三維掃描技術(shù)在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用研究

王志剛

摘要：闡述在三維掃描技術(shù)的優(yōu)越性，將三維掃描技術(shù)應(yīng)用于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工中的鋼結(jié)構(gòu)柱三維定位、吊裝等方面，通過鋼結(jié)構(gòu)廠房應(yīng)用實例進行驗證，結(jié)果表明該廠房鋼結(jié)構(gòu)件的安裝偏差很小，安裝施工完全符合技術(shù)要求，達到了本文研究目的。

關(guān)鍵詞：三維掃描技術(shù)；高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)施工；應(yīng)用研究

0? ?引言

城市的土地資源有限，建筑物開始朝著高層甚至超高層的類型發(fā)展，施工難度隨之增加。城市新建樓宇以10層以上的高層建筑為主，框架剪力墻結(jié)構(gòu)增加了工程量的負擔[1]。高層建筑現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)較為傳統(tǒng)，消耗了大量能源和資源，且質(zhì)量和效率比較滯后，影響建筑行業(yè)的發(fā)展。

鋼材具有較高的力學性能，在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件比混凝土構(gòu)件的截面尺寸更小，基礎(chǔ)造價也隨之降低[2]。由此可見，鋼結(jié)構(gòu)施工不僅能夠降低施工成本，還確保了建筑物的延伸性，增強了建筑物的抗震性能，實現(xiàn)了真正意義上高層建筑的安全性。

1? ?三維掃描技術(shù)應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)施工優(yōu)越性

在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的施工過程中，人工制作的鋼結(jié)構(gòu)拼裝模型費時費力，真實感較差，很難為實際施工提供數(shù)據(jù)支撐[3]。為了避免鋼結(jié)構(gòu)拼裝出現(xiàn)偏差等問題，需要大量的三維模型。而利用三維掃描儀生成的三維模型，能夠獲取鋼構(gòu)件的真實尺寸數(shù)據(jù)，能夠獲取一個與現(xiàn)實完全一致的三維鋼結(jié)構(gòu)建筑彩色模型，從而提升建筑施工質(zhì)量。

三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、計算機、電源、支架以及配套軟件等組成。三維激光掃描技術(shù)是計算機輸入技術(shù)與立體測量技術(shù)的優(yōu)化組合，利用三維掃描儀，能夠快速、準確地獲得物體的結(jié)構(gòu)和尺寸，從而實現(xiàn)物體復雜面形及其周邊環(huán)境的快速測量，在建筑、制造等行業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用[4]。

通過三維掃描技術(shù)，可以實現(xiàn)對鋼構(gòu)件的精確測量和建模，能夠準確獲取每個鋼構(gòu)件的尺寸、形狀和所處的位置，從而順利進行鋼構(gòu)件的預裝配。應(yīng)用三維掃描技術(shù)不僅可以避免傳統(tǒng)測量方式產(chǎn)生的誤差和尺寸調(diào)整，還可以將各個構(gòu)件的三維模型進行碰撞檢測，能夠有效避免鋼構(gòu)件之間的互相干涉和沖突。同時，預拼裝的過程也可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題和安全隱患，確保施工過程質(zhì)量和安全。

2? ?三維掃描技術(shù)在鋼構(gòu)件施工中應(yīng)用

2.1? ?鋼構(gòu)件預拼裝

在鋼結(jié)構(gòu)工程的施工過程中，用于拼裝的預制鋼構(gòu)件從工廠運送到施工現(xiàn)場，由于道路顛簸產(chǎn)生的振動、碰撞或其他不可控因素，鋼構(gòu)件可能受到損壞，導致無法正常拼裝。因此，為了確保預制的鋼構(gòu)件能夠滿足建筑施工需求，要對鋼構(gòu)件進行預拼裝[5]。

鋼構(gòu)件實體及其拼裝施工占用的空間較大、所需人力物力較多、施工現(xiàn)場須具備必要條件。而采用三維掃描技術(shù)進行鋼構(gòu)件預拼裝，則十分便利。三維激光掃描儀的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

使用三維激光掃描儀逐個掃描鋼構(gòu)件，獲取鋼構(gòu)件的模型，根據(jù)模型拼裝情況調(diào)整鋼構(gòu)件尺寸，從而滿足鋼結(jié)構(gòu)施工的精度需求。三維掃描得到的鋼構(gòu)件截面尺寸如表2所示。

如表1所示，根據(jù)設(shè)計圖紙和拼裝方案，在拼裝施工前需要使用三維激光掃描儀，將存放于施工現(xiàn)場的各個鋼構(gòu)件進行三維掃描，獲得鋼構(gòu)件的實際幾何尺寸，確定各個構(gòu)件的空間安裝位置和安裝順序，將激光掃描得到的三維點云數(shù)據(jù)，生成三維點云模型[6]。

2.2? ?鋼結(jié)構(gòu)柱三維定位

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)柱的三維位置復測校正示意如圖1所示。

如圖1所示，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)柱的三維位置復測結(jié)果，與平面布置圖的鋼柱位置向比較，調(diào)整好鋼結(jié)構(gòu)柱上部的牛腿方向[7]。在有充足氧氣的區(qū)域，會在鋼結(jié)構(gòu)柱表面產(chǎn)生銹蝕，影響其使用壽命。因此，在完成鋼結(jié)構(gòu)柱的預拼裝、位置復測之后，在各個鋼結(jié)構(gòu)柱表面涂刷防腐蝕材料，避免其產(chǎn)生銹蝕問題，保證后續(xù)焊接質(zhì)量。

2.3? ?高層建筑鋼結(jié)構(gòu)吊裝

2.3.1? ?鋼結(jié)構(gòu)柱吊裝

在完成鋼結(jié)構(gòu)柱的預拼裝、位置復測和表面防腐處理之后，進入吊裝階段。鋼結(jié)構(gòu)柱吊裝時，起吊、回轉(zhuǎn)、移動3個動作交替緩慢進行。起吊時，鋼結(jié)構(gòu)柱垂直于地面，不能出現(xiàn)拖拉現(xiàn)象；回轉(zhuǎn)時，鋼結(jié)構(gòu)柱的高度要滿足吊裝需求[8]；移動時，2根牽引繩要平穩(wěn)牽引鋼結(jié)構(gòu)柱，吊車要勻速移動，緩慢落下。鋼結(jié)構(gòu)柱吊裝就位之后，其中心線與下節(jié)鋼結(jié)構(gòu)柱的中心線必須重合，將夾板平穩(wěn)插入下節(jié)柱的連接耳板上，穿好連接螺栓并予以緊固。

按照先主后次的順序安裝鋼結(jié)構(gòu)柱，再將多根鋼結(jié)構(gòu)柱連接形成穩(wěn)定的幾何不變體系，滿足鋼結(jié)構(gòu)施工的穩(wěn)定性要求。根據(jù)三維模型調(diào)整牛腿標高，采用全站儀全程監(jiān)控，避免鋼結(jié)構(gòu)吊裝出現(xiàn)偏差。

在鋼結(jié)構(gòu)柱吊裝的過程中，吊裝用鋼絲繩的許用拉力要滿足吊裝鋼結(jié)構(gòu)柱自身質(zhì)量和安全系數(shù)的要求。鋼絲繩容許拉力的計算公式如下：

（1）

式（1）中：Sg為鋼絲繩的許用拉力；α為鋼絲繩破斷拉力換算系數(shù)；R為鋼絲繩破斷拉力總和；K為鋼絲繩的安全系數(shù)。

在鋼結(jié)構(gòu)柱吊裝就位時，使用楔形鐵、墊塊、千斤頂配合校正，同時鋼結(jié)構(gòu)柱的四側(cè)使用纜風繩固定。鋼結(jié)構(gòu)柱之間連接支撐及系桿，與其形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)。上述吊裝施工完成后，進行鋼結(jié)構(gòu)柱柱腳的二次灌漿以及杯口混凝土澆筑。

2.3.2? ?鋼結(jié)構(gòu)梁吊裝

按照三維建筑模型的形式完成鋼結(jié)構(gòu)梁拼接之后，進行鋼結(jié)構(gòu)梁跨間吊裝施工。鋼結(jié)構(gòu)柱、鋼結(jié)構(gòu)梁、屋面支撐和系桿，形成穩(wěn)定鋼結(jié)構(gòu)體系后，即完成鋼結(jié)構(gòu)的吊裝。

3? ?實例分析

為了驗證本文設(shè)計的應(yīng)用于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工的三維掃描技術(shù)是否滿足實際施工需求，本文以鎮(zhèn)江市少姑山-刺莉山水泥用灰?guī)r礦石加工工程項目為例，進行實例分析。

3.1? ?工程概況

該工程項目位于鎮(zhèn)江市潤州區(qū)韋崗街道原聯(lián)合水泥廠內(nèi)，占地面積約為82.5畝。該項目包括19個單體建筑，其中1個單體廠房的框架為鋼結(jié)構(gòu)，其建筑面積為1358.6m2，建筑層數(shù)為2層，建筑高度為19.7m。主體鋼結(jié)構(gòu)柱1～5軸的間距為9m，A-B軸間距分別為3m、6m、3m、6.35m。廠房為二跨，跨度為12m和6.35m。A-B軸屋面坡度為6.67%，B-C軸為平屋面。

該廠房結(jié)構(gòu)分為一篩廠房、二篩廠房、壓濾車間、成品堆棚、制砂車間、轉(zhuǎn)運站、通廊等。鋼結(jié)構(gòu)工程中，主受力體系為中心區(qū)域的鋼框架。該鋼框架由鋼柱、鋼梁、鋼筋桁架、樓承板組合而成。該廠房總用鋼量約為5.5萬t，其鋼結(jié)構(gòu)施工效果如圖2所示。

如圖2所示，該鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過拼裝等形成圖中效果。鋼結(jié)構(gòu)在室外靜置10d之后，采用三維掃描技術(shù)，復測該鋼結(jié)構(gòu)件的安裝位置偏差，從而判斷該鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用本文設(shè)計的用于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工的三維掃描技術(shù)的可行性。

3.2? ?應(yīng)用結(jié)果

隨機選取該廠房編號為10-01至10-10的10個鋼結(jié)構(gòu)件，利用三維掃描技術(shù)，確定鋼結(jié)構(gòu)件的安裝數(shù)據(jù)，在鋼結(jié)構(gòu)三維模型的X、Y、Z坐標中，確定其的參考值。再將該參考值作與三維掃描得出的鋼結(jié)構(gòu)件的實際值進行對比。

使用本文設(shè)計的應(yīng)用于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工的三維掃描技術(shù)進行三維掃描之后，其三維掃描實際值與三維建模參考值的偏差越小，說明鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量越佳。三維掃描技術(shù)應(yīng)用結(jié)果如表3所示。

如表3所示，在鋼結(jié)構(gòu)施工的過程中，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝位置均需要進行配準，鋼結(jié)構(gòu)件安裝偏差越小，越能夠滿足其質(zhì)量要求。X、Y、Z為鋼結(jié)構(gòu)件的三維坐標，其三維掃描實際值與參考值越接近，鋼結(jié)構(gòu)實際安裝位置與三維建模位置越接近，施工質(zhì)量越佳。

應(yīng)用本文設(shè)計的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工的三維掃描技術(shù)之后，10-01至10-10的X、Y、Z坐標的三維掃描實際值與三維建模參考值之間僅存在±0.1mm的誤差，甚至在編號為10-02、10-03、10-5、10-07、10-08鋼結(jié)構(gòu)件的三維掃描實際值與三維建模參考值保持了高度一致。鋼結(jié)構(gòu)件的安裝偏差很小，安裝完全符合技術(shù)要求，達到了本文研究目的。

4? ?結(jié)束語

近些年來，鋼結(jié)構(gòu)因其噸位、韌性、受力性能等優(yōu)勢，在復雜的建筑結(jié)構(gòu)中脫穎而出，成為高層建筑的常用構(gòu)件。將三維掃描技術(shù)應(yīng)用在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工中，從鋼結(jié)構(gòu)件的預拼裝和吊裝2個方面，可避免鋼結(jié)構(gòu)件的安裝偏差，從而實現(xiàn)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量施工，有效地延長了建筑的使用壽命。

參考文獻

[1] 彭鴻志.圓環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)施工要點分析：以唐王城千年屯墾文

化體驗中心項目為例[J].房地產(chǎn)世界，2023（16）：124-126.

[2] 陳志華，郭芳菲，劉紅波，等.安平縣文化體育活動中心屋

頂鋼結(jié)構(gòu)施工過程監(jiān)測研究[J].空間結(jié)構(gòu)，2022，28（3）：63-

66+85.

[3] 李銘，付雅娣，張元杰，等.城市副中心歌劇院工程鋼結(jié)構(gòu)

屋蓋卸載施工過程監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2022，53

（8）：1049-1052.

[4] 魏鑫，歐德欣，包尊杰.“新基建”及智慧建造背景下工程

施工技術(shù)理論應(yīng)用與發(fā)展：基于復雜鋼結(jié)構(gòu)工程施工[J].工

程建設(shè)與設(shè)計，2022（5）：114-116.

[5] 劉占省，史國梁，焦?jié)蓷?基于數(shù)字孿生的預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施

工安全智能化分析方法[J].建筑科學與工程學報，2022，39

（4）：157-165.

[6] 陳吉光，翟正杰，王允帥.BIM技術(shù)在上合組織青島峰會新

聞中心項目鋼結(jié)構(gòu)施工和屋面施工標高控制中的應(yīng)用[J].建

筑結(jié)構(gòu)，2022，52（S1）：1956-1961.

[7] 張濤，蘇凱，孫逸飛，等.龍湖國際中心北樓高空疊挑疊縮

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工一體化技術(shù)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2022，52

（S1）：2956-2960.

[8] 章國勝，黃軒安.BIM技術(shù)在大型超大跨度鋼結(jié)構(gòu)拱桁架

屋蓋施工中的應(yīng)用：以2022年杭州亞運會曲棍球場為例[J].

工程技術(shù)研究，2022，7（8）：12-17.