三維激光掃描技術(shù)在核電廠模塊化施工中的應(yīng)用

許志強(qiáng)，赫海濤，曹 君，孫鑫鵬，張永勝，張亞軍

（1.深圳中核普達(dá)測(cè)量科技有限公司，廣東 深圳 518120；2.深圳中核普達(dá)測(cè)量科技有限公司，廣東 深圳 518120）

0 引言

核能發(fā)電以高效性、清潔性的特點(diǎn)受到世界各國(guó)政府和公眾的重視，但核電廠的建造周期較長(zhǎng)、質(zhì)量要求高，研究如何實(shí)現(xiàn)縮短核電廠建造周期、提高建造質(zhì)量對(duì)我國(guó)核電的發(fā)展具有重要意義。模塊化施工作為工程建設(shè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，目前已在核電廠施工中得到廣泛應(yīng)用。其主要采用車間預(yù)制拼裝、現(xiàn)場(chǎng)整體安裝的方式實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)土建與安裝工作同步進(jìn)行，改變了傳統(tǒng)的“先土建后安裝”的施工方法，該方法對(duì)縮短核電廠建造工期具有明顯優(yōu)勢(shì)。但場(chǎng)外模塊化施工存在設(shè)備預(yù)制完成后與現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接的匹配性無(wú)法準(zhǔn)確判斷的風(fēng)險(xiǎn)，如果無(wú)法準(zhǔn)確就位則需要重新吊出處理，這將會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間成本和人力成本，同時(shí)也會(huì)影響到項(xiàng)目施工進(jìn)度。

本文提出了一種基于三維激光掃描技術(shù)和數(shù)字化預(yù)拼裝技術(shù)的核電廠模塊化施工測(cè)量方法來(lái)解決這一難題。該方法利用激光測(cè)距的原理，快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面體等各種圖形數(shù)據(jù)，經(jīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析處理后生成三維模型，通過(guò)數(shù)字化預(yù)拼裝后模擬碰撞干涉位置，將調(diào)整方向以及偏移量等信息及時(shí)反饋至施工隊(duì)，預(yù)先進(jìn)行處理，為豎井設(shè)備的一次就位成功提供精準(zhǔn)、可靠的基礎(chǔ)。通過(guò)在某核電項(xiàng)目模塊化施工中進(jìn)行應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法的可行性，實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目模塊化施工在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上縮短安裝工期的目的，值得在后續(xù)核電廠堆型中推廣應(yīng)用。

1 三維激光掃描技術(shù)介紹

三維激光掃描技術(shù)能夠快速獲取被測(cè)物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可用于高精度的三維模型建立，與傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方式相比，具有高效率、高精度的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)后的又一次技術(shù)突破，也被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)。

1.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描儀主要由測(cè)距系統(tǒng)和測(cè)角系統(tǒng)以及其他的輔助系統(tǒng)構(gòu)成，其工作原理是通過(guò)測(cè)距系統(tǒng)獲取掃描儀到待測(cè)物體的距離，再通過(guò)測(cè)角系統(tǒng)獲取掃描儀至待測(cè)物體的水平角值和垂直角值，進(jìn)而計(jì)算出待測(cè)物體的三維坐標(biāo)信息值。在三維掃描的過(guò)程中通過(guò)利用自身的垂直和水平馬達(dá)等傳動(dòng)裝置完成對(duì)物體的全方位掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間物體的連續(xù)性三維掃描測(cè)量，得出被測(cè)目標(biāo)密集的三維彩色散點(diǎn)數(shù)據(jù)，也稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)具有非接觸式測(cè)量、數(shù)字化、自動(dòng)化程度高、應(yīng)用廣、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。三維激光掃描技術(shù)利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)反射激光直接對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行三維掃描，獲取其三維信息，形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在一些特殊環(huán)境下，相較傳統(tǒng)的測(cè)量方法，三維激光掃描技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì)。

1.3 三維激光掃描測(cè)量誤差分析

通常情況下，三維激光掃描測(cè)量誤差分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差是由于三維激光掃描自身儀器的影響所造成的誤差。例如，隨著測(cè)量距離的增加，儀器的發(fā)散度也會(huì)增加，而數(shù)據(jù)的精度就會(huì)隨之降低。偶然誤差主要是指隨機(jī)誤差，受外界環(huán)境、距離和測(cè)量角度等的影響較大。被測(cè)物體的顏色、傾斜角度也都會(huì)對(duì)測(cè)量角度產(chǎn)生影響，顏色越亮則測(cè)量角度越小。

在測(cè)量過(guò)程中，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性、減少誤差是非常重要的。減少誤差可以從以下3個(gè)方面入手：一是縮短掃描儀的測(cè)量距離，進(jìn)而降低掃描儀的發(fā)散度，提升測(cè)量的精度。二是增加觀測(cè)站數(shù)。通常情況下，一項(xiàng)工程需要設(shè)置多個(gè)測(cè)量站點(diǎn)，對(duì)于這些測(cè)量站點(diǎn)需要進(jìn)行后期處理，最終取得變形數(shù)據(jù)。提升控制網(wǎng)的精度，可以減少數(shù)據(jù)處理時(shí)產(chǎn)生的誤差，從而獲得更精準(zhǔn)的變形數(shù)據(jù)。三是提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度，在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接時(shí)要合理選擇合適的拼接算法和拼接方法。

2 核電模塊化施工中的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某核電項(xiàng)目模塊化施工主要包括預(yù)組裝場(chǎng)地模塊設(shè)備拼裝、吊裝引入及就位安裝等工作。其中模塊化設(shè)備由鋼板、型鋼、管道、支撐底座等組成，通過(guò)大型履帶式吊車吊入艙室內(nèi)。本次工作主要包括模塊化設(shè)備組裝完成的整體三維掃描以及對(duì)應(yīng)艙室安裝位置的三維掃描和模型建立，通過(guò)模擬拼裝進(jìn)行吊裝碰撞干涉分析并進(jìn)行預(yù)處理，以此保障現(xiàn)場(chǎng)吊裝引入工作的順利進(jìn)行。

2.1 施工工藝流程設(shè)計(jì)

（1）在現(xiàn)場(chǎng)土建鋼筋綁扎完成后，采用三維激光雷達(dá)掃描儀，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土建鋼筋進(jìn)行三維掃描，形成點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)。

（2）各部件到場(chǎng)且拼裝完成后，對(duì)其本體進(jìn)行三維掃描，形成點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)。

（3）對(duì)多站掃描數(shù)據(jù)通過(guò)公共點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要包括點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云除噪、點(diǎn)云精簡(jiǎn)等工作。處理完成后形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)將局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化至現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)系下。

（4）在同一坐標(biāo)系下，將模塊化設(shè)備點(diǎn)云模型導(dǎo)入至現(xiàn)場(chǎng)土建鋼筋三維模型內(nèi)，進(jìn)行吊裝模擬推演，分析是否存在碰撞干涉風(fēng)險(xiǎn)，提前制定方案并進(jìn)行消除。

（5）根據(jù)碰撞點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整處理，并進(jìn)行二次復(fù)測(cè)。

（6）最終確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吊裝就位。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

2.2.1 儀器站位及參數(shù)設(shè)置

在預(yù)組裝場(chǎng)地對(duì)模塊化設(shè)備進(jìn)行三維激光掃描時(shí)，由于本體尺寸較大，故進(jìn)行多個(gè)角度的掃描工作和掃描模塊化設(shè)備時(shí)應(yīng)提前拆除保護(hù)篷布等，周圍其他易產(chǎn)生震動(dòng)的施工活動(dòng)應(yīng)盡量停止。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土建鋼筋網(wǎng)進(jìn)行三維掃描，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，需多次架站進(jìn)行掃描，掃描分辨率設(shè)置為40LPD×40PPD，即被掃描物體的點(diǎn)位間距。儀器與被測(cè)目標(biāo)應(yīng)呈垂直90°角架設(shè)，以使掃描成像現(xiàn)場(chǎng)查看更加方便。

由于現(xiàn)場(chǎng)掃描站數(shù)較多，且易受現(xiàn)場(chǎng)因素影響，掃描時(shí)盡可能避免震動(dòng)，掃描范圍內(nèi)減少人員走動(dòng)，在進(jìn)行多站數(shù)據(jù)采集時(shí)，還需要在各個(gè)位置方向放置同名點(diǎn)，即公共反射物。

2.2.2 公共點(diǎn)布設(shè)

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響，需要多次架設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而每站的掃描數(shù)據(jù)需要通過(guò)公共點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)整體。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，公共點(diǎn)在空間上進(jìn)行錯(cuò)落、無(wú)規(guī)則布設(shè)，便于后期數(shù)據(jù)拼接處理。每站公共點(diǎn)掃描數(shù)不低于5個(gè)，公共點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在穩(wěn)固的墻體上，避免固定基礎(chǔ)面的位移影響掃描數(shù)據(jù)的平差精度。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行土建鋼筋三維掃描時(shí)，首先采用30LPD×30PPD模式進(jìn)行低分辨率掃描，掃描結(jié)束后查看結(jié)果是否滿足測(cè)量要求，如滿足則按照相同測(cè)量方法以40LPD×40PPD模式進(jìn)行高分辨率掃描。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響，需連續(xù)架站掃描12次才能獲取現(xiàn)場(chǎng)完整空間三維數(shù)據(jù)，在掃描過(guò)程中盡量多采集公共點(diǎn)信息，為每站掃描數(shù)據(jù)拼接質(zhì)量提供有力保障。

按照同樣的數(shù)據(jù)采集方法對(duì)預(yù)組裝場(chǎng)地的模塊化設(shè)備進(jìn)行三維掃描。

2.3 數(shù)據(jù)處理

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。受三維掃描儀精度、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和被測(cè)物體表面材質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等因素影響，測(cè)量數(shù)據(jù)存在大量的噪點(diǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理就是在保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的前提下去除掃描時(shí)出現(xiàn)的噪點(diǎn)、減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要分為點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云除噪、點(diǎn)云精簡(jiǎn)3個(gè)部分。

（2）逆向建模。三維模型的建立是通過(guò)三維掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建直線、平面、圓柱面等幾何特征的過(guò)程，而創(chuàng)建這些幾何特征是數(shù)字化預(yù)拼裝的重要工作之一，本次采用Geomagic Qualify軟件進(jìn)行處理。

（3）數(shù)字模擬預(yù)拼裝。數(shù)字模擬預(yù)拼裝技術(shù)是根據(jù)各模型之間的空間關(guān)聯(lián)性，通過(guò)公共點(diǎn)位關(guān)系進(jìn)行坐標(biāo)最優(yōu)轉(zhuǎn)化，在統(tǒng)一坐標(biāo)系下，分析對(duì)接匹配的碰撞、錯(cuò)位情況。本次通過(guò)采集布設(shè)在穩(wěn)固墻體上的11個(gè)公共點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)系最優(yōu)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)測(cè)量坐標(biāo)系到現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)換后測(cè)量點(diǎn)位偏差最大為0.48mm，見(jiàn)圖1。

圖1 轉(zhuǎn)化后測(cè)量點(diǎn)位偏差對(duì)比

本次預(yù)拼裝處理以采集的設(shè)備本體各軸線位置坐標(biāo)點(diǎn)作為兩組模型的公共轉(zhuǎn)化關(guān)系，轉(zhuǎn)換完成后確定干涉鋼筋的位置、偏移方向、偏移量等數(shù)據(jù)，對(duì)干涉鋼筋進(jìn)行預(yù)處理。

首次對(duì)模塊化設(shè)備模型和現(xiàn)場(chǎng)土建鋼筋進(jìn)行模擬分析，共發(fā)現(xiàn)89處碰撞干涉位置，施工隊(duì)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼筋進(jìn)行了預(yù)處理并進(jìn)行了第2次三維掃描測(cè)量，第2次碰撞分析發(fā)現(xiàn)碰撞點(diǎn)位7處，見(jiàn)表1。

表1 第2次碰撞點(diǎn)位坐標(biāo)

2.4 應(yīng)用效果

通過(guò)應(yīng)用本方法全程指導(dǎo)模塊化施工，在預(yù)處理后與現(xiàn)場(chǎng)土建鋼筋碰撞點(diǎn)位從原有的89處大幅減少至7處，施工隊(duì)根據(jù)碰撞干涉點(diǎn)位信息提前制訂了解決措施并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)處理，經(jīng)過(guò)處理后該模塊化設(shè)備順利就位到現(xiàn)場(chǎng)土建鋼筋上，實(shí)現(xiàn)了一次吊裝就位成功。

3 結(jié)語(yǔ)

模塊化施工作為一種組裝化技術(shù)，利用事先預(yù)制好的模塊構(gòu)件在預(yù)組裝場(chǎng)地進(jìn)行整體拼裝后吊至現(xiàn)場(chǎng)就位，具有施工簡(jiǎn)便、組裝靈活、用工用料省等特點(diǎn)，可大幅度提升主線施工進(jìn)度，在目前核電廠建安領(lǐng)域得到大范圍應(yīng)用推廣。與傳統(tǒng)方式相比，模塊化施工的不足之處主要是無(wú)法準(zhǔn)確分析設(shè)備對(duì)接的匹配性，對(duì)于核電廠主系統(tǒng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，其高精度的技術(shù)要求更需要確保模塊化設(shè)備的精準(zhǔn)就位。

通過(guò)本文提出的一種基于三維激光三維技術(shù)的模塊化施工測(cè)量方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)及模塊化設(shè)備進(jìn)行三維掃描測(cè)量，形成三維模型用以全程指導(dǎo)設(shè)備場(chǎng)外模塊化拼裝和吊裝引入、就位等工作，通過(guò)模擬預(yù)拼裝分析提前發(fā)現(xiàn)干涉點(diǎn)位并進(jìn)行預(yù)先處理，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)備一次吊裝就位成功，為現(xiàn)場(chǎng)主線施工進(jìn)度提供了可靠的技術(shù)保障，解決了施工過(guò)程中關(guān)鍵的安裝難題。這對(duì)于提高我國(guó)核電安裝技術(shù)的可靠性、先進(jìn)性，保證安裝質(zhì)量、降低建造成本、縮短施工周期，推動(dòng)新一代核電建設(shè)技術(shù)進(jìn)步具有深遠(yuǎn)的意義。