基于BIM技術的橋梁構件檢測方法研究

【摘要】文章通過介紹橋梁構件常見的測試方法存在的局限性，提出一種基于三維掃描技術的新型測試方法，即通過使用激光掃描儀對橋梁構件進行全面掃描，生成高精度的三維模型，并使用計算機輔助設計軟件進行分析和比對，可快速準確地測量出構件的尺寸偏差。經(jīng)過試驗，驗證其可行性和準確性。結果表明，該方法對提高橋梁構件的質(zhì)量控制和安全性具有重要意義。

【關鍵詞】BIM；尺寸偏差；橋梁構件；三維掃描技術

【中圖分類號】TU997 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）09-0025-03

0 引言

近幾年來，BIM技術已在國內(nèi)建筑業(yè)及橋梁工程等領域?qū)崿F(xiàn)廣泛應用，幾乎每項建筑工程均有相應的BIM與之配套。然而，當前BIM的應用大多局限于項目演示階段，未能充分挖掘潛在價值與實際效能。依據(jù)設計圖稿構建BIM，并進一步將此模型轉變?yōu)辄c云模型，可獲得高精確度與全方位覆蓋的優(yōu)勢。此過程確保點云模型與設計資料的高度契合，減小匹配誤差。同時，理論模型能與實地三維掃描所得的點云模型實現(xiàn)有效比對，打破了BIM與實體點云模型之間的壁壘，加速設計參數(shù)與橋梁實體狀態(tài)數(shù)據(jù)的直接對比進程。

1 施工誤差概況分析

根據(jù)JTG/TF 50—2011《公路橋涵施工技術規(guī)范》，在橋梁工程中，對其進行總體測量時，可以劃分為兩個總體方向。

1）現(xiàn)有的點云信息中，斷面輪廓提取自動化水平較低，為解決該問題，本項目需要基于改進的凸包法，研究一種自動抽取面向常見橋梁結構部件斷面形狀的算法，實現(xiàn)基于BIM點云的橋梁部件斷面形狀可視化對比研究體系的構建。

2）為解決點云中存在的軸、特征線難以實現(xiàn)自動化的問題，本項目研究一種新的基于Delaunay三角形劃分的零件主軸自動抽取技術，以及一種基于虛格網(wǎng)的特征線自動抽取技術，在線性軸的擬合過程中，將參數(shù)預估與選擇加權的迭代方式相結合，提高計算精度。另外，借助現(xiàn)有的橋梁結構變形及軸線偏移探測成果，僅反映了實測資料中各部件當前狀況的誤差，未考慮外部環(huán)境如溫度、荷載等對誤差的影響[1]。

2 橋梁構件尺寸偏差測試的討論

就大橋的斷面尺度誤差而言，組成成分雖然簡單，但受力情況相對復雜。因此，特別是大跨度橋梁，如果斷面尺寸誤差過大，會導致全橋局部區(qū)域內(nèi)部應力異常，進而導致全橋變形，降低全橋安全性，如得不到有效防治，會大大降低全橋使用壽命。

普通的橋梁部件組成的斷面形狀大致可分為兩種，一種是變斷面部件，一種是等斷面部件。相對于變斷面部件來說，對等斷面部件的尺寸檢測相對容易一些，即只需對某個斷面進行校核，然后再根據(jù)部件的橫向和縱向的變形狀況，與設計值進行對比，從而達到復查檢測的目的。但是，由于其往往在工地上澆筑，所以很難開展直接接觸檢測，一般情況為利用全站儀等進行單測點的質(zhì)量檢驗。但設計中通常給出的是設計節(jié)點坐標，難以確定節(jié)點之間的準確位置，即便獲得實測的變斷面零件節(jié)點坐標，相同的設計坐標也很難有參考價值，兩兩相互對比的優(yōu)勢自然無法呈現(xiàn)。

本文擬將上述問題與3D激光掃描技術有機融合，研究基于凸包法的同類零件斷面點云等高線數(shù)據(jù)的自動抽取方法，并進行基于點云數(shù)據(jù)的高精度、高客觀性的優(yōu)勢，進而順利開展建模測量，同時生成與之對應的偏差檢測體系，將位置的風險阻斷[2]。

2.1 BIM實體模型與理論點云模型的轉換

對點云數(shù)據(jù)進行預處理，可以獲得與實際狀態(tài)一致的被掃描物體，并且只能在大橋上進行掃描。后續(xù)在梁的建筑檢查中，一般的檢測對象都是通過參考設計圖紙對比的方式來計算出是否與設計值存在偏差。而這些比對點一般都是通過簡單的測量來佐證的，這樣的測試方式較為抽象，容易出現(xiàn)無法全面反映橋梁結構實際狀態(tài)的問題。

近年來，我國正在積極推行BIM技術，每個建設工程都會有相應的管理模式，但一般的建設工程只將BIM作為一種演示，并未與實際工程進行深入結合。對此，相關人員應當開展思路融合，發(fā)揮BIM與3D點云的價值，實現(xiàn)BIM建模與現(xiàn)實場景的有效融合，由BIM向點云轉換，使BIM點云模型與真實點云之間近乎無偏差且能與真實點云進行關聯(lián)，解決BIM與真實點云之間的數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)快速同步、快速、準確的點云對比，將以往的抽象探測方式轉變?yōu)楦鼮橹庇^、全面的3D點云對比[3]。

BIM建立以后，一般都是一個實體幾何硬件框架，通過網(wǎng)格分割，可以把它分成許多個小的實體網(wǎng)格，然后抽取各個單元的結點坐標并轉化成坐標點，這樣即可形成BIM理論點云模型。另外，點云變換的質(zhì)量可通過三角網(wǎng)邊長計算實現(xiàn)，并且將BIM轉化為理論性的點云模型，對BIM的要求并不高，這種變換可通過軟件完成。

2.2 橋梁構件任意截面輪廓提取方法

針對給定的X未知數(shù)，相關人員需要將包含集合X凸面的所有坐標，其中S稱作集合X的凸包，本文提出一種基于凸包的方法。一般情況下，對于一個點集，凸包的方法就是在這個子點集合上找到一個由這些點組成的凸包多邊形，這樣就可以將點集上的全部點集包含在內(nèi)。至此，本研究提出一種基于凸包法的搜索算法，基本原理是以離散點集最左邊的點為基準，所有的點排列成一個極角；在凸起上按反時鐘的方向?qū)ふ乙粋€圓點。至于，在邊界點判斷的情況下，則用矢量間的叉積來實現(xiàn)這種方法。

對于以橋梁構件為研究對象，輪廓提取的算法流程如圖1所示。

在此基礎上，項目提出一種新的基于等高線算法的新算法，用于計算復雜形狀的箱梁等高線高精度曲線，并與其他類型的曲線進行比較。

2.3 橋梁構件輪廓提取與尺寸偏差檢測

研究以三維點云為研究目標，選取具有比較復雜剖面的上半部，切出中部剖面的剖面，得到的投影結果見圖2。

首先，對實測的墩柱云和BIM進行空間配準，對齊后的整體狀態(tài)見圖3。

利用點云技術，將點云轉化為 BIM的三維實體模型見圖4。

在采集到實測點云后，進行2組點云的同時分割與輪廓線提取，利用凸包型等高線提取方法，實現(xiàn)BIM與真實點云在相同高度上的配合，確定等高線的詳細指標。

通過將實測的點云數(shù)據(jù)與理論點云數(shù)據(jù)進行比對，可以看出，由于選擇的橋墩處于營運狀態(tài)，所以研究所給出的比對方法同樣適用于本橋梁的后期使用情況。但需要重點考慮結構形變等問題，減少不必要的損耗，輪廓線比較見圖5。

通過對這一段斷面進行總體比對，發(fā)現(xiàn)其與原設計值有很大差異，與原設計值相差4 mm左右，說明該橋在建設及運行過程中已產(chǎn)生一定的位移。在此基礎上，完成橋梁實體點云與BIM點云數(shù)據(jù)的分割等高線分割見圖6。

除等斷面零件外，還將研究可變斷面零件外形提取與廓線提取的手段，再分析如何在零件外形提取時，對其進行修改，并依據(jù)其結構特征，呈現(xiàn)出一種大斷面或一小斷面兩端大的發(fā)展態(tài)勢見圖7。

對于這類構件，提取思路和前述基于高程或者等截面構件略有區(qū)別者順橋梁走向?qū)嫾侄瓮队昂螅猛拱惴ㄌ崛〉雀呔€[4-5]。

3 結語

在現(xiàn)有的學術研究中，跨源點云配準的方法已有很多，但主要是在增強現(xiàn)實、建筑施工等領域內(nèi)有應用，在橋梁構件領域幾乎沒有應用。文章通過在提取輪廓之后去除分段點云，對于其余位置點云數(shù)據(jù)重新進行投影提取輪廓，這可獲得整個組件的分段輪廓線，使用計算機輔助設計軟件進行分析和比對，可快速準確地測量出構件的尺寸偏差，從而達到快速建模及橋梁構件質(zhì)量控制的目的。

參考文獻

[1] 馬潤林，董才鳳，董玉川.橋梁構件尺寸偏差測試方法的研究現(xiàn)狀[J].鐵道科學與工程學報，2019（16）：1-8.

[2] 劉亞超.三維掃描在橋梁施工幾何偏差檢測中的應用研究[J].中國科技信息，2022（24）：68-70.

[3] 樊宇，王宇楠.三維激光掃描點云數(shù)據(jù)預處理技術研究[J].科技創(chuàng)新導報，2011（32）：27-28.

[4] 張亞，山峰，王濤.三維激光掃描技術點云數(shù)據(jù)采集與配準研究[J].地理空間信息，2021，19（3）：24-27.

[5] 王志民，張建新，李志勇.基于多傳感器融合的橋梁構件尺寸偏差測試方法[J].機械科學與技術，2021，40（4）：25-30.

[作者簡介]甘宇（1989—），男，重慶人，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁施工及設計。