橋梁施工全過程中三維激光掃描技術的應用要點

史永宏

（山西交通職業技術學院， 山西 太原 030021）

三維激光掃描技術是工程測量的一大突破，具有“復現”功能，能夠同時采集X，Y，Z三方向坐標和坐標點的RGB顏色信息。既可以根據二維CAD圖和設計數據生成模擬三維模型，又可以基于現場采集的點云數據生成計算機三維效果圖，可實時查看實際施工與施工設計差別，從而有效避免各類不規范施工帶來的質量隱患。目前，三維激光掃描技術已經成為橋梁施工全過程中不可缺少的一部分，各企業成立專業化管理團隊為整個施工保駕護航，然而，拱橋施工的步驟十分繁瑣，應力分析要求高，各部件精度要求也非常高，三維激光掃描技術的運用仍存在一些難點。為了解決現有的三維激光掃描難點，從三維激光掃描的基本工作流程入手，詳細闡述了發揮三維激光掃描作用的應用要點。

1 橋梁施工內容的概述

此項目是鋼管混凝土拱橋，全長280.6m，寬16m，拱肋總高5.50m，總寬2.15m，拱上橫撐共計10道，全部采用K字型，間距30m。在施工過程中，拱肋采用“以直代曲”的分段鋼管組裝安置，每段鋼管全部在工廠拼接完成進行現狀起吊安裝，而后，進行橋板鋪設，完成拱橋兩端的對接。為了保障以上橋梁結構與設計尺寸、位置的一致性，需在施工全程進行三維激光掃描定位，在監測平臺進行橋梁部件的位置偏移分析和應力變化。整個過程以Robot和Revit兩個處理軟件為主，對施工各階段多次現場采集數據結果進行自動化處理，從橋梁施工進程和部件形變兩個方面，實現為橋梁施工全過程提供基礎的數據信息支持。

2 三維激光掃描技術的基本工作流程

三維激光掃描是繼GPS技術后的測量方式的重大創新，能夠精確判斷橋梁各部位的變形情況。靈活、簡易的操作設備能夠收集到橋梁施工現場各個位置的數據信息，形成位置點云數據庫，再經內業軟件處理，實現在計算機平臺上場景復現，其基本工作流程如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術的基本工作流程

2.1 現場采集

現場采集處于數據產生階段，是對施工進度中各個施工場景的統稱。在基坑和樁基施工階段，需要收集基坑抽水、鋼筋安裝等數據；在墩臺施工階段，收集墩臺身和墩臺冒的定位信息；在拱肋搭建和合攏施工階段，需要監測整個搭建過程各部件形變；在橋面鋪設階段，收集好橋梁沉降數據。每個現場都需要全面、準確的三維數據，否則便會影響到后期的信息處理判斷。

2.2 數據輸出與處理

掃描到的數據是帶有顏色信息的三維坐標數據，與全站儀、水準儀所測數據相比，此數據包含的信更多，需采用配套軟件進行數據輸出。但是，原始數據量大、冗雜信息多、各場景起始坐標不一致等問題，需要采用數據配準、數據去燥、數據精簡等步驟才能進入到智能化的監測系統。由于橋梁各個場景的部件尺寸、形狀差異化明顯，數據處理的方式存在著一定的差異，需要進行分批處理。

2.3 生成三維模型

在Robot和Revit兩個內業處理軟件的支撐下，三維激光掃描數據與施工設計的CAD圖便能夠疊加在一起，直觀顯示出實際施工與施工設計之間的差異。與以往的測量結果不同，多個場景的模擬還原能夠幫助施工管理者從施工進度、施工工序、橋梁形變等方面看到施工存在的問題，及時做出施工調整，彌補了傳統后期補救方法的不足。

2.4 模型分析應用

模型分析應用是發揮三維激光掃描技術價值的核心步驟。根據BIM處理技術的現有功能，可通過計算機處理得到橋梁施工現場任意方向的截面圖；可得到時差序列上同一區域的施工變化來分析施工進度；可得到時差序列上同一位置的橋梁形變，探索橋梁變形規律。這些處理成果都能夠快速實現，且精度比以往的傳統測量還要高出許多。

3 三維激光掃描技術的應用要點

三維激光掃描技術減低了測量從業人員的現場采集工作量，同時，增加了數據處理的工作量。為了能夠向橋梁施工管理者提供正確、高精度的處理結果，仍需要把握住三維激光掃描技術的應用要點，做好細節處理工作，分以下幾點進行闡述：

3.1 施工現場測點布置的應用要點

橋梁施工雖然具有多個階段，每個階段都需要進行觀測，但墩臺頂施工和拱肋安裝兩個施工現場往往因結構連續體系的影響產生遮擋部分、遮擋點，給后期的三維模型擬合精度造成巨大影響，有必要做好施工現場的測點布置。一是形成多截面交叉測點網。當掃描對象周圍布滿輔助鋼管支架時，將其分為4～6個截面，并分上、中、下三個部分進行掃描，避免出現大面積的露點；二是每次保留固定區域點，如：標靶。多場景擬合形成時間序列圖時可根據固定區域點進行數據配準，實現同空間的施工比較；三是提高掃描精度，采用分辨率為 1：1、質量為 4×等參數，對測點25m距離內的點進行密集掃描，收集到各部件細節。

3.2 數據預處理技術的應用要點

一般而言，掃描的數據導入配套軟件后進行一鍵操作，得到精簡后的數據結果，但橋梁施工的三維數據則需要根據具體施工現場選擇對應的處理方法，避免數據稀疏度高而損失精度信息。一是基于標靶進行數據配準。因標靶在每次測量中都位置保持不動，軟件便可根據多次中共有的標靶坐標完成坐標系的統一；二是剔除數據噪聲。觀測到的施工人員、施工設備以及臨時施工材料都進行目視解譯剔除，降低噪聲數據的干擾；三是根據施工部件分類簡化。采用八叉樹算法，對部件形狀變化小的進行高度精簡，包括：橋板面、墩臺頂面；對形狀變化劇烈、結構精細的部件進行輕度簡化，包括：拱肋分段鋼管、橫撐等。

3.3 BIM技術生成三維模型的應用要點

主流的BIM技術軟件為Robot和Revit，其強大的數據擬合功能，能夠實現數據點自動擬合。為了達到橋梁施工的精度要求，還需要選擇合適的擬合算法，否則會大大降低實用性能。一是深度去燥。通過過濾器設置距離、偏移角度、顏色信息差異等參數信息，在數據預處理的基礎上，對每個區域選擇性去燥；二是數據擬合。將處理好的數據進行擬合處理，以插值擬合的方式形成點云面，糾正空間性擬合偏差和明顯錯誤；三是生成三維模型。以點云面積為基礎進行“點”到“面”的轉化，通過預覽窗查看三維模擬效果，對其色彩、比例、顯示方式等參數進行修改，以達到橋梁施工可視化要求。

4 結語

通過對鋼筋混凝土拱橋全過程中三維激光掃描的基本工作流程分析后，列出了各個步驟下的應用要點。此方法能夠改變傳統測量“后知后覺”的監測弊端，且速度快、測點多、三維模擬處理效果好，擴大了測量工作的服務范疇，是未來橋梁工程測量的主要發展方向之一。