基于逆向掃描技術(shù)的百年鋼橋修復(fù)變形分析與研究

陳柳花

上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司 上海 200433

三維掃描是近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)新型逆向采集技術(shù)，該技術(shù)通過光投射到各種結(jié)構(gòu)物表面反射的時(shí)間差自動(dòng)計(jì)算距離，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物三維幾何形態(tài)的還原，具有速度快、精度高、計(jì)算精確等特點(diǎn)[1]，目前被廣泛用于地形測量、機(jī)械制造、醫(yī)療、文物保護(hù)等領(lǐng)域。

本文針對三維掃描技術(shù)用于百年老橋改造時(shí)的變形分析及部分新老構(gòu)件連接的匹配精度控制進(jìn)行了介紹。

1 工程概況及掃描策劃

上海浙江路橋于1907年建成，至今已有百余年歷史，屬于上海市市級不可移動(dòng)的文物。該橋梁在百余年的運(yùn)營中，長期遭受環(huán)境侵蝕、荷載作用以及結(jié)構(gòu)自然退化等影響，出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的病害，需進(jìn)行一次整體結(jié)構(gòu)大修。為保持該橋梁百年歷史風(fēng)貌，采取修舊如舊的原則；同時(shí)為了滿足現(xiàn)階段交通的需求，主桁架間距從原來的6 m拓寬到9 m，其間保留原有的主桁架兩片結(jié)構(gòu)，拆除更換平聯(lián)結(jié)構(gòu)和橋面結(jié)構(gòu)，對主桁架結(jié)構(gòu)中銹蝕嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)（4、5、6、7、8號）進(jìn)行局部更換（圖1）。本次大修涉及多處新老構(gòu)件連接匹配以及新橋在原橋位還原度等問題。

圖1 橋梁立面及編號

本次大修嘗試采用2種高精度的三維掃描設(shè)備采集橋梁在多種工況下的結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而用于分析橋梁大修過程中的結(jié)構(gòu)變形情況。第1種設(shè)備是三維激光點(diǎn)云掃描設(shè)備，其基本原理是通過掃描儀水平和垂直方向旋轉(zhuǎn)發(fā)出的激光束測量掃描儀與目標(biāo)物之間的距離，記錄點(diǎn)位空間數(shù)據(jù)，通過海量的點(diǎn)位數(shù)據(jù)還原物體的三維幾何形態(tài)，該設(shè)備在本工程中用于采集老橋和新橋的整體結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)數(shù)據(jù)，從而用于分析新橋的施工質(zhì)量，也可以為橋梁的運(yùn)營保留歷史基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；第2種設(shè)備是高精度手持白光掃描設(shè)備，其基本原理是利用設(shè)備上的LED燈將白光圖案投影到掃描物體上，然后通過2個(gè)攝像頭探測到掃描物體周圍的定位標(biāo)點(diǎn)，并將其實(shí)時(shí)傳送到配套的數(shù)據(jù)分析軟件中，生成海量點(diǎn)云及三角網(wǎng)格面，從而還原掃描物體的幾何形態(tài)，該設(shè)備在本工程中主要用于采集橋梁需要更換的局部節(jié)點(diǎn)板的原始數(shù)據(jù)，為新構(gòu)件的設(shè)計(jì)加工提供準(zhǔn)確的匹配尺寸。

三維激光點(diǎn)云掃描采用美國Trimble公司的TX5設(shè)備，掃描最大距離為120 m，掃描精度為±2 mm，掃描速度為97.6 萬點(diǎn)/s；高精度白光掃描采用加拿大Creaform公司的GO!SCAN設(shè)備，掃描范圍不限，精度可達(dá)1.0 m內(nèi)0.1 mm，掃描速度為55萬點(diǎn)/s，點(diǎn)間距最大為0.5 mm。

2 三維激光點(diǎn)云掃描的應(yīng)用

2.1 掃描需求

為看到橋梁整體連續(xù)的變形情況，采用三維激光點(diǎn)云掃描設(shè)備進(jìn)行橋梁高密度、高精度的數(shù)據(jù)采集，可以檢測橋梁整體的變形情況，通過變形情況來判斷橋梁的受力情況，同時(shí)分析橋梁變形的分布趨勢，從而查找結(jié)構(gòu)上可能存在的薄弱風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，也可驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)的加工安裝精度。

在局部節(jié)點(diǎn)板更換的過程中，通過高精度的測量可以實(shí)現(xiàn)對新老結(jié)構(gòu)連接位置以及對新老拼接孔位精度的控制，減少誤差，進(jìn)而可以提高施工效率，加快施工進(jìn)度。

2.2 掃描工況

為分析橋梁變形情況，采集浙江路橋在老橋未拆除前、新橋未鋪裝（新橋沒有鋪裝層的結(jié)構(gòu)外形尺寸和新橋BIM模型尺寸是一致的）、新橋成橋后這3種狀態(tài)下的橋梁結(jié)構(gòu)外形數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)行多種工況下的兩兩比對。

1）工況1：分析橋梁結(jié)構(gòu)整體更換后的變形情況。新橋未鋪裝在廠內(nèi)大修時(shí)采用七支點(diǎn)支承狀態(tài)，此時(shí)的結(jié)構(gòu)近似無應(yīng)力狀態(tài)[2]，用其點(diǎn)云模型和新橋的BIM模型（無應(yīng)力，以下均稱為理論模型）做比對分析，研究整橋在橫向和豎向的變形情況。

2）工況2：分析新橋成橋后的變形情況。浙江路橋在大修后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)為簡支梁橋，是有應(yīng)力狀態(tài)，新橋的變形分析是將新橋和未拆除前具有應(yīng)力的老橋的形態(tài)進(jìn)行比對，主要研究單片桁架橫向和豎向的變形情況。

2.3 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

2.3.1 掃描設(shè)站布置

浙江路橋?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)空心桁架結(jié)構(gòu)，表面特征復(fù)雜且桿件繁多。在第1次按照常規(guī)方式試掃失敗的前提下，正式掃描時(shí)提前制定了掃描方案，在BIM軟件中導(dǎo)入主橋三維模型進(jìn)行虛擬設(shè)站，全橋共設(shè)20個(gè)測站點(diǎn)（圖2），采用S形走向，每個(gè)測站點(diǎn)之間的間距約為10 m，并設(shè)了多個(gè)角度的測站點(diǎn)，如橋底視角、登高車視角、居民樓頂視角等，盡量在空間多維度下采集浙江路橋的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

圖2 總體站位布置示意

現(xiàn)場掃描時(shí)，設(shè)備重點(diǎn)考察2個(gè)參數(shù)：分辨率和質(zhì)量。前者是指點(diǎn)云的密度；后者是指點(diǎn)云的測距精度。根據(jù)現(xiàn)場條件，將分辨率設(shè)為1/4，質(zhì)量設(shè)為4倍，可保證橋梁點(diǎn)云的高密度和節(jié)約現(xiàn)場掃描的時(shí)間，20個(gè)測站點(diǎn)日間10 h完成。

2.3.2 點(diǎn)云采集數(shù)據(jù)處理

用掃描設(shè)備自帶的專業(yè)處理軟件—RealWorks9.0進(jìn)行各個(gè)測站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接，形成完整的整橋高密度點(diǎn)云模型，點(diǎn)數(shù)量均達(dá)到了億萬級，如圖3所示。圖3中橋面上多個(gè)黃色三角形圖標(biāo)即為現(xiàn)場掃描的測站點(diǎn)位置和數(shù)量。對拼接完成的點(diǎn)云模型進(jìn)行3個(gè)步驟的處理：切割周邊環(huán)境數(shù)據(jù)；對主橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和精簡；根據(jù)比對需要，對主橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行局部分割，最后形成完整的橋梁點(diǎn)云模型，如圖4所示。

圖3 老橋點(diǎn)云完整模型

圖4 主橋點(diǎn)云模型

2.3.3 點(diǎn)云分析數(shù)據(jù)輕量化處理

初期數(shù)據(jù)比對分析發(fā)現(xiàn)橋梁模型精度高、數(shù)據(jù)量巨大，點(diǎn)云數(shù)據(jù)總量也達(dá)到近30 GiB，導(dǎo)致一般專業(yè)的圖形工作站處理非常緩慢，因此需要對這2種數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理，主要為：將橋梁的理論模型去除5萬多個(gè)鉚釘，同時(shí)去除橋面板以下的結(jié)構(gòu)和人行道結(jié)構(gòu)；將橋梁的點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)抽稀，點(diǎn)與點(diǎn)之間的間距為6 mm或2 mm；將橋梁的理論模型處理成比對分析軟件能接受的.obj格式，將橋梁的點(diǎn)云模型處理成.xyz格式；橋梁的點(diǎn)云模型通過專業(yè)軟件處理轉(zhuǎn)換成面片實(shí)體模型，如圖5所示。

圖5 橋梁面片實(shí)體模型

2.4 橋梁變形情況分析

2.4.1 理論模型與新橋未鋪裝點(diǎn)云模型的全橋比對分析

1）比對分析原理：在空間自由狀態(tài)下，需要尋找比對的基準(zhǔn)。本工況選擇橋梁未更換的幾個(gè)構(gòu)件作為特征點(diǎn)，理論模型作為基準(zhǔn)模型，利用最小二乘法的原理，將新橋未鋪裝點(diǎn)云模型以最小偏差的方式對齊到基準(zhǔn)模型上，隨后形成兩者在x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸下的距離差，差值用彩色云圖的形式表現(xiàn)。

2）數(shù)據(jù)分析：選取2個(gè)方向作為分析依據(jù)，分別是主橋的橫向和豎向，分析結(jié)果云圖如圖6、圖7所示。圖6、圖7中的綠色代表距離差為零，紅色代表是正公差，藍(lán)色代表是負(fù)公差，顏色越深代表偏差越大。

圖6 主橋橫向比對分析結(jié)果云圖

圖7 主橋豎向比對分析結(jié)果云圖

在擬合得到的差值云圖上，可以直接點(diǎn)選有顏色的任意位置，即可得到該位置3個(gè)方向的偏差值（Dx、Dy、Dz），其中Dz表示橫橋向，Dx表示順橋向，Dy表示豎直方向。主橋橫向比對是在軟件中固定Dx和Dy方向，只分析Dz方向；主橋豎向比對是固定Dx和Dz方向，只分析Dy方向。

從圖6中可以看出，顏色最深的是橋面系和主桁架局部更換的節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)橋面系在橫橋向的顏色分布呈現(xiàn)中間高、兩邊低的趨勢可知，大修后的橋梁橫坡比理論設(shè)計(jì)的更高。局部更換的節(jié)點(diǎn)（0、1、5、6、7、11、12號）也出現(xiàn)了顏色較深的現(xiàn)象，偏差數(shù)據(jù)分別為－24.36、－120.68、－119.52、－121.34、－70.74 mm，說明大修后的新節(jié)點(diǎn)安裝未和理論的一致，存在一定的誤差，可能是新老構(gòu)件施工工藝不同造成的。

從圖7中可以看出，顏色最深的地方是橋面板、上平聯(lián)和橋門架，偏差數(shù)據(jù)分別為38.85、49.08、60.57 mm，同時(shí)橋面板的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)邊上深、中間淺，且都為正公差的現(xiàn)象，說明橋面板在順橋向和橫橋向未安裝到位，上平聯(lián)和橋門架也存在安裝未到位的可能。

2.4.2 老橋與新橋成橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)的單片主桁架比對

1）比對原理：比對的原理同上述，在本工況中老橋點(diǎn)云模型作為基準(zhǔn)模型，新橋點(diǎn)云模型利用相同的基準(zhǔn)豎桿對齊到老橋模型上，形成兩者之間在x、y、z坐標(biāo)軸下的偏差，偏差值用彩色云圖的形式表現(xiàn)。

2）數(shù)據(jù)分析比對：橋梁成橋狀態(tài)下主桁架為主要受力的構(gòu)件，為了分析新橋的主桁架與老橋主桁架結(jié)構(gòu)形態(tài)是否一致，具體分析橋梁主桁架構(gòu)件在x、y、z方向的變化，利用2個(gè)點(diǎn)云模型的比對偏差值，選取2個(gè)方向作為偏差分析依據(jù)，即單片主桁架的橫向比對分析和單片主桁架的豎向比對分析。

在偏差云圖上（圖8、圖9），Dx表示橫橋向，Dy表示順橋向，Dz表示豎直方向。單片主桁架橫向比對是固定Dy和Dz方向，只分析Dx方向；單片主桁架豎向比對是固定Dx和Dy方向，只分析Dz方向。

圖8 單片主桁架橫向比對分析結(jié)果云圖

圖9 單片主桁架豎向比對分析結(jié)果云圖

如圖8所示，主桁架中間的顏色偏差值在綠色范圍內(nèi)，幾何偏差趨于零，說明新橋主桁架中間的位置和老橋的基本一樣；兩邊顏色逐漸加深，特別是兩端豎桿的地方顏色最深，幾何偏差最大，左端紅色的豎桿Dx,max=－74.72 mm，右端藍(lán)色豎桿Dx,max=78.26 mm，說明新橋的端部豎桿位置和老橋的有偏差。從整體偏差分布趨勢可以看出，新橋的主桁架在原有的位置上有逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)的情況。

從圖9可知，主桁架上的顏色基本都是綠色，由數(shù)據(jù)分析可以看出豎直方向的偏差基本都在10 mm以內(nèi)，說明新橋的桁架位置和老橋的基本一樣。出現(xiàn)微小偏差的原因可能是改造前后橋梁的質(zhì)量不一樣從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)跨中撓度不一樣。

主橋外側(cè)人行道位置的顏色較深，量測的幾個(gè)豎直方向的偏差值分別是：－83.45、－92.90、－81.34、－73.39、－103.59 mm，說明老橋的人行道在新橋人行道下方約8 cm。由于新橋人行道采用實(shí)木地板鋪裝，老橋采用的是混凝土，且新橋上增加了防水蓋板，出現(xiàn)該偏差屬于正常情況。

從以上分析可知，由于部分結(jié)構(gòu)改造引起的偏差可以不考慮，但是可以側(cè)面驗(yàn)證本次比對的可靠性。

2.5 輕量化數(shù)據(jù)交付

點(diǎn)云模型的交付可以采用一種輕量化的格式，即為IE瀏覽器版的網(wǎng)頁模型，只需在打開文件的同時(shí)自行下載一個(gè)插件就可瀏覽帶有貼圖形式的點(diǎn)云模型，這種查看方式對計(jì)算機(jī)要求不高，方便快捷。網(wǎng)頁版的點(diǎn)云模型不僅可以自由地瀏覽各個(gè)測站點(diǎn)的模型，還可以在模型上進(jìn)行尺寸的量測，方便項(xiàng)目各方參與人員查看老橋的數(shù)據(jù)尺寸，也留下了橋梁的歷史文檔。

3 手持白光掃描設(shè)備的應(yīng)用

主橋需對部分銹蝕嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行更換，每片節(jié)點(diǎn)板上存在大量鉚釘孔，其圖紙是百年前的紙質(zhì)版英制圖，無法直接用于現(xiàn)場加工節(jié)點(diǎn)板。為了使其順利對上孔位，原本采用的施工方法是將現(xiàn)場拆下的節(jié)點(diǎn)板從上海運(yùn)回?fù)P州的鋼結(jié)構(gòu)加工廠進(jìn)行復(fù)刻，但是中間運(yùn)輸時(shí)間較長。最終采用掃描技術(shù)將節(jié)點(diǎn)板的現(xiàn)狀孔位逆向還原成三維電子數(shù)據(jù)，并二次再處理成二維平面圖，將圖直接發(fā)給鋼結(jié)構(gòu)廠進(jìn)行生產(chǎn)。

3.1 數(shù)據(jù)采集

采用高精度掃描儀進(jìn)行節(jié)點(diǎn)板數(shù)據(jù)的采集，將需要更換的4、5、6、7、8節(jié)點(diǎn)上的小板、腹板等板件的三維幾何形態(tài)采集到計(jì)算機(jī)中。掃描工作開始前須處理以下幾個(gè)關(guān)鍵問題：板件上需要貼上大量帶有磁性的定位點(diǎn)；掃描工作須在光線暗的地方進(jìn)行；板件上不能有雜物。掃描過程中需要打開計(jì)算機(jī)的掃描軟件，在進(jìn)行掃描工作時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)傳入掃描軟件中，邊掃描邊可以看到數(shù)據(jù)的完整性。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 模型處理

手持設(shè)備掃描完成后的數(shù)據(jù)含有一些不需要的地形數(shù)據(jù)、構(gòu)件數(shù)據(jù)等，需要對其進(jìn)行相關(guān)的清理工作，包括構(gòu)筑物未掃描完全的修復(fù)工作，保留構(gòu)件原本破損的地方。采用設(shè)備自帶軟件—VXelements進(jìn)行清理和修復(fù)工作，將完整的三維節(jié)點(diǎn)板實(shí)體模型投影成三維線框模型，提取節(jié)點(diǎn)板外包尺寸和螺栓孔位。

3.2.2 數(shù)據(jù)交付

完成節(jié)點(diǎn)板的模型處理后，經(jīng)過多個(gè)軟件的處理形成設(shè)計(jì)工程師所需要的.dwg格式，且此格式的數(shù)據(jù)可以在CAD軟件中直接捕捉點(diǎn)，隨后交給設(shè)計(jì)方進(jìn)行數(shù)據(jù)的再處理，最后發(fā)給生產(chǎn)商進(jìn)行新構(gòu)件的下料加工，整個(gè)過程能快速、便捷地得到需要更換的節(jié)點(diǎn)板原始數(shù)據(jù)。

通過相同的處理方式，本工程試點(diǎn)嘗試總共處理了15塊節(jié)點(diǎn)板，為工程節(jié)約了大量的施工時(shí)間。

4 結(jié)語

本文介紹了三維激光點(diǎn)云和手持高精度白光掃描設(shè)備在上海浙江路橋大修過程中的應(yīng)用，獲得了掃描技術(shù)對老橋改造工程的一些應(yīng)用點(diǎn)：

1）浙江路橋?yàn)闅v史文物，采用三維激光點(diǎn)云掃描設(shè)備采集新橋和老橋的幾何形態(tài)數(shù)據(jù)，為以后的運(yùn)營管理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）掃描設(shè)備采集數(shù)據(jù)量大、精度高、效率更高，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的手段。同時(shí)采集到的數(shù)據(jù)可根據(jù)不同的需求進(jìn)行不同的分析，也是BIM應(yīng)用的一種拓展。

3）從全橋比對和單片桁架的比對分析中可以看出，實(shí)際橋面系坡度高于理論設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；局部的節(jié)點(diǎn)板和橋門架也存在一定的加工偏差；新橋在原橋位的位置也存在扭轉(zhuǎn)的問題，說明用點(diǎn)云掃描技術(shù)可以有效地檢測出板件安裝問題。

4）研究出了1套在橋梁工程中的詳細(xì)的掃描技術(shù)操作流程以及技術(shù)應(yīng)用操作要點(diǎn)，對后續(xù)類似的橋梁工程具有一定的參考意義。

5）對老橋留存的節(jié)點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行高精度掃描，指導(dǎo)新構(gòu)件下料加工，保證新老構(gòu)件孔位一致，對加快施工進(jìn)度起到了顯著作用。

6）點(diǎn)云密度受限于計(jì)算機(jī)的處理能力，比對分析的模型均做了簡化，如果能提高計(jì)算機(jī)的性能，相信能得到更多有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

7）新橋未鋪裝的點(diǎn)云模型在本文中是作為近似無應(yīng)力的狀態(tài)，實(shí)際還是存在一定應(yīng)力的，因此比對分析的結(jié)果會(huì)存在微小誤差。

8）在比對分析中，基準(zhǔn)是決定數(shù)據(jù)分析有效性的關(guān)鍵，對基準(zhǔn)的選取還可以進(jìn)行進(jìn)一步的研究。