三維激光測(cè)量技術(shù)在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建造中的應(yīng)用

祝明然

(山東省國(guó)土測(cè)繪院,山東 濟(jì)南 250101)

目前大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑多采用核心筒+外框鋼結(jié)構(gòu)+樓承板結(jié)構(gòu)形式，但由于目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)加工鍛造廠缺少先進(jìn)有效的誤差檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，導(dǎo)致鋼構(gòu)件加工、拼裝、累積等誤差[1]，并造成廢料返工，嚴(yán)重影響了施工質(zhì)量，給超高層建筑留下潛在安全隱患。

BIM技術(shù)是以三維動(dòng)態(tài)顯示為基礎(chǔ)，包含了諸多信息模型[2]。隨著科技發(fā)展，三維激光掃描及BIM技術(shù)逐漸進(jìn)入汽車、航空、建筑等領(lǐng)域，為大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)超高層工程建造提供了先進(jìn)有效的技術(shù)手段。地面三維激光掃描誤差包括系統(tǒng)誤差和偶然誤差[3]，距離、水平角、垂直角的測(cè)量精度直接影響點(diǎn)位精度[4- 5],經(jīng)檢較后，誤差一般可以控制在毫米級(jí)[6]，手持便攜式掃描儀也能控制在0.007 mm以內(nèi)[7- 8]，能很好地滿足大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建造誤差檢測(cè)、監(jiān)測(cè)要求。

1 方案介紹

1.1 傳統(tǒng)大型復(fù)雜鋼構(gòu)件誤差檢測(cè)方案

傳統(tǒng)的測(cè)量方法使用游標(biāo)卡尺、全站儀等工具進(jìn)行量測(cè)，數(shù)據(jù)單一，與鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)模型比對(duì)時(shí)，較難確定對(duì)齊基準(zhǔn)。同時(shí)由于鋼構(gòu)件復(fù)雜性的增加及關(guān)鍵尺寸的多次調(diào)整，導(dǎo)致這種測(cè)量方法耗時(shí)、費(fèi)力，增加了勞動(dòng)成本，無(wú)法滿足大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)環(huán)境下誤差檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)需求。

1.2 基于三維激光掃描技術(shù)的BIM預(yù)制驗(yàn)證方案

1.2.1 軟硬件系統(tǒng)

(1) 地面三維激光掃描儀、便攜式激光掃描儀(跟蹤儀)、云梯等用于高精度、高密度附帶回光強(qiáng)度信息的鋼結(jié)構(gòu)及復(fù)雜隱蔽節(jié)點(diǎn)三維激光點(diǎn)云獲取。

(2) FARO SCENE、Geomagic Studio、Geomagic Qualify等用于點(diǎn)云去噪、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、誤差分析統(tǒng)。

1.2.2 技術(shù)方法與流程

本文通過(guò)試驗(yàn)和研究，提出了三維激光掃描技術(shù)在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建造中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)流程。首先，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘了解大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，合理選配三維激光掃描設(shè)備。在事先BIM預(yù)制驗(yàn)證中本文主要使用地面三維激光掃描儀，使用便攜式掃描儀及激光跟蹤儀隱蔽盲區(qū)特征量測(cè)。復(fù)雜地面對(duì)象表面一般采用多測(cè)站多視角環(huán)繞式掃描方式，再通過(guò)分塊數(shù)據(jù)拼接處理獲得完整表面點(diǎn)云。針對(duì)事后焊接拼裝的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)場(chǎng)景，采用三維框架控制掃描技術(shù)[9]，即在實(shí)際工程中對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體查勘，繪制布局圖，根據(jù)工程布局復(fù)雜度分別布設(shè)頂面框架控制網(wǎng)及側(cè)面框架控制網(wǎng)，并注重頂面和側(cè)面框架控制網(wǎng)連接站的布設(shè)，靶標(biāo)或特征控制連接點(diǎn)選取4～5個(gè)，以減小點(diǎn)云整體拼接誤差[10]。

其次，利用靶標(biāo)或特征信息[11- 12]進(jìn)行分塊點(diǎn)云融合、格式轉(zhuǎn)換、賦色，數(shù)據(jù)量太大時(shí)可對(duì)融合后點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重分割。目前BIM預(yù)制模型有Revit、Tekla等軟件格式，要在同一框架下與實(shí)際掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)比對(duì)，需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。以Revit軟件下BIM模型為例，可以選擇實(shí)體導(dǎo)出CAD格式(一般為三維多段線，必要時(shí)需進(jìn)行參數(shù)化處理)，然后在Rhino軟件下保存為OBJ通用格式，繼而與噪音、體外孤點(diǎn)、冗余數(shù)據(jù)去除后的修整點(diǎn)云進(jìn)行最佳擬合，最后進(jìn)行三維誤差分析。根據(jù)偏差結(jié)果，對(duì)鋼構(gòu)件及下一步工程建造計(jì)劃及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

最后，為順利實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)部件實(shí)際掃描三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與Revit軟件下BIM預(yù)制模型的坐標(biāo)統(tǒng)一，將三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Geomagic下進(jìn)行了坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、逆向建模等處理，將Revit支持的三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入并進(jìn)行誤差分析。工藝流程如圖1所示。

2 大型復(fù)雜鋼構(gòu)件部件誤差檢測(cè)案例

2.1 方案設(shè)計(jì)

超高層建筑云鼎大廈為山東第一高樓，其大型鋼結(jié)構(gòu)部件每段6 m左右，且焊接有牛角等部件。由于國(guó)內(nèi)鍛造加工技術(shù)較國(guó)外仍有較大差距，這些部件在加工焊接時(shí)與BIM預(yù)制模型存在厘米級(jí)誤差，在焊接裝配工程建造中又會(huì)產(chǎn)生焊接、累積誤差等。本文選用FARO地面三維激光掃描儀及配套FARO SCENE軟件，并將Revit軟件格式的BIM鋼構(gòu)件模型在Rhino軟件下轉(zhuǎn)換至OBJ通用格式；將拼接修整后的完整鋼構(gòu)件三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Geomagic Studio中進(jìn)行點(diǎn)云冗余、噪點(diǎn)、孤點(diǎn)剔除；再將BIM預(yù)制模型與實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Geomagic Qualify下進(jìn)行最佳擬合、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行三維誤差分析。結(jié)果如圖2所示。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析以偏差色帶、柱狀圖、統(tǒng)計(jì)表等形式直觀展現(xiàn)偏差分布，如圖3和表1所示。

表1 偏差統(tǒng)計(jì)

鋼構(gòu)件BIM預(yù)制模型與實(shí)際掃描點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)整體最佳擬合，通過(guò)采樣點(diǎn)比對(duì)統(tǒng)計(jì)，90%以上加工偏差保持在1.5 cm以內(nèi)，經(jīng)檢查，為鋼構(gòu)件添加冗余部件所致。本文工藝流程為大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)部件的偏差檢測(cè)提供了科學(xué)有效參考，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了測(cè)試模型坐標(biāo)系與參考模型坐標(biāo)系的一致性轉(zhuǎn)換，為Revit下逆向模型的導(dǎo)入比對(duì)提供了統(tǒng)一坐標(biāo)框架。

綜上所述，基于三維激光掃描技術(shù)的BIM預(yù)制驗(yàn)證方案，通過(guò)與設(shè)計(jì)模型最佳擬合進(jìn)行三維誤差分析，有效直觀地展示了大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)部件加工誤差，可快速獲取建筑物特征點(diǎn)點(diǎn)云[13]，相比傳統(tǒng)全站儀、游標(biāo)卡尺量測(cè)模式，數(shù)據(jù)更為豐富，展現(xiàn)更為直觀，解決了傳統(tǒng)方式比對(duì)基準(zhǔn)難以確定的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)逆向工程，也為統(tǒng)一框架下BIM預(yù)制模型調(diào)整分析提供了數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建造中鋼構(gòu)件誤差檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)方案，在鋼構(gòu)件加工階段，事先檢測(cè)生產(chǎn)模型與BIM預(yù)制模型的符合程度，將鋼結(jié)構(gòu)誤差在設(shè)計(jì)階段和生產(chǎn)過(guò)程中予以削弱，避免了鋼構(gòu)件在施工地與加工廠之間返工運(yùn)輸?shù)某杀鞠模岣吡舜笮蛷?fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建造精度和效率，為以后大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建造提供了先進(jìn)的技術(shù)支撐和借鑒方案。

未來(lái)的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程智能建造及建筑變形監(jiān)測(cè)[14]，需要高精度三維激光掃描設(shè)備及完整技術(shù)方案的支撐。如何利用各種精密三維激光掃描設(shè)備搭建完整的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程智能建造監(jiān)測(cè)流水線，并突破各領(lǐng)域軟件之間的接口瓶頸，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一框架下BIM子模型自動(dòng)提取[15]與實(shí)際掃描逆向工程數(shù)據(jù)及整體大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)模型的無(wú)縫快捷對(duì)接，是下一步值得研究的重點(diǎn)問(wèn)題。