三維激光掃描虛擬預拼裝技術在鋼結構工程上的應用分析

付洋楊

【摘要】三維激光掃描虛擬預拼裝技術利用三維激光掃描儀復建出被測目標的三維模型等各種數據點云模型，在計算機中進行虛擬預拼裝，簡便高效地分析比對數據，驗證構件的加工制作對接精度。本文以濟青高鐵站房工程為例，講解鋼結構專業上的三維激光掃描儀虛擬預拼裝應用技術。

【關鍵詞】鋼結構預拼裝;三維激光掃描;對接精度

1.引言

構件需要預拼裝常見于構件或結構復雜、運輸超限、以及現場安裝條件差等情況下，這意味著進行預拼裝即面對著諸多困難。為滿足現場一次拼裝和吊裝成功率，確保下道工序的正常運轉和安裝質量達到規范、設計要求，進行實體預拼裝需耗費較多的人力物力，并且需要較大的空間以及較長的時間。

三維激光掃描虛擬預拼裝技術利用三維激光掃描儀記錄被測物體表面的點的三維坐標和紋理反射率等信息，快速復建出被測目標的面、體以及三維模型等各種數據，然后使用點云處理及數據對比分析功能的軟件（SCENE、Geomagic Qualify等），在計算機中進行虛擬預拼裝。

在模型數據的對比分析中，可以簡單高效地得到構件的加工尺寸偏差數據（圖1），更加直觀地了解構件對接部位及其他關鍵部位的偏差分布，對偏差密集的區域或是關鍵部位進行點注釋，驗證構件的加工制作對接精度。

本文主要通過三維激光掃描虛擬預拼裝技術在濟青高鐵紅島站房工程的應用，探討介紹利用三維激光掃描儀在鋼結構中進行虛擬預拼裝的應用。

2.項目概況

濟青高鐵紅島站房工程位于山東省青島市高新區，總建筑面積約7萬m2，建筑規模17億元。項目設計理念采用中國工程院院士程泰寧設計的“觀海聽濤”方案，整體呈現浪花造型，并設有觀景平臺，為全國首個海景高鐵站房。

本工程為鐵路與軌道交通中的主體站房，站房鋼結構長262m，寬248m，候車層為箱型平面桁架構件主要包括鋼管柱、箱型平面桁架、H型鋼梁、系桿和隅撐等類型（圖2）。旅服夾層主要包括鋼柱和鋼梁。中心屋蓋為多跨連續三角形空間管桁架結構，結構由橫向主桁架、縱向主桁架及次桁架組成。南北浪花為箱型和H型組合空間桁架結構。總用鋼量約3.7萬t。

中心屋蓋鋼結構的多跨連續三角形空間管桁架拼裝難度大（圖3），對拼裝精度有極大的要求。利用三維激光掃描虛擬預拼裝技術將三段構件掃描，在計算機中進行分析比對，可以最大地節約成本，最便捷地得出預拼裝結論。

3.外業掃描獲取數據

3.1設備選型

本工程采用了Focu3DX330型三維激光掃描設備（圖4），其最大掃描距離能達到330m，掃描速度最快達97600個點/s，測距誤差為±2mm，完全能夠滿足大范圍快速高精度測量的需求。

3.2設備架設

中心屋蓋的多跨連續三角空間管桁架分為三段進行預拼裝，三段構件按照批次分布在現場不同位置，利用三維掃描儀便攜、快速的特點，每個構件都通過不同角度轉換站點，在現場完成構件全方位的掃描（圖5-6）。

4.數據處理

4.1點云模型處理

外業采集的各測站點數據利用SCENE軟件進行初步的處理（圖7-8）。

4.2模型虛擬預拼裝

將整理好的點云模型利用Geomagic qualify軟件進行合并、拼接（圖9-12）。

4.3對比分析

Geomagic qualify軟件可以使用拼接好的點云模型與標準模型進行3D或2D對比分析。3D對比分析可以讓我們對構件的整體偏差有一個直觀的了解，2D對比分析可以對偏差比較密集或者比較關鍵的部位進行更加全面的對比分析（圖13-14）。

通過將掃描的數據與標準模型的對比分析，我們可以直觀地了解制作、拼裝的誤差，在構件出廠前可以對制作不合格的構件進行矯正，嚴重不合格的進行報廢處理，杜絕不合格產品出廠。同時在現場弧形大梁的拼裝過程中也可以對拼裝進行指導，預拼裝好之后整體掃描一遍（圖15），誤差在允許范圍之內才能進行焊接，誤差過大需根據對比分析結果進行及時調整，焊接完成之后進行復測，誤差在允許范圍內才可進行吊裝。

5.結束語

三維激光掃描虛擬預拼裝技術擁有掃描速度快、實時性強、精度高等特點。能夠對任意物體進行掃描，采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數據。快速將掃描的信息轉換成計算機處理的數據，相比人工手動統計計算，避免了人為疏忽導致數據產生錯誤的可能性。偏差數據不僅可以表現在模型上，用不同的顏色來表示不同的偏差范圍大小以及偏差分布，也可以以圖表的形式呈現。又或者創建點注釋，標出構件的詳細尺寸偏差。可以將所有對比分析操作生成報告并以pdf格式保存，方便保存與隨時查看。更加全面快捷地復核鋼結構節點的安裝精度，為后續安裝提供依據，對提高鋼結構工廠加工及現場安裝的效率與質量有著十分積極的作用。

參考文獻

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