三維掃描技術在模塊通廊荷載試驗變形監測中的應用研究

李萬慶，馮明宇，孟文清，3，張亞鵬，3，劉 爽

(1.河北工程大學 管理工程與商學院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038；3.河北省裝配式結構工程技術研究中心，河北 邯鄲 056038)

三維激光掃描技術是近幾年發展起來的一種新型的測量技術，與以往傳統的單點式采集數據方式不同，它是利用三維激光掃描儀掃描得到目標物表面點云的三維空間坐標，該技術也被稱為“實景復制技術”。三維激光掃描技術是一種非接觸式、全自動、高精度的立體式掃描技術，它可以實現對物體全面的測量[1-3]，彌補了單點式測量方法的不足，具有獲取數據速度快、獲取數據信息量大、精度高、非接觸測量等諸多優勢。三維激光掃描技術逐漸應用到一些新的環境領域：采石采礦、建筑設計、變形監測、隧道工程、質量控制等[4，5]，如在某氣膜球倉施工過程中，使用三維激光掃描技術成功監測了施工過程倉壁的整體變形。

模塊通廊是一種具備模塊化施工能力的新型通廊結構，工作效率高，施工周期短。這種模塊式通廊在批量應用實際工程之前，應對其進行力學性能研究，由于這種通廊結構是由不規則外型的構件組裝而成，在變形監測中傳統單點式測量不能反應結構整體變形的變化規律。將三維激光掃描技術引用到結構試驗的變形監測中，可以獲取高精度、高分辨率的數字模型，一方面可以避免傳統變形監測點數據分析的局部性和片面性，另一方面也可驗證三維激光掃描技術在結構試驗中的適用性與精確性。

1 試驗概況

試驗對象為模塊式單輸送帶輸煤通廊單跨，通廊主體結構為Q235-B的鋼框架結構，底板采用KST板。結構跨度為36m，采用簡支梁結構，橫截面寬度3.6m，通廊結構斷面如圖1所示；試驗擬通過此通廊結構足尺模型進行分級加載及破壞性試驗，了解并掌握這種結構形式的力學性能，進而得

到最優的結構設計方案，現場試驗如圖2所示。試驗豎向荷載采用分級加載，位移測量通過位移計布置與三維掃描同步進行，單點測量所使用的位移計布置在底縱梁下方，軸網及位移計布置如圖3所示。期間觀測的內容包括：結構在豎向荷載作用下的整體變形及最大撓度，結構達到承載力極限時的破壞形態。

圖1 模塊式通廊結構(斷面圖)(mm)

圖2 通廊實體模型圖

圖3 軸網和位移計布置圖(mm)

2 試驗難點及解決方案

2.1 試驗難點

1)得到通廊整體結構和任意位置的變形信息。試驗要求得到在不同荷載等級下結構的整體變形、各構件任意位置變形情況以及最大變形發生部位，得到結構各構件不同位置在相應荷載等級下的位移數據和荷載位移曲線，而位移計只能得到某個點的變形數據。

2)位移測量精度需滿足試驗需求。結構試驗測量精度要求較高，測量儀器的性能及誤差也應與結構試驗的規模、目的相適應。

2.2 解決方案

1)針對位移測量方式不再選用傳統的單點式位移計，而是選用三維掃描技術得到結構的全方位三維模型。三維掃描儀Trimble TX8具有360°×317°的視場角和每秒1000000點的數據獲取速度，能快速全方位非接觸式獲取目標內、外表面的精確數據。三維掃描儀的工作原理是在被測對象周圍合理布置測站，在每個測站進行三維掃描，可得到測站間對象的三維點云模型。通過Real Works將配準后的點云圖進行裁剪，去除冗余點云數據，可得到通廊的三維點云模型[6，7]。三維點云越密集點云間距越小，則精度越高。

2)為保證測量時的精度將采用系列措施。三維掃描儀Trimble TX8在其整個120m測程范圍內都可以保持高精度測量，測距系統誤差小于1mm，而對于結構試驗來說精度要求更高，在測量過程和點云數據整合過程中都會產生誤差，為保證準確和提高精度，將采用以下測量手段[8]：①測站布置盡量多。則點云數疏密與測站布置數成正比，測站布置越多，則測站與測站間重合的點云數目則越多，這樣更能減少點云間距造成的誤差；②掃描分為粗略掃描和精細掃描，粗掃完成后可進行視圖裁剪，裁剪出的視圖可進行精細掃描，即在既定角度內進行掃描且保持更高精度、高密度的點云獲?。虎郾ＷC現場環境的安靜，減少噪音和震動；④在布置球狀目標靶的同時，新增加黑白目標靶；在每次掃描過程中，球狀目標靶布置合理即完全可完成掃描任務和配準工作，新增黑白目標靶可使每個測站連接更加緊密，重合度大大提高，從而使目標靶帶來的誤差降至最低。

數據采集完成后使用Real Works軟件對 點云進行裁剪、去噪等處理，同時進行點云分割，利用分割工具把不需要的點云刪除，留下研究對象的點云信息。通過以上的處理，可以得到只含有通廊的完整三維點云模型，如圖4所示。

圖4 去噪配準后的通廊點云圖

3 測量結果分析

3.1 變形分析

加載前首先對結構進行一次三維掃描，得到通廊加荷前的初始形態三維點云圖；在荷載試驗過程中，每級荷載加載完畢直至穩定后，對通廊結構再進行一次三維掃描，得到該荷載級別下的三維點云圖；通過對比設計圖與初始形態的點云圖可以得到結構的初始幾何缺陷，通過對比各級荷載下的三維點云圖與初始形態的三維點云圖可以得到變形部位的發展情況。

3.1.1 初始缺陷的監測

傳統的檢測初始幾何缺陷的方法一般為肉眼觀察，對于不規則結構很難定量地描述初始缺陷的大小、深度、形狀等。利用Real Works的切片和數據導出功能，將豎向預加載前的點切片點云與設計圖導入到一個文件中進行對比，很容易可以看到通廊某一位置在初始狀態就與設計不同，明顯看出波紋板上部弧形部位A面有凹陷，變形約為20mm，現以距3軸800mm位置處剖切為例，如圖5所示。根據現場觀測，波紋板已出現多處凹陷。經檢查，A面5、6軸之間凹陷處1，深度約為16mm；A面8、9軸之間凹陷處2，深度約為21mm，凹陷范圍約在高度2850～3450mm處。

圖5 距3軸800mm處波紋板初始變形示意圖

3.1.2 任意位置變形的監測

圖6 距1軸12966mm剖切位置波紋板最大位移

通過任意豎向剖切得到的單片點云與初始形態的單片點云圖做對比，可得到此位置的結構變形信息。以豎向780kN持荷狀態下的點云切片與豎向預加載卸荷點云切片進行對比，分別在A面5、6軸之間凹陷處1、在B面8、9軸之間凹陷處2處進行剖切，得到的點云切片如圖6、圖7所示；其中通廊A面波紋側板凹陷處1最大水平位移為86.55mm，凹陷處2最大水平位移為67.69mm。

圖7 距13軸12946mm剖切位置波紋板最大位移

同樣，也可在某位置進行水平剖切，得到某個高度上的通廊單片點云，再與初始形態的點云圖做對比，可明顯看出通廊在此平面上的變形情況；在豎向873kN持荷狀態下，沿支座底部向上偏移3180mm進行剖切為例，明顯看出在此平面上波紋側板的變形位置與大小，通過豎向和水平剖切，然后進行點云切片對比，可以得到通廊表面任意位置的變形情況。變形明顯部位區域的水平變形量見表1。

3.2 測量精度分析

為了驗證三維掃描儀的精度，將單點式測量與

三維掃描技術得到的數據進行對比。通過點云處理可以觀察豎向預加載卸荷后與豎向873kN持荷狀態下底縱梁的變形情況，并且可以得到底縱梁在873kN持荷狀態下相對于預加載卸荷后任意位置的變形信息。單點式測量中位移計所測值與三維掃描技術位移所測值見表2，從表2中可以看出，兩種方式測值相差很小，基本保持在1mm內，說明三維掃描技術這種測量方式與位移計測值基本吻合，同時能為傳統測量方式起到補充變形數據的作用[9，10]。

表1 A面波紋板剖切位置水平位移 mm

表2 兩種測量方法底縱梁位移值對比 mm

注：上述測點位移值均為與豎向預加載卸荷所測值之差。

4 結 語

通過對模塊式通廊進行三維激光掃描，高效快速地獲得了高精度、高密度的點云數據，分析處理后可得到通廊表面任意位置的變形信息，以及整體變形、初始變形信息。對三維掃描與傳統儀器測量數據進行對比，兩種方式測得的通廊變形信息基本符合，誤差小，滿足精度要求，而且三維激光掃描技術克服了單點式測量技術的局限和不足，同時也可為結構構件的加工制造和力學性能分析提供大量、充分的數據。因此，利用三維掃描技術可以全面監測通廊結構受荷過程中的變形情況，信息可靠、全面，此技術可作為一種高效的量測手段應用于大型工程結構試驗中對結構變形進行監測分析。