基于激光掃描的公路鋼梁橋模擬預(yù)拼裝方法*

羅博仁,劉德強(qiáng),吳游宇,余紹淮

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430056)

0 引言

鋼梁橋構(gòu)件類型較多、形式復(fù)雜,且構(gòu)件間的空間關(guān)聯(lián)性較強(qiáng),因此,對構(gòu)件間銜接的制造精度要求也很高。由于制造誤差難以避免,在橋梁施工現(xiàn)場架設(shè)鋼梁橋節(jié)段時(shí)若發(fā)現(xiàn)安裝精度不夠,將難以修正和調(diào)整,嚴(yán)重影響工期。所以,依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,鋼梁橋在架設(shè)前必須在制造廠或施工現(xiàn)場開展實(shí)體預(yù)拼工作,檢測制造精度,測試整體拼裝效果,以便及時(shí)修正,加快吊裝速度,確保一次性架設(shè)成功。

目前,實(shí)體預(yù)拼工作均是在專設(shè)的胎架上進(jìn)行[1-5],該方式面臨以下問題:①對拼裝場地空間、設(shè)備要求高;②拼裝工作耗時(shí)長,需搭設(shè)大型胎架,測量、檢測時(shí)間長;③測量精度、效率有待提升;④整體經(jīng)濟(jì)性較差。

而現(xiàn)實(shí)中,受項(xiàng)目工期、場地等多方面因素制約,有時(shí)不具備實(shí)體預(yù)拼條件。因此,有必要考慮數(shù)字模擬預(yù)拼裝方式,即采用數(shù)字化技術(shù)手段,獲取鋼梁橋各節(jié)段真實(shí)、精細(xì)三維模型,在計(jì)算機(jī)端獲得鋼梁橋節(jié)段的制造精度,以模擬預(yù)拼裝取代實(shí)體預(yù)拼裝。傳統(tǒng)數(shù)字化模擬預(yù)拼裝通常采用全站儀[6-7]、數(shù)字?jǐn)z影測量[8]的方法獲取鋼梁橋節(jié)段少量關(guān)鍵點(diǎn)三維坐標(biāo),通過分析、比對節(jié)段間關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)匹配性實(shí)現(xiàn)模擬預(yù)拼裝,此類方法獲取的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量較少,難以全面表征節(jié)段的整體情況。隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展和推廣,研究人員嘗試?yán)萌S激光掃描技術(shù)獲取鋼梁橋節(jié)段表面完整點(diǎn)云[9-10],通過對點(diǎn)云的測量、比對、分析實(shí)現(xiàn)模擬預(yù)拼裝。

但從文獻(xiàn)所展示的工程應(yīng)用實(shí)例中可看出,基于激光掃描的節(jié)段模擬預(yù)拼裝技術(shù)主要有以下難點(diǎn)。

1)節(jié)段完整高精度點(diǎn)云采集困難,需架設(shè)多個(gè)測站并將多測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接才能獲取節(jié)段完整點(diǎn)云,但拼接過程中極易造成誤差累積,從而降低數(shù)據(jù)精度。

2)節(jié)段精確建模困難,節(jié)段結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以利用激光點(diǎn)云進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)對節(jié)段的精準(zhǔn)表達(dá)。

3)節(jié)段間匹配拼裝誤差獲取困難,當(dāng)前節(jié)段模擬預(yù)拼裝僅利用點(diǎn)云與節(jié)段設(shè)計(jì)模型進(jìn)行簡單比對、測量,自動(dòng)化程度低、易引入人為誤差。

針對以上問題,本文依托武漢市某人行鋼梁橋項(xiàng)目,基于三維激光掃描技術(shù),從節(jié)段完整掃描、高精度建模、模擬預(yù)拼裝精度分析,給出以上問題的工程解決方案,驗(yàn)證本項(xiàng)目技術(shù)可行性。本文技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

1 工程概況

武漢市某公路鋼梁橋全寬5.0m,凈寬4m,全長216m,路基段49m,上部結(jié)構(gòu)采用連續(xù)鋼箱梁。選取上部結(jié)構(gòu)鋼箱梁中連續(xù)3段鋼箱梁進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,依次進(jìn)行節(jié)段的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、建模,基于節(jié)段三維模型測量梁寬、梁高、鋼板厚度等參數(shù),并對多節(jié)段進(jìn)行模擬拼裝,檢驗(yàn)節(jié)段間接口焊縫間隙、對接縫錯(cuò)邊量等參數(shù),驗(yàn)證本項(xiàng)目技術(shù)可行性。

2 鋼梁橋節(jié)段掃描與數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

節(jié)段完整、精確掃描是模擬預(yù)拼裝的基礎(chǔ)。但由于鋼梁橋節(jié)段結(jié)構(gòu)復(fù)雜,內(nèi)部各種板、肋交錯(cuò),相互間遮擋較嚴(yán)重,必須架設(shè)多個(gè)測站才能實(shí)現(xiàn)對節(jié)段完整覆蓋掃描。而且施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜,掃描過程極易受環(huán)境干擾。由于以上原因,導(dǎo)致單節(jié)段點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描、多節(jié)段點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接過程中極易出現(xiàn)誤差累積,而大幅度降低數(shù)據(jù)精度。本文采用如下方法實(shí)現(xiàn)節(jié)段完整、精確掃描。

對于單個(gè)鋼箱梁節(jié)段,利用地面式激光掃描儀需掃描4個(gè)測站,測站布設(shè)在節(jié)段四角,測站位置與節(jié)段最近點(diǎn)距離應(yīng)≤5m,若節(jié)段體積較大,可在測站1,2間與測站3,4間各增加1個(gè)測站。依次將地面式激光掃描儀架設(shè)在測站1～4處對鋼梁橋節(jié)段進(jìn)行掃描,并在掃描范圍內(nèi)布設(shè)≥6個(gè)球形靶標(biāo)。通過調(diào)整地面式激光掃描儀的掃描范圍,確保每一測站至少能掃描到4個(gè)球形靶標(biāo)[11]。

本文采用Faro Focus地面式激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,該型號掃描儀精度為10m處測距精度±1mm。 每根鋼箱梁共設(shè)6個(gè)測站,布設(shè)10個(gè)球形靶標(biāo),設(shè)置掃描分辨率為5m距離處約4mm。鋼箱梁節(jié)段掃描方法如圖2所示。

掃描獲取的原始數(shù)據(jù)包含大量環(huán)境雜點(diǎn)且點(diǎn)云數(shù)據(jù)過于密集,不利于后續(xù)輕量化建模,需刪除環(huán)境雜點(diǎn),并對節(jié)段點(diǎn)云進(jìn)行降采樣以減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量。節(jié)段點(diǎn)云降采樣需結(jié)合鋼箱梁節(jié)段形態(tài)特征,對于板肋結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位需盡量多保留點(diǎn),對于結(jié)構(gòu)簡單、特征較少部位(如頂、底板)可保留較少點(diǎn)。

本文采用如下算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云自適應(yīng)降采樣[12]。

1)對鋼梁橋節(jié)段點(diǎn)云,采用邊長為10cm的空間三維網(wǎng)格將鋼梁橋節(jié)段點(diǎn)云劃分成塊,如果塊內(nèi)點(diǎn)云數(shù)量<2 000個(gè),則不進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

2)將每塊點(diǎn)云以1cm的空間三維網(wǎng)格劃分為體素,每塊三維網(wǎng)格包含10×10×10=1 000個(gè)體素。如果體素內(nèi)激光點(diǎn)>20個(gè),則記為有效體素,且參與后續(xù)計(jì)算,否則不參與后續(xù)計(jì)算。記錄當(dāng)前塊內(nèi)有效體素?cái)?shù)量為m。

圖3a所示為刪除環(huán)境點(diǎn)之后共有220萬個(gè)點(diǎn),圖3b所示為進(jìn)行自適應(yīng)降采樣后共有110萬個(gè)點(diǎn)(受限于圖片顯示效果,難以從以上圖片觀察點(diǎn)云局部變化),點(diǎn)云數(shù)量大幅度減少,但細(xì)節(jié)特征并未損失。

圖3 掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理

3 鋼梁橋節(jié)段點(diǎn)云拼接、建模方法

3.1 多測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法

單測站僅掃描覆蓋節(jié)段局部,需將多測站點(diǎn)云進(jìn)行拼接融合才能得到節(jié)段完整點(diǎn)云。多測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接是利用球形靶標(biāo)作為公共點(diǎn),采用兩兩拼接方式完成。對于兩測站點(diǎn)云,選取≥4個(gè)公共球形靶標(biāo),擬合球形靶標(biāo)球心坐標(biāo),利用球心坐標(biāo)計(jì)算兩測站點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),實(shí)現(xiàn)兩測站點(diǎn)云拼接融合。其計(jì)算公式為:

式中:[xc1yc1zc1]T為測站1中球形靶標(biāo)b1,b2,b3,b4的球心坐標(biāo);[xc2yc2zc2]T為測站2中球形靶標(biāo)b1,b2,b3,b4的球心坐標(biāo);εx,εy,εz為旋轉(zhuǎn)參數(shù);t1,t2,t3為平移參數(shù)。鋼箱梁A多測站掃描點(diǎn)云以及點(diǎn)云融合結(jié)果如圖4,5所示。

圖4 測站1～6點(diǎn)云

圖5 6測站拼接后完整點(diǎn)云

3.2 節(jié)段點(diǎn)云建模方法

激光掃描獲取了離散無序的三維點(diǎn),需對節(jié)段點(diǎn)云進(jìn)行建模封裝生成三維模型,才能替代節(jié)段實(shí)體進(jìn)行模擬拼裝。

本文采用Geomagic軟件進(jìn)行建模封裝,構(gòu)建NURBS曲面模型[13],由曲線和曲面定義、恢復(fù)構(gòu)件輪廓特征。在保證建模精度的基礎(chǔ)上,使得模型表面光滑、過渡自然。

最終構(gòu)建的3個(gè)連續(xù)節(jié)段三維模型如圖6所示(圖中顯示尺寸不同是由于縮放比例差異),由圖可看出,鋼箱梁細(xì)節(jié)特征均得到完整展現(xiàn)。

圖6 3個(gè)連續(xù)節(jié)段建模結(jié)果

4 鋼梁橋節(jié)段模擬預(yù)拼裝及精度分析方法

在模擬拼裝前,首先需檢驗(yàn)單節(jié)段的制造精度,本文通過對比模型測量值、實(shí)體測量值、設(shè)計(jì)值,實(shí)現(xiàn)對制造精度的檢驗(yàn),同時(shí)論證節(jié)段建模精度。

分別用鋼卷尺測量3根鋼箱梁的高度、頂板寬度、橫隔鋼板厚度,并在三維模型上測量3根鋼箱梁的高度、頂板寬度、橫隔鋼板厚度,對二者進(jìn)行對比,其結(jié)果如表1所示。

表1 鋼箱梁相關(guān)參數(shù)測量值與設(shè)計(jì)值對比

由表1可知,共測量9組數(shù)據(jù),只有1組測量誤差達(dá)到3mm,證明本文激光掃描測量數(shù)據(jù)的精確性,即表明利用鋼箱梁節(jié)段三維模型模擬預(yù)拼裝可反饋實(shí)體拼裝真實(shí)情況,精度滿足一般規(guī)范要求。

鋼梁橋節(jié)段拼接主要有焊接、螺栓連接等連接方式。本文參照實(shí)體預(yù)拼裝作業(yè)流程,選取拼接參考點(diǎn)、參考線,將不同的節(jié)段三維模型轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系中,實(shí)現(xiàn)模擬預(yù)拼裝。本文利用AutoDesk Inventor軟件對3個(gè)連續(xù)節(jié)段三維模型進(jìn)行模擬預(yù)拼裝,其拼裝整體效果如圖7所示。

圖7 3段鋼箱梁模型拼裝結(jié)果

模擬預(yù)拼裝精度檢查的主要內(nèi)容包括拼裝碰撞、對接縫間隙和錯(cuò)邊量,其中最關(guān)鍵的是拼裝碰撞。依據(jù)橋梁現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn),若在高空架設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)較多拼裝碰撞,節(jié)段調(diào)整修正的難度更大。

拼裝碰撞檢查可利用Inventor軟件的干涉分析模塊,自動(dòng)提取、定位拼裝后節(jié)段間碰撞部位。本文共檢測到2處碰撞。利用Inventor軟件的透視觀察工具,可發(fā)現(xiàn)碰撞發(fā)生在鋼箱梁A,B連接處的中央橫隔板處及鋼箱梁B,C連接處的頂板左側(cè)。對接縫間隙、錯(cuò)邊量數(shù)據(jù)通過觀察、測量獲取,利用Inventor軟件的可視化測量工具,逐一檢查對接縫,尤其是發(fā)生拼裝碰撞的對接縫。檢查過程中未發(fā)現(xiàn)有對接縫間隙、錯(cuò)邊量>5mm的部位(見圖8)。

圖8 拼接碰撞檢測與定位(碰撞位于右圖中紅色區(qū)域)

相比于實(shí)體拼裝,模擬預(yù)拼裝最大的優(yōu)勢在于檢測過程十分便捷。受限于節(jié)段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在實(shí)體拼裝過程中,內(nèi)部拼裝截面難以測量,而模擬預(yù)拼裝則完全克服這一難點(diǎn)。

5 結(jié)語

本文研究了鋼梁橋數(shù)字化模擬預(yù)拼裝技術(shù),從點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、節(jié)段三維建模、精度分析方法等方面對傳統(tǒng)模擬預(yù)拼裝技術(shù)方案所面臨的痛點(diǎn)問題提出解決方案,具有較強(qiáng)的技術(shù)先進(jìn)性與實(shí)用性。本文所述模擬預(yù)拼裝技術(shù)僅僅是對鋼箱梁節(jié)段在特定環(huán)境下的靜態(tài)模擬。

在大型鋼箱梁現(xiàn)場架設(shè)中,受多方面因素影響,鋼箱梁存在動(dòng)態(tài)變形,如溫度引起的熱脹冷縮、風(fēng)力引起的對準(zhǔn)誤差和吊裝過程中由于鋼箱梁自重較大產(chǎn)生的彎曲變形等。這些因素導(dǎo)致現(xiàn)場吊裝時(shí)鋼箱梁的真實(shí)狀態(tài)與靜態(tài)掃描得到的模型數(shù)據(jù)有一定差異,甚至?xí)斐赡M預(yù)拼裝中檢測到節(jié)段間匹配情況良好,但在吊裝過程中出現(xiàn)匹配安裝困難的情況。

以上引起動(dòng)態(tài)變形的不利因素中,部分因素可削弱其影響。例如,①風(fēng)力影響 可選擇在無風(fēng)天氣進(jìn)行吊裝;②溫度影響 可限定模擬預(yù)拼裝與現(xiàn)場吊裝處于同一日內(nèi)時(shí)間段,且時(shí)間間隔不宜太久。但這些限制手段會干擾鋼箱梁的架設(shè)進(jìn)程。另外,吊裝過程中因自重產(chǎn)生的彎曲變形則難以控制,而大型鋼箱梁的吊裝變形可能>10cm。

因此,精準(zhǔn)模擬鋼箱梁吊裝動(dòng)態(tài)變形情況才是模擬預(yù)拼裝技術(shù)的難點(diǎn),在模擬預(yù)拼裝過程中引入溫度、風(fēng)力、吊裝形變等變量也是本技術(shù)進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。