杭州西站大跨屋蓋鋼結(jié)構(gòu)三維激光掃描變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

杜理強(qiáng) 鄒海濤 童宇超 許華姣

(1.中鐵建工集團(tuán)有限公司，北京 100160； 2.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，紹興 312030)

引言

在鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)日新月異的時(shí)代背景下，越來(lái)越多的鋼結(jié)構(gòu)建筑向高度更高、跨度更大和造型更獨(dú)特的方向發(fā)展。建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加給鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工和安裝帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。為滿(mǎn)足鋼結(jié)構(gòu)高質(zhì)量、高技術(shù)水準(zhǔn)的建設(shè)要求，亟需一種高精度、高效率的測(cè)量技術(shù)，貫穿鋼結(jié)構(gòu)建造全過(guò)程，保證鋼結(jié)構(gòu)的高品質(zhì)建造。

三維激光掃描技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)在精度、速度和整體性上都有巨大的優(yōu)勢(shì)。已成為橋隧工程施工監(jiān)測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)方面，空間數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)手段。目前，在建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用主要在加工精度的檢測(cè)方面，應(yīng)用于空間鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的實(shí)例較少[1]。

本文詳細(xì)介紹了杭州西站鋼屋蓋基于三維激光掃描的建造全過(guò)程變形監(jiān)測(cè)，對(duì)工廠制造階段的構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝階段的拼裝、吊裝單元和提升分區(qū)以及成形后的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行各階段、多場(chǎng)景、全方位的監(jiān)測(cè)，詳細(xì)描述了實(shí)施細(xì)則和數(shù)據(jù)處理方法。掃描監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為鋼結(jié)構(gòu)分項(xiàng)工程驗(yàn)收依據(jù)，并將成形數(shù)據(jù)傳遞至下一道工序，指導(dǎo)屋面和精裝修的安裝，是對(duì)三維激光掃描在建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用的積極探索，可供同類(lèi)項(xiàng)目參考。

1 工程概況

杭州西站是中國(guó)大型鐵路樞紐之一，站房平面尺寸約450m×217m?？偨ㄖ娣e達(dá)50余萬(wàn)m2，工程總用鋼量約5.6萬(wàn)t。其中，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)326m，寬245m，投影面積約79 870m2，總重量約1.1萬(wàn)t。屋蓋主體結(jié)構(gòu)中間采光頂區(qū)域采用雙向桁架，最大跨度78m，其余區(qū)域采用四角錐網(wǎng)架； 采光頂桁架延伸至支承柱頂，形成網(wǎng)架內(nèi)“暗桁架”連接，如圖1所示。

圖1 站房結(jié)構(gòu)整體軸測(cè)圖

杭州西站屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用“分區(qū)旋轉(zhuǎn)+整體提升”的施工方法，鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架部分在空中旋轉(zhuǎn)4°至設(shè)計(jì)姿態(tài)，與中央采光頂桁架完成對(duì)接后，整體提升至設(shè)計(jì)位形。旋轉(zhuǎn)提升網(wǎng)架面積達(dá)到2.7萬(wàn)m2，單區(qū)旋轉(zhuǎn)提升重量約3 000t，如圖2所示。

圖2 屋蓋旋轉(zhuǎn)提升就位航拍圖

2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又被稱(chēng)為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度點(diǎn)云立體掃描技術(shù)，通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法獲取空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀高速測(cè)量記錄被測(cè)物體表面密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息[1]，能夠快速?gòu)?fù)建出被測(cè)結(jié)構(gòu)的三維模型和各種圖件數(shù)據(jù)。三維激光掃描系統(tǒng)可以獲取結(jié)構(gòu)三維的數(shù)據(jù)點(diǎn)，打破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量對(duì)結(jié)構(gòu)表達(dá)的局部性和片面性[2]。

三維激光掃描為非接觸式測(cè)量，不受現(xiàn)場(chǎng)掃描環(huán)境和時(shí)間的約束[3]。數(shù)據(jù)采樣率高，以每秒數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)的采樣率，快速獲取高精度海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測(cè)量效率高，覆蓋面廣。數(shù)據(jù)化采集，兼容性強(qiáng)，所采集的數(shù)據(jù)均為數(shù)字信號(hào)，在后期處理和共享時(shí)十分便捷。

杭州西站屋蓋鋼結(jié)構(gòu)整體為雙曲造型，采用“分區(qū)旋轉(zhuǎn)+整體提升”的施工方法。傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量結(jié)果無(wú)法對(duì)旋轉(zhuǎn)提升的過(guò)程姿態(tài)進(jìn)行有效評(píng)價(jià)； 結(jié)構(gòu)成型后的位形通過(guò)局部點(diǎn)位的測(cè)量結(jié)果難以表達(dá)。因此，本項(xiàng)目采用三維激光掃描技術(shù)，進(jìn)行構(gòu)件加工、現(xiàn)場(chǎng)拼裝、旋轉(zhuǎn)提升至結(jié)構(gòu)卸載成形的建造全過(guò)程三維掃描監(jiān)測(cè)，保證項(xiàng)目高質(zhì)量、高技術(shù)水準(zhǔn)建造。

本項(xiàng)目選用MetraSCAN210和FARO S150三維掃描儀。MetraSCAN210精度可達(dá)0.085mm，結(jié)合攝影測(cè)量系統(tǒng)可完成構(gòu)件的掃描檢測(cè)和虛擬預(yù)拼裝，如圖3所示。FARO S150測(cè)距范圍0.6-150m，測(cè)距誤差±1mm，采樣率可達(dá)數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)/秒，能快速獲取高精度海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)三維激光掃描監(jiān)測(cè)

3 建造全過(guò)程變形監(jiān)測(cè)方案

3.1 工廠加工階段

在工廠加工階段采用工業(yè)級(jí)三維掃描儀進(jìn)行大型復(fù)雜異形鋼構(gòu)件偏差分析和修正。通過(guò)工業(yè)級(jí)三維掃描儀逆像生成關(guān)鍵部位的三維Test模型，結(jié)合高精密拍照定位系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行定位，大幅提高測(cè)量效率和精度，如圖4 所示。掃描完成后與計(jì)算機(jī)軟件中的Reference模型進(jìn)行的擬合分析，形成三維的色差偏差圖中[4]。對(duì)于超偏部位，除了標(biāo)注偏差值的同時(shí)，也可以進(jìn)行任意面的剖切，將三維的色差偏差顯示在二維視圖上，可直觀地看出偏差大小和方向，快速指導(dǎo)工廠進(jìn)行超偏構(gòu)件的修正。

圖4 工廠構(gòu)件三維掃描

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝順序，依次將實(shí)際構(gòu)件掃描得到的數(shù)字化模型導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中模擬構(gòu)件實(shí)體預(yù)拼裝過(guò)程，分析實(shí)際加工的構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程可能出現(xiàn)錯(cuò)邊和牛腿偏差等問(wèn)題，并判斷是否滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求，對(duì)不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的，在工廠加工階段提供切實(shí)可行的偏差構(gòu)件調(diào)整方案，偏差分析技術(shù)流程如圖5所示。與傳統(tǒng)實(shí)體預(yù)拼裝相比，大幅提高施工效率，減少資源投入，不需要大量的拼裝場(chǎng)地[5-6]。

圖5 復(fù)雜異形鋼構(gòu)件的偏差分析技術(shù)流程

3.2 現(xiàn)場(chǎng)施工階段

三維激光掃描技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)施工階段質(zhì)量管理的應(yīng)用主要是通過(guò)掃描儀器對(duì)結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)監(jiān)控部位和關(guān)鍵施工階段進(jìn)行掃描，也可對(duì)關(guān)鍵施工階段進(jìn)行模擬施工，為質(zhì)量監(jiān)控和驗(yàn)收工作提供良好的數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信息實(shí)時(shí)共享。通過(guò)掃描儀器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，將得出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)拼接、去噪、去除外點(diǎn)、特征提取與簡(jiǎn)化等處理，與設(shè)計(jì)圖紙建模得到的BIM模型進(jìn)行比較，得到施工階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[7]，其應(yīng)用框架如圖6所示。

圖6 三維激光掃描施工階段應(yīng)用框架

現(xiàn)場(chǎng)施工階段的掃描工作開(kāi)始前，需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)布置、結(jié)構(gòu)特征等確定掃描的站點(diǎn)數(shù)量、標(biāo)靶球位置和黑白標(biāo)靶布置[8]。標(biāo)靶球的放置要使相鄰站點(diǎn)之間的掃描至少有三個(gè)共用標(biāo)靶球用于不同站點(diǎn)的點(diǎn)云配準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)特定位置放置標(biāo)靶紙，對(duì)后續(xù)基準(zhǔn)面進(jìn)行控制，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)三維掃描點(diǎn)布置

三維激光掃描儀對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，掃描站點(diǎn)到被測(cè)對(duì)象之間要求沒(méi)有遮擋，兩者之間的距離在掃描半徑內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)能最大限度地被掃描到。點(diǎn)云掃描完畢，每站進(jìn)行標(biāo)靶掃描，標(biāo)靶掃描分為兩部分：第一部分為掃描后期用于對(duì)站站之間數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接的標(biāo)靶球，原則上保證站站之間有兩個(gè)公共標(biāo)靶球； 第二部分為掃描現(xiàn)場(chǎng)布置的黑白標(biāo)靶，通過(guò)全站儀獲取黑白標(biāo)靶在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，如圖8所示，用于后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的定位。同時(shí)，通過(guò)標(biāo)靶點(diǎn)位之間的距離與全站儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證三維掃描監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖8 標(biāo)靶紙和標(biāo)靶球布置

拼裝階段掃描完成后，合并所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并檢查每次掃描的質(zhì)量與精度，清除其他多余的掃描數(shù)據(jù)，若點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要定位還需在給模型賦予坐標(biāo)并檢查坐標(biāo)之間的精度，生成最終所需要的點(diǎn)云模型，如圖9所示。

圖9 地面拼裝階段點(diǎn)云模型

網(wǎng)架提升區(qū)脫胎完成后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)提升，選取結(jié)構(gòu)特征區(qū)域進(jìn)行四級(jí)掃描分析。考慮到掃描的便利性和結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)，選取中央桁架區(qū)端部作為掃描特征區(qū)域，該區(qū)域提升過(guò)程中線位移最大，掃描結(jié)果更易分析。分別在結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)1°、2°、3°和旋轉(zhuǎn)就位四個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行三維掃描，獲取提升施工特定階段結(jié)構(gòu)位形變化。預(yù)先處理好四個(gè)狀態(tài)下特征區(qū)域的深化模型，將掃描后結(jié)構(gòu)測(cè)量區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與深化模型擬合，進(jìn)行偏差分析。將數(shù)據(jù)結(jié)果與全站儀測(cè)量結(jié)果及有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷結(jié)構(gòu)姿態(tài)是否與施工仿真預(yù)設(shè)姿態(tài)一致。若出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大于不同步仿真得出的容許偏差最大值的情況，則通過(guò)調(diào)節(jié)提升吊點(diǎn)使其回歸至理論位形。

3.3 結(jié)構(gòu)成形態(tài)

結(jié)構(gòu)卸載完成后進(jìn)行整體掃描，由于掃描儀受振動(dòng)影響明顯，若掃描結(jié)構(gòu)上弦，風(fēng)振和現(xiàn)場(chǎng)施工造成的結(jié)構(gòu)振動(dòng)會(huì)影響掃描效率和質(zhì)量； 考慮到下弦節(jié)點(diǎn)位移分布與上弦基本一致，在結(jié)構(gòu)成形之后掃描結(jié)構(gòu)下弦，作為屋面和吊頂施工的依據(jù)。結(jié)構(gòu)下弦高度最高在24m左右，設(shè)置掃描半徑50m，總計(jì)掃描36站，掃描用時(shí)約9小時(shí)。獲取成形態(tài)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖10所示，經(jīng)Sence軟件降噪和外點(diǎn)去除，處理后的點(diǎn)云文件導(dǎo)入Navisworks，并在軟件中將BIM模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合，對(duì)于已經(jīng)提升就位的構(gòu)件，需要設(shè)置多個(gè)標(biāo)靶紙進(jìn)行空間定位，得到模型后可自動(dòng)擬合[9-10]，在軟件中直接與BIM模型進(jìn)行對(duì)比分析。

圖10 成形態(tài)結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

工廠加工階段對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)和候車(chē)層梁柱節(jié)點(diǎn)通過(guò)三維掃描進(jìn)行偏差分析，如圖11所示，根據(jù)分析結(jié)果可以看出，鑄鋼節(jié)點(diǎn)采用鑄造工藝，節(jié)點(diǎn)精度相對(duì)較高，支管端口偏差在2mm以?xún)?nèi)，桿件圓角部分最大偏差在5mm以?xún)?nèi)。候車(chē)層梁柱節(jié)點(diǎn)端口偏差控制在4mm以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)鋼筋搭接和對(duì)接精度要求。

圖11 節(jié)點(diǎn)尺寸偏差分析結(jié)果

選取采光頂桁架進(jìn)行虛擬預(yù)拼裝，桁架構(gòu)件工廠加工完成后采用三維掃描獲取對(duì)接端口模型，在計(jì)算機(jī)中模擬實(shí)體預(yù)拼裝過(guò)程，分析端口偏差數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拼裝可能存在的錯(cuò)邊、扭轉(zhuǎn)等偏差進(jìn)行模擬，如圖12所示。對(duì)不滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求的構(gòu)件在工廠進(jìn)行調(diào)整，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)拼裝精度和施工效率。經(jīng)虛擬預(yù)拼裝分析，桁架端口最大錯(cuò)口值在1.5mm以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求。

圖12 桁架虛擬預(yù)拼裝分析

現(xiàn)場(chǎng)拼裝階段對(duì)網(wǎng)架提升區(qū)與桁架提升區(qū)拼接區(qū)域進(jìn)行三維激光掃描，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際考察情況，采取多站點(diǎn)掃描方式，掃描模式選擇室外長(zhǎng)距離掃描，單次掃描時(shí)間九分鐘。以2區(qū)為例，總計(jì)掃描11站，掃描總時(shí)長(zhǎng)一個(gè)半小時(shí)，選取2區(qū)的分析結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明，如圖13所示。

圖13 掃描分區(qū)布置圖

從對(duì)比分析圖中可知，2區(qū)管口最大整體偏差31mm，出現(xiàn)在8號(hào)管口，豎直方向偏差18.6mm，水平方向偏差17.8mm，Z方向偏差18.6mm。滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的拼裝驗(yàn)收要求，如圖14所示。

圖14 2區(qū)結(jié)構(gòu)拼裝精度

根據(jù)杭州西站屋蓋結(jié)構(gòu)布置和施工特點(diǎn)，選取中央桁架區(qū)端部作為施工過(guò)程掃描的特征區(qū)域。為驗(yàn)證三維激光掃描監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)采用全站儀對(duì)掃描特征區(qū)域關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并與三維激光掃描分析數(shù)據(jù)及施工仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)圖15可以看出，各階段三維激光掃描分析得到的測(cè)點(diǎn)水平位移和全站儀測(cè)量結(jié)果基本一致，兩組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差也基本相同，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算數(shù)值相比誤差普遍在9%左右。說(shuō)明三維激光掃描分析得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，波動(dòng)性小，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的精度和穩(wěn)定性要求。

圖15 四級(jí)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)豎向位移統(tǒng)計(jì)

屋蓋提升至設(shè)計(jì)位形、卸載完成后對(duì)結(jié)構(gòu)下弦層進(jìn)行整體掃描。將結(jié)構(gòu)成形態(tài)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM整體模型擬合，如圖16 所示，分析屋蓋成形態(tài)偏差。將偏差分析結(jié)果與施工仿真結(jié)果對(duì)比，施工仿真考慮旋轉(zhuǎn)提升施工過(guò)程中的變形累計(jì)，荷載考慮結(jié)構(gòu)自重和施工活載。

圖16 結(jié)構(gòu)成形態(tài)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果云圖

根據(jù)掃描結(jié)果可知，完工成型后屋蓋偏差大部分在-20至55mm，最大偏差99mm，出現(xiàn)在采光頂桁架局部區(qū)域。施工仿真結(jié)果云圖如圖17 所示，從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)整體偏差在-10至52mm，最大偏差為78mm，同樣出現(xiàn)在采光頂桁架位置。對(duì)比三維激光掃描分析結(jié)果和施工仿真數(shù)據(jù)，屋蓋結(jié)構(gòu)成形態(tài)位形與仿真結(jié)構(gòu)基本一致，實(shí)測(cè)最大偏差出現(xiàn)位置相同，偏差數(shù)值比仿真結(jié)果大21mm。屋蓋結(jié)構(gòu)整體偏差滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》和《鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》的相關(guān)要求。

圖17 結(jié)構(gòu)成形態(tài)位移仿真云圖

5 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)在精度、速度和整體性監(jiān)測(cè)上都有巨大的優(yōu)勢(shì)。在杭州西站進(jìn)行了鋼結(jié)構(gòu)建造全過(guò)程的變形監(jiān)測(cè)，涵蓋加工、拼裝、提升和結(jié)構(gòu)成形態(tài)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)結(jié)果。與全站儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明三維激光掃描得到的數(shù)據(jù)精度與穩(wěn)定性均滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的要求，可作為大型空間鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)新手段進(jìn)行推廣應(yīng)用，后續(xù)可在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理上開(kāi)展進(jìn)一步研究。