3D掃描技術在2022世界杯主場館鋼結構施工中的應用

吳晶晶，蔣承威，郭 靜，胡 勇

(精工國際鋼結構有限公司，上海 201100)

0 引言

在大型體育場的建設過程中，為了滿足結構的設計美感，往往會出現(xiàn)一些大型、異形的鋼構件，如何控制它們的加工精度及安裝定位是施工過程中的一個重難點[1]。傳統(tǒng)的全站儀測量不能滿足復雜空間結構對精度控制的要求。利用三維激光掃描儀對鋼構件進行三維掃描測量，得到鋼構件精確的點云模型，然后通過軟件分析得出鋼構件的偏差，無論是在初期控制鋼構件的加工精度，還是實際施工過程中對安裝精度的控制，都起了傳統(tǒng)測量無法比擬的作用[2]。

1 3D掃描的技術原理

三維激光掃描儀由脈沖式激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)組成。激光測距系統(tǒng)向目標物體發(fā)出脈沖信號，然后接收被測物反射的信號，通過時間差計算出目標物體的距離；同時激光掃描系統(tǒng)發(fā)出激光脈沖信號，通過控制掃描儀的豎向旋轉和水平旋轉，記錄被測物的掃描角度。根據以上的兩種測量數(shù)據，掃描儀便能在自己的坐標系下獲取目標物體表面各點的空間坐標，并構造出目標物的三維模型，其掃描結果直接顯示為點云，利用三維激光掃描技術獲取的空間點云數(shù)據，可快速建立結構復雜、不規(guī)則場景的三維可視化模型，既省時省力，又精確直觀[3-4]。

2 工程概況

在2022年卡塔爾世界杯主體育場盧賽爾(Lusail)體育場鋼結構施工過程中，當?shù)貥I(yè)主十分注重鋼結構的安裝精度。由于體育場主體鋼結構本身體量大，結構異形，結構模塊質量大，所以業(yè)主的超高精度要求給鋼結構施工提出了很大的挑戰(zhàn)。體育場鋼結構如圖1所示。而該體育場主體鋼結構需要進行多步協(xié)同、多分包協(xié)同的施工方案，所以鋼結構部分從拼裝到安裝的全施工過程中都要及時準確掌握每個鋼構件的變形，僅憑全站儀的測量已經無法滿足現(xiàn)場大型鋼結構測量的需要。綜合考慮，采用3D掃描儀配合全站儀進行鋼結構的整體測量與監(jiān)控。

圖1 盧賽爾體育場主體鋼結構示意

考慮到該項目為大型鋼結構項目，安裝完成的V柱最高點距地面超過40m，為了滿足這種大跨度鋼結構的三維測量，采用了FARO S150 三維掃描儀。FARO S150的測距范圍為0.6～150m，整體的三維位置精度可以達到2mm@10m/3.5mm@25m，儀器自帶的彩色16 500萬像素可以完美的采集V柱表面的各點坐標。除此之外，卡塔爾當?shù)靥鞖庋谉?，夏季最高溫度可達到50℃，而且施工現(xiàn)場灰塵較多，但是FARO S150 三維掃描儀工業(yè)標準異物防護 (IP) 等級達到IP54級，憑借密封型設計，可防止泥土、灰塵、霧和雨水以及其他常見的戶外異物侵入掃描設備。不僅如此，其更大的工作溫度范圍允許在極端環(huán)境(如沙漠)中進行掃描。這些因素也使FARO S150 三維掃描儀更好地契合了此項目。

3 單個構件精度檢查

由于工廠加工出現(xiàn)偏差，或者構件經過長時間海運受到了一些擠壓變形，一些構件在現(xiàn)場安裝時不能滿足要求。此時就需要對構件進行3D掃描來分析是否產生變形，同時根據這些構件的變形趨勢調整后續(xù)的安裝，以避免誤差累積[5]。

首先在拼裝胎架上找到該構件，去除掉現(xiàn)場一些不必要的障礙，同時設置好標靶球并對其進行整體掃描。掃描結束后，將掃描文件導入FARO SCENE軟件中，對每次獲取的點云數(shù)據拼接并進行預處理，刪除不必要的點云數(shù)據以及噪點，最終獲得單個構件的表面點云數(shù)據，如圖2所示。

圖2 3D掃描點云模型以及設計模型

在得到圖2的2個模型后，就可以在軟件中將2種模型進行最佳擬合配準，最終得到誤差分析結果，如圖3、表1所示。

圖3 節(jié)點3D掃描控制

表1 節(jié)點3D掃描誤差 mm

從圖3、表1可以看出，該構件牛腿處和索孔處誤差較小，均在10mm以內，此時可以依據這個誤差分析進行安裝調整，后續(xù)的拼裝可以采取相應措施來減少誤差累積。

4 吊裝單元精度檢查

盧賽爾體育場壓環(huán)共有24個吊裝單元，為了檢查每個吊裝單元的拼裝精度，需要在吊裝前對每個吊裝單元進行3D掃描。由于單個壓環(huán)吊裝單元長度達40m，高度約10m，所以采用多次閉合掃描的方法爭取覆蓋整個壓環(huán)，如圖4所示。

圖4 掃描設站分布

由于一個壓環(huán)至少需要20次掃描，所以每次掃描的重疊率、布站原則、平衡和標靶球的連接是保證點云準確性的重要參數(shù)。每次掃描前需提前規(guī)劃好掃描路徑，避開障礙物。由于壓環(huán)的跨度較大，每次布站的距離不應太遠，這樣可以確保相鄰掃描之間有足夠又穩(wěn)定的標靶球來合并。本項目一般3～5m布置一個站點，最后形成一個閉合圈，既保證了掃描的完整性也保證了相鄰掃描之間的重疊率。

在得到相應壓環(huán)的點云模型后，需要在軟件中進行一些相應的預處理，包括：掃描精度校核[6]、降噪以及刪除不必要的點云，最后在軟件中進行整體點云模型優(yōu)化，得到最終壓環(huán)的三維模型。

整榀壓環(huán)的拼裝控制從下片拼裝開始。下片在胎架上焊接完畢后，進行一次全方位掃描，把點云模型與設計模型對比，分析下片的變形量。完成點云模型優(yōu)化后，導入設計模型，通過軟件的最佳擬合配比和一些手動調整，最終得出壓環(huán)下片的誤差。

整個下片的拼裝控制重點為牛腿和索孔處(屋面索網系統(tǒng)在壓環(huán)上的連接耳板)，牛腿的拼裝精度直接影響吊裝時與V柱的連接，索孔則是為將來索膜結構的安裝做準備。經分析，該壓環(huán)下片整體拼裝，63.4%的點云都在±5mm的誤差范圍內，主要位置牛腿和索孔處拼裝精度良好，無較大偏差的點云，能夠滿足現(xiàn)場的精度要求。

通過3D掃描，可以實時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場拼裝過程中出現(xiàn)的偏差并提出修改，保證上下片的拼裝精度，為之后整榀壓環(huán)的拼裝打下基礎。焊接完畢后的整榀壓環(huán)點云模型如圖5所示。

圖5 整榀壓環(huán)點云模型

在進行預處理后，重復之前的步驟，將整榀壓環(huán)的點云模型與設計模型進行對比，檢查整榀壓環(huán)的拼裝精度，分析上下片是否在整體拼裝中發(fā)生了變形。

經檢查，整榀壓環(huán)的拼裝誤差主要在±5mm區(qū)間內，壓環(huán)的牛腿和索孔基本就位，主弦桿情況良好。由此可知，在整榀壓環(huán)拼裝中，只有一步一步對上下片分別進行掃描分析，過程中不斷地控制拼裝精度，才能使最終整體的拼裝結果滿足吊裝要求，為吊裝后的焊接提供基礎。

5 虛擬預拼裝

5.1 壓環(huán)虛擬吊裝

3D掃描除用于檢查單個構件加工精度和分析吊裝單元的拼裝誤差外，應用最廣的是現(xiàn)場虛擬吊裝。

V柱吊裝完畢后，進行24榀大型壓環(huán)的吊裝。壓環(huán)與V柱高空對接，最多時有近30個對接口，而每個對接口的錯邊要求不超過±3mm。因此，必須要有高精度的測控設備，使得任何偏差都在高空安裝之前發(fā)現(xiàn)并解決。這一過程已經超過了全站儀的工作精度，采用3D掃描儀來進行這一吊裝過程的模擬。

首先，需要同時獲得V柱上部端口的點云數(shù)據以及地面壓環(huán)的點云數(shù)據。地面壓環(huán)的數(shù)據采集相對簡單，但是V柱上部端口距離地面超過40m，如果只在地面上設掃描端口，由于長距離的影響以及支撐架的阻擋，并不能完整采集到端口的點云數(shù)據，采用在支撐架上設置掃描站點并在V柱柱身貼上標靶紙來進行三維定位?，F(xiàn)場掃描如圖6所示。為了盡可能多采集V柱端口的信息，在支撐平臺上設置了9個掃描站以及多個靶紙來滿足V柱點云模型的完整性和三維定位。

圖6 V柱掃描現(xiàn)場以及掃描布站

V柱端口的就位位形確定后，在軟件中將地面掃描的壓環(huán)模型進行最佳匹配，預先了解吊裝后牛腿與V柱連接的錯邊情況與碰撞情況，根據分析報告將一些錯邊較大的V柱管口進行調整，為之后的吊裝、焊接提供便利，如圖7所示。

圖7 壓環(huán)虛擬預拼

5.2 壓環(huán)合龍段吊裝模擬

壓環(huán)最后4榀合龍段吊裝是施工重難點，如圖8所示。由于兩側已就位的壓環(huán)管口處帶有腳手架，而這些腳手架很可能會與壓環(huán)的腹桿或合龍段壓環(huán)兩邊的腳手架發(fā)生碰撞。除此之外，合龍段高空對接時與兩邊管口的錯邊和間隙都影響著吊裝的成功。同樣采用3D掃描來實現(xiàn)吊裝模擬。

圖8 合龍段吊裝實景

此次掃描的難點在于如何采集兩邊已就位壓環(huán)的位形信息。在壓環(huán)對面的支撐架上掃描管口和腳手架，由于掃描跨度超過了30m，為了使掃描相對精準，采用長距離掃描模式，單個掃描站設置掃描時長19min。

經過兩次支撐架上的分別掃描，可以獲得合龍段兩邊壓環(huán)的詳細信息，在軟件中選擇分別處理兩邊的點云數(shù)據，也可以合并兩次的掃描直接獲取整體的點云數(shù)據。最終檢查，兩種辦法處理后的點云數(shù)據差距不大，間接驗證了掃描精度。

有了兩側的點云模型，就可以將地面掃描的合龍段壓環(huán)本身的點云模型通過軟件模擬吊裝落位后的狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 未斷開腹桿之前的壓環(huán)模型

由圖9可以看出，在沒有進行任何處理之前的合龍段，壓環(huán)腹桿會與兩邊的腳手架發(fā)生碰撞，導致吊裝失敗。所以通過軟件的測量功能將碰撞的腹桿斷開，預留安全距離，避免碰撞，通過反復檢查后交底給現(xiàn)場的施工隊伍，指導現(xiàn)場吊裝前處理。

在軟件中通過將合龍段壓環(huán)模擬至就位狀態(tài)，測量合龍段壓環(huán)與兩側管口的間距以及索孔的就位狀態(tài)，確保壓環(huán)就位狀態(tài)無碰撞的情況下，在軟件中將壓環(huán)本身隨著旋轉軸進行吊裝模擬，由于4個合龍段位置、腳手架情況各不相同，所以需要單獨分析每個合龍段的吊裝方式，尋找最優(yōu)的吊裝方法。以其中一個合龍段為例，通過多次模擬吊裝演示，決定將整個壓環(huán)在吊裝時高出兩側3m，利用這個高差將壓環(huán)推至與主弦桿平行，之后將壓環(huán)緩緩落下至就位狀態(tài)，如圖10所示。

圖10 吊裝過程模擬

6 結語

盧賽爾體育場拼裝和安裝過程中，現(xiàn)場在保證精度的前提下，通過合理使用3D掃描儀對單根構件、單片桁架以及單個吊裝模塊進行掃描，更重要的是對合龍段模塊和就位處開檔的掃描，在正式吊裝前進行虛擬合龍吊裝，為現(xiàn)場提前發(fā)現(xiàn)吊裝過程中的問題起到了至關重要的作用，極大提高了拼裝和安裝的效率。