實(shí)景三維建模在大型公共建筑檢測(cè)中的應(yīng)用

劉運(yùn)房，侯晉華，許家文，羅 飛

(山西省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,山西 太原 030001)

0 引言

在主體結(jié)構(gòu)檢測(cè)中,常用接觸式直接測(cè)量法,而此種方法適用于操作面大、作業(yè)方便的構(gòu)件檢測(cè)。而面對(duì)大型空間桁架結(jié)構(gòu),特別是對(duì)高聳建筑物進(jìn)行測(cè)量時(shí),通過手動(dòng)接觸式獲得技術(shù)參數(shù)通常是不完整且工作效率低下,還會(huì)對(duì)高空檢測(cè)人員的人身安全造成重大威脅。因此,在大型公共建筑主體結(jié)構(gòu)檢測(cè)中,尋求高效、精確、全面的檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)作業(yè)人員是具有重要意義的。隨著科技和數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展,利用無人機(jī)貼近攝影測(cè)量和精細(xì)化實(shí)景三維建模技術(shù)等非接觸式的測(cè)量方法已逐漸出現(xiàn)在工程檢測(cè)人員的視野。2019年張祖勛院士團(tuán)隊(duì)[1]提出了貼近攝影測(cè)量技術(shù),針對(duì)非常規(guī)目標(biāo)精細(xì)化重建的貼近攝影測(cè)量方法,通過無人機(jī)沿目標(biāo)表面飛行、高清攝影相機(jī)貼合目標(biāo)表面拍攝,實(shí)現(xiàn)對(duì)非常規(guī)地面(如大壩、巖石邊坡等)或人工物體表面(如大型公共建筑、空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)、古建筑等具有特點(diǎn)的建筑等)等對(duì)象的毫米級(jí)分辨影像,并通過精細(xì)化實(shí)景三維建模技術(shù)對(duì)影像進(jìn)行處理,建立高精度、準(zhǔn)確、全面的絕對(duì)空間位置數(shù)據(jù)以及真實(shí)紋理的數(shù)字資料。蔡軍等[2]研究了貼近攝影測(cè)量與BIM技術(shù)在瀕危民族建筑部件級(jí)實(shí)景三維建設(shè)中的應(yīng)用,形成了傳統(tǒng)部落部件級(jí)實(shí)景三維模型圖,對(duì)構(gòu)件的外觀特征、尺寸信息等進(jìn)行參數(shù)化建模,形成可提取數(shù)據(jù)庫。姚富潭等[3]基于貼近攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)高陡危巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查方法進(jìn)行了研究,通過三維模型中缺陷特征,對(duì)危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行快速評(píng)價(jià),能很好滿足工程精度要求,提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。王棋[4]研究了貼近攝影測(cè)量技術(shù)在歷史建筑保護(hù)中的應(yīng)用,解決了復(fù)雜建筑的高精度建模問題,具有較高的使用價(jià)值。劉洋等[5]研究了無人機(jī)貼近攝影測(cè)量用于橋梁工程精細(xì)化建模。張際澤等[6]研究了無人機(jī)攝影測(cè)量應(yīng)用于水電站項(xiàng)目獲取了高精度實(shí)景三維模型,為項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工等需求提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),提高測(cè)量工作效率,提升了測(cè)量成果質(zhì)量,同時(shí)降低現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員的工作強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)的精細(xì)化和智能化。徐陳勇等[7]基于無人機(jī)貼近攝影測(cè)量對(duì)某碼頭邊坡安全實(shí)施巡檢檢測(cè),對(duì)整個(gè)岸坡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、識(shí)別變化信息。王小剛等[8]將貼近攝影測(cè)量用在水利工程監(jiān)測(cè)中,結(jié)果顯示獲取的影像地面分辨率達(dá)到毫米級(jí),在水利工程監(jiān)測(cè)和地質(zhì)勘察領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。

可見,貼近攝影測(cè)量已應(yīng)用于瀕危歷史建筑、高陡危巖體結(jié)構(gòu)、橋梁工程、水利工程、邊坡工程等監(jiān)測(cè)、勘察、設(shè)計(jì)、施工等多個(gè)領(lǐng)域,為高危大型公共建筑空間桁架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供了思路。本文以山西某市大酒店樓頂防空信號(hào)塔主體結(jié)構(gòu)檢測(cè)為例,綜合運(yùn)用貼近攝影測(cè)量和精細(xì)化實(shí)景三維建模技術(shù),在減少人工投入的基礎(chǔ)下,快速、準(zhǔn)確地完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集,并且獲得的數(shù)據(jù)具備較高的準(zhǔn)確性,為此類大型建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供了技術(shù)支撐,同時(shí)促進(jìn)了檢測(cè)行業(yè)的可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展。

1 工程概況

山西省某市大酒店塔樓為地下2層、地上17層(出屋面四層構(gòu)架層)框架剪力墻結(jié)構(gòu)建筑,建筑總面積為39 998.66 m2,其中塔樓東西長約55.4 m、南北向?qū)捈s21.4 m,建筑總高度88.10 m,設(shè)計(jì)使用年限為50 a,建筑類別為一類高層旅館。該信號(hào)塔由主塔和避雷針組成。主塔主要有支腳、圓柱體和正八邊形變形體三部分組成,主塔正立面塔腳中心距27.6 m,塔高為36 m,其中支腳部分在屋面以上的高度為16 m,其上為20 m高圓柱體,在圓柱體上部設(shè)置正八邊形變形體,變形體高度為3 m,避雷針高11.3 m。信號(hào)塔立面示意圖如圖1所示。

為了解目前該信號(hào)塔結(jié)構(gòu)自身工作狀況以及對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)該信號(hào)塔進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)檢測(cè)。該項(xiàng)目主要難點(diǎn)是對(duì)塔身自身結(jié)構(gòu)的檢測(cè),結(jié)構(gòu)復(fù)雜、屬于高空高危作業(yè),對(duì)塔身平立面布置、構(gòu)件位置、截面尺寸、構(gòu)件變形等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)很難開展工作,且塔身多個(gè)部位技術(shù)人員無法實(shí)地測(cè)量。為解決以上難題,提出利用無人機(jī)貼近環(huán)繞攝影測(cè)量和精細(xì)化實(shí)景三維建模技術(shù)手段采集數(shù)據(jù)。

2 測(cè)試原理

利用無人機(jī)貼近環(huán)繞攝影測(cè)量是一種全新的攝影測(cè)量方式,通過對(duì)無人機(jī)航線設(shè)計(jì)、人工布設(shè)相控點(diǎn)、貼近測(cè)量對(duì)象,調(diào)整無人機(jī)飛行姿態(tài)和相機(jī)參數(shù),利用無人機(jī)云臺(tái)姿勢(shì)控制能力和高精度定位技術(shù),貼近被測(cè)對(duì)象獲取超高分辨率影像,通過數(shù)字化影像技術(shù),依據(jù)影像制作三維實(shí)景模型,進(jìn)行精細(xì)化地理信息獲取,可以得到被測(cè)對(duì)象的精細(xì)結(jié)構(gòu),目前精度可以達(dá)到毫米級(jí)。

3 模型檢查分析

三維實(shí)景模型生成后,如圖2所示,共檢查了10個(gè)空間特征點(diǎn),其誤差統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 特征點(diǎn)坐標(biāo)檢查統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)對(duì)比可知,10個(gè)空間特征點(diǎn)坐標(biāo)誤差最大值為11.5 mm,特征點(diǎn)高程誤差最大值為2.4 mm,其數(shù)字模型滿足GB/T 17941—2008數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量要求[9]的相關(guān)要求。

4 信號(hào)塔主體結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果及分析

基于實(shí)景三維高精度模型,實(shí)測(cè)大地坐標(biāo)數(shù)據(jù),進(jìn)而得到各特征點(diǎn)坐標(biāo)信息,用于主體結(jié)構(gòu)檢測(cè)分析。

4.1 基礎(chǔ)鋼梁截面尺寸測(cè)試結(jié)果

實(shí)景三維模型實(shí)測(cè)基礎(chǔ)鋼梁截面尺寸如圖3所示,實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 基礎(chǔ)鋼梁截面尺寸測(cè)試結(jié)果

由表2可知,所抽檢的信號(hào)塔基礎(chǔ)鋼梁截面尺寸與原設(shè)計(jì)圖紙基本相符。

4.2 基礎(chǔ)鋼梁撓度變形檢測(cè)

依據(jù)GB 55018—2021工程測(cè)量通用規(guī)范[10]和JGJ 8—2016建筑變形測(cè)量規(guī)范[11]的相關(guān)規(guī)定,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)條件;分別選取梁兩端和梁中心,共3個(gè)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 基礎(chǔ)鋼梁撓度抽檢結(jié)果表

由表3可知,本次抽檢的6個(gè)鋼梁構(gòu)件,分別選取梁兩端和梁中心,共計(jì)18個(gè)測(cè)點(diǎn),進(jìn)行測(cè)點(diǎn)標(biāo)高測(cè)量,撓度結(jié)果均滿足GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[12]附錄B中受彎構(gòu)件的撓度主梁或桁架撓度容許值的規(guī)定。

4.3 信號(hào)塔塔架垂直度檢測(cè)及分析

依據(jù)GB 55018—2021工程測(cè)量通用規(guī)范和JGJ 8—2016建筑變形測(cè)量規(guī)范中第4.8節(jié)的相關(guān)規(guī)定,采用無人機(jī)近景環(huán)繞攝影測(cè)量方法,對(duì)塔架坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),利用坐標(biāo)法對(duì)垂直度進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)三維模型結(jié)果,選擇設(shè)計(jì)標(biāo)高為124.300 m處正八邊形桁架圓上平面三點(diǎn)(A,B,C),實(shí)測(cè)A,B,C三點(diǎn)大地坐標(biāo)見表4。

表4 實(shí)測(cè)塔架頂部大地坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果 m

根據(jù)圓上三點(diǎn)A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3)即可求得圓心坐標(biāo)(X,Y)。由式(1)—式(3)計(jì)算:

(x1-X)2+(y1-Y)2=R2

(1)

(x2-X)2+(y2-Y)2=R2

(2)

(x3-X)2+(y3-Y)3=R2

(3)

由式(1),式(2),得到式(4):

x12-x22-2x1X+2x2X+y12-y22-2y1Y+2y2Y=0

(4)

由式(2),式(3),得到式(5):

x22-x32-2x2X+2x3X+y22-y32-2y2Y+2y3Y=0

(5)

再整理式(4)、式(5)得式(6),式(7):

(2x2-2x1)X+(2y2-2y1)Y=x22-x12+y22-y12

(6)

(2x3-2x2)X+(2y3-2y2)Y=x32-x22+y32-y22

(7)

由式(6),式(7)可求得:

X=[(x22-x12+y22-y12)(2y3-2y2)-
(x32-x22+y32-y22)(2y2-2y1)]/

[(2x2-2x1)(2y3-2y2)-(2x3-2x2)(2y2-2y1)]。

Y=[(2x3-2x2)(x22-x12+y22-y12)-(x32-
x22+y32-y22)2x2-2x1]/

[(2x3-2x2)(2y2-2y1)-(2x2-2x1)(2y3-2y2)]。

將數(shù)據(jù)代入可得X=4***26.691 9,Y=3***791.095,即標(biāo)高124.300 m處實(shí)測(cè)圓心坐標(biāo)O1為(4***26.691 9,3***791.095,940.447)。

通過測(cè)繪結(jié)果,信號(hào)塔4個(gè)基座處坐標(biāo)見表5。

表5 信號(hào)塔基座坐標(biāo)(標(biāo)高85.900 m) m

通過測(cè)繪四點(diǎn)坐標(biāo),可得到信號(hào)塔標(biāo)高85.900 m基座中心坐標(biāo)O2為(4***26.710,3***791.078,902.302)。

根據(jù)O1(4***26.692,3***791.095,940.447),O2(4***26.681,3***791.078,902.302)兩點(diǎn)的空間坐標(biāo)可知,O1相對(duì)于O2向東偏11 mm,O1相對(duì)于O2向北偏17 mm,矢量為20.25 mm。經(jīng)計(jì)算,信號(hào)塔垂直度為20.25/(940 447-9***02)%=0.053%。未超過該信號(hào)塔設(shè)計(jì)要求:塔架安裝完畢后,塔身實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線偏差不得大于被測(cè)高度的1/1 500(0.067%)。

5 結(jié)論

1)通過貼近攝影測(cè)量和精細(xì)化實(shí)景三維建模技術(shù)可以應(yīng)用在大型公共建筑主體結(jié)構(gòu)檢測(cè)中,能有效減少高空作業(yè)、取代勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工接觸式測(cè)量等測(cè)量方式。2)可以基于精細(xì)化實(shí)景三維模型進(jìn)行高度、長度、面積、角度的量測(cè),實(shí)時(shí)獲取主體結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù),測(cè)量精度滿足國家相關(guān)規(guī)范要求。3)在精細(xì)化實(shí)景三維模型基礎(chǔ)上,獲得實(shí)時(shí)大地坐標(biāo)能利用于主體結(jié)構(gòu)中構(gòu)件尺寸、構(gòu)件撓度、塔架垂直度等檢測(cè)項(xiàng)目。4)利用貼近攝影測(cè)量和精細(xì)化實(shí)景三維建模技術(shù)在實(shí)際大型公共建筑主體結(jié)構(gòu)檢測(cè)項(xiàng)目中可提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)檢測(cè)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。