拼裝

對(duì)使用三維激光掃描技術(shù)所獲得的單體構(gòu)件模型進(jìn)行施工預(yù)安裝模擬，選取承臺(tái)模型頂面作為參照平面，其他構(gòu)件模型依次按照先安裝鋼骨架，再安裝下鉸盤，最后吊裝上鉸盤的施工順序依次安裝、拼合如圖5所示。拼裝完成后對(duì)整體模型的空間關(guān)系進(jìn)行分析，通過(guò)將根據(jù)三維激光掃描所獲點(diǎn)云建立的帶有制造誤差的模型與根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立的精確的 BIM 模型進(jìn)行對(duì)比，獲取安裝偏差情況，同時(shí)以球鉸中心銷軸為原點(diǎn)，以東西方向和南北方向?yàn)樽鴺?biāo)軸，推算出鋼骨架關(guān)鍵控制點(diǎn)可滿足安裝精度需求的位置坐標(biāo)如表2所示。

圖5 完成虛擬安裝的鋼球鉸整體模型與BIM模型對(duì)比圖

表2 鋼骨架定位坐標(biāo)表

在實(shí)際施工時(shí)，通過(guò)調(diào)整螺栓將鋼骨架關(guān)鍵控制點(diǎn)按預(yù)拼裝中獲取的坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，直至達(dá)到要求值以平衡球鉸的制造及拼裝誤差，使球鉸在安裝工作過(guò)程中能夠一次性滿足安裝精度要求，避免反復(fù)調(diào)整高程對(duì)球鉸帶來(lái)?yè)p傷。

4.2 球鉸安裝管理

本工程中球鉸安裝的大致過(guò)程如下：在下球鉸混凝土澆注完成后，清理下球鉸頂面，在銷軸孔涂抹一層黃油，將定位軸吊入孔內(nèi)，并保證銷軸中線垂直。人工檢查并在確保球鉸表面及安裝聚四氟乙烯滑動(dòng)片的孔內(nèi)沒(méi)有任何雜物后，并將球面吹干，根據(jù)聚四氟乙烯滑動(dòng)片的編號(hào)將其安放在相應(yīng)的鑲嵌孔內(nèi)。在聚四氟乙烯滑動(dòng)片安裝完成后，于球面上各聚四氟乙烯滑動(dòng)片間，涂抹黃油聚四氟乙烯粉，使黃油聚四氟乙烯粉均勻填充滿聚四氟乙烯滑動(dòng)片之間的空間，并略高于聚四氟乙烯滑動(dòng)片，保證聚四氟乙烯滑動(dòng)片頂面有一層黃油聚四氟乙烯粉。為上球鉸安裝做好準(zhǔn)備。

在等待上球鉸安裝過(guò)程應(yīng)保持球面清潔，并安排專人全程監(jiān)督球鉸清潔情況，嚴(yán)禁施工過(guò)程中將雜物帶至球面上。待相關(guān)準(zhǔn)備工作完成后，將上球鉸吊起，在凸球面上涂抹一層黃油聚四氟乙烯粉，然后將上球鉸對(duì)準(zhǔn)中心銷軸輕落至下球鉸上，微調(diào)上球鉸位置，使之水平并與下球鉸外圈間隙一致，去除被擠出的多余黃油，并用寬膠帶將上下球鉸邊緣的縫隙密封，防止雜物進(jìn)入球鉸摩擦部分。至此，完成球鉸安裝工作。

4.3 安全管理

球鉸施工安全問(wèn)題是影響本工程是否能順利完成的重要因素[18，19]。在模擬預(yù)安裝的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際施工時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)因吊裝時(shí)吊鉤脫落、施工機(jī)械相互碰撞、施工機(jī)械在施工過(guò)程中出現(xiàn)故障等引起的安全問(wèn)題，為了防止相關(guān)安全問(wèn)題在實(shí)際施工時(shí)發(fā)生，對(duì)所預(yù)見(jiàn)的安全問(wèn)題進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判定并制定了以下安全措施和緊急處理：

（1）進(jìn)行全員安全生產(chǎn)教育，并對(duì)參與現(xiàn)場(chǎng)工作的施工人員配套完整安保設(shè)備，如安全帽、安全帶、安全鞋、急救設(shè)備等。

（2）起吊時(shí)采用卡環(huán)和安全吊鉤，不得采用牽引起吊，吊起球鉸盤時(shí)應(yīng)先在較低位置處停留，待球鉸盤基本停止晃動(dòng)時(shí)再進(jìn)行下一步操作。

（3）球鉸安裝施工前應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，如發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)維修或更換施工設(shè)備。

（4）球鉸安裝對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間把控能力要求較高，具有一定的時(shí)間敏感性，因此對(duì)于施工過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)當(dāng)增加備用設(shè)備。

（5）為了保證球鉸周邊結(jié)構(gòu)物施工不影響球鉸鋼骨架的調(diào)整精度，在球鉸周邊施工相關(guān)結(jié)構(gòu)物時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)球鉸鋼骨架所在位置的位移情況。

（6）對(duì)于重要的施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)物，必須由工程、質(zhì)檢、安全及監(jiān)理等人員進(jìn)行檢查驗(yàn)收[20]，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題必須整改，整改合格后方可進(jìn)行下一步施工。

（7）通過(guò)在模擬安裝過(guò)程中預(yù)先分析各工序中可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題，制訂緊急事故處理對(duì)策，對(duì)各種事故的處理要有明確規(guī)定，并研討防范及應(yīng)對(duì)措施，確保一旦出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能夠沉著應(yīng)對(duì)、及時(shí)解決，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目安全管理無(wú)漏洞的目標(biāo)。

4.4 質(zhì)量管理

為了保證球鉸安裝的精確性及安裝質(zhì)量，采取了以下措施：

（1）做好人員培訓(xùn)工作。由于應(yīng)用了BIM+三維激光掃描技術(shù)，基本消除了鋼球鉸自身制造誤差的影響，因此在鋼球鉸實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制人為誤差影響。通過(guò)施工模擬系統(tǒng)預(yù)演施工過(guò)程，對(duì)所有參與球鉸安裝工作的人員進(jìn)行施工培訓(xùn)，模擬施工過(guò)程，使相關(guān)工作人員熟悉相應(yīng)的施工流程和控制參數(shù)。

（2）做好現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控工作。如現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了人為的安裝偏差，可根據(jù)預(yù)安裝控制參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行糾偏調(diào)整。通過(guò)采用先進(jìn)的、可靠有效的控制方法，實(shí)現(xiàn)可調(diào)變量的最優(yōu)調(diào)整值或控制參數(shù)的超前預(yù)控制。由于鋼球鉸為各個(gè)構(gòu)件依次安裝，使得球鉸安裝工作的施工誤差具有累積性。因此通過(guò)精密儀器嚴(yán)格控制初始構(gòu)件的安裝誤差是十分必要的，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)全站器等設(shè)備保證安裝精度。同時(shí)還需要在現(xiàn)場(chǎng)配備經(jīng)驗(yàn)豐富、具有高度責(zé)任心的監(jiān)控人員。

（3）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理工作。在施工前與鐵路部門溝通協(xié)調(diào)，確定最佳的施工時(shí)間，以防止火車行駛過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)，影響鋼球鉸的安裝質(zhì)量。同時(shí)，施工過(guò)程中在關(guān)鍵控制崗位上設(shè)專職人員進(jìn)行管控，保證施工嚴(yán)格依照預(yù)定方案執(zhí)行。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于 BIM+三維激光掃描技術(shù)的大跨度不平衡轉(zhuǎn)體斜拉橋鋼球鉸精細(xì)化安裝管理方法，并在實(shí)際工程中進(jìn)行了應(yīng)用和驗(yàn)證，較好地滿足了球鉸安裝工作的精度要求。應(yīng)用基于BIM+三維激光掃描技術(shù)的大跨度不平衡轉(zhuǎn)體斜拉橋鋼球鉸精細(xì)化安裝管理方法能夠?qū)⑶蜚q安裝誤差控制在 1mm范圍內(nèi)，證明了該方法的高效性和準(zhǔn)確性。該方法通過(guò)應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)獲取了帶有構(gòu)件自身誤差的球鉸真實(shí)模型，解決了現(xiàn)有BIM技術(shù)不能考慮球鉸制造及安裝誤差的問(wèn)題。通過(guò)三維激光掃描技術(shù)獲取的球鉸真實(shí)模型與根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立的球鉸精確模型的對(duì)比可知，球鉸制造誤差所占比例在 8%左右，可見(jiàn)考慮球鉸制造誤差及安裝誤差是十分必要的。