三維激光掃描技術(shù)在大跨度機(jī)庫屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的應(yīng)用

王 磊 李建功 李 濤 杜 欽 張化超 白晉合

北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100055

1 工程概況

北京大興國際機(jī)場南航1號機(jī)庫屋蓋跨度405 m，進(jìn)深100 m。屋蓋采用由平面桁架及單層斜放四角錐網(wǎng)架構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)體系，支承體系由箱形混凝土柱、四肢鋼管混凝土柱、雙肢格構(gòu)鋼柱及柱間支撐組成。桁架體系由沿進(jìn)深方向設(shè)置的4道45°斜向桁架及沿大門開口邊設(shè)置的下沉式大門桁架、沿結(jié)構(gòu)縱向設(shè)置的一字形桁架構(gòu)成（圖1）。大門桁架截面總高度11.5 m，下沉3.0 m；上弦中心標(biāo)高38.50 m，下弦中心標(biāo)高27.00 m；斜桁架及一字形桁架截面高度8.5 m，上弦中心標(biāo)高38.50 m，下弦中心標(biāo)高30.00 m。在上述桁架基礎(chǔ)上布置單層斜放四角錐網(wǎng)架，厚度4.25 m，基本網(wǎng)格尺寸6.0 m 6.0 m，上弦中心標(biāo)高38.50 m，下弦中心標(biāo)高34.25 m。

圖1 機(jī)庫鋼屋蓋示意

這種新型的“W”形斜桁架＋網(wǎng)架的組合結(jié)構(gòu)形式較以往機(jī)庫結(jié)構(gòu)形式減重近1 500 t，但同時(shí)也增加了施工測量的難度和工作量。對于由多達(dá)20余種規(guī)格的20 000多根桿件和大量多角度交會(huì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的新型大跨度組合屋蓋施工，選擇技術(shù)先進(jìn)且安全高效的施工方案是重點(diǎn)，應(yīng)用先進(jìn)有效的技術(shù)措施來保證鋼構(gòu)件的精準(zhǔn)安裝是關(guān)鍵。

結(jié)合工程實(shí)際情況，針對上述問題，項(xiàng)目采取地面組裝、整體提升[1]方案，鋼結(jié)構(gòu)整體提升總質(zhì)量約7 340 t，其中門頭桁架質(zhì)量約2 600 t，大廳網(wǎng)架質(zhì)量約3 800 t，檁條質(zhì)量約640 t，馬道質(zhì)量約300 t。在提升過程中必須保證同步，采取液壓同步提升并加強(qiáng)過程監(jiān)測。同時(shí)，為控制鋼屋蓋在提升過程中的變形，需要經(jīng)過工況驗(yàn)算，合理布置提升點(diǎn)位置，并進(jìn)行鋼網(wǎng)架臨時(shí)加固。

本工程鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工的重、難點(diǎn)為：在地面拼裝及整體提升過程中，必須對網(wǎng)架平面位置及三維空間位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，保證鋼網(wǎng)架在整體提升及荷載逐步增加過程中產(chǎn)生的變形量滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求；必須選用先進(jìn)的測量方法、高精度的測量設(shè)備進(jìn)行鋼網(wǎng)架施工全過程的測量定位，從而提高拼裝精度，保證整體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)安裝和安裝完成后整體結(jié)構(gòu)變形值符合要求。

2 測量方案選擇

傳統(tǒng)測量方式[2]為接觸式測量，由于以下原因，在本工程難以實(shí)現(xiàn)：

1）屋蓋跨度405 m，進(jìn)深100 m，采用傳統(tǒng)測量方式需投入大量人力、物力，測量周期長，難以滿足現(xiàn)場高效施工要求。

2）桁架截面總高度11.50 m，斜桁架及一字形桁架截面高度8.50 m，四角錐網(wǎng)架厚度4.25 m，傳統(tǒng)測量方法的操作空間要求難以滿足。網(wǎng)架提升過程中無法采用傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測。

3）桁架、網(wǎng)架拼裝高度高，提升完成后距地面30 m以上，且網(wǎng)架平面尺寸405 m 100 m，采用傳統(tǒng)測量方法需多種輔助測量措施，人力投入大、工效低，測量人員高空作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

4）傳統(tǒng)測量方法為接觸式測量，影響測量精度的因素多，且單位時(shí)間內(nèi)施測的測量特征點(diǎn)數(shù)量有限，難以實(shí)現(xiàn)覆蓋大量結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)的高效實(shí)時(shí)監(jiān)控測量。

考慮到以上因素，結(jié)合本工程實(shí)際情況，決定采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)架拼裝、提升全過程測量控制及網(wǎng)架提升完成后結(jié)構(gòu)整體三維空間結(jié)構(gòu)掃描分析，以保證整體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝的精準(zhǔn)度。本工程實(shí)施三維激光掃描技術(shù)存在以下必備條件：

1）在設(shè)計(jì)階段即結(jié)合BIM軟件進(jìn)行建模、設(shè)計(jì)，在屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工前，針對網(wǎng)架各桿件、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)并形成BIM模型[3]，為施工階段提供完整的BIM模型參照。

2）采用便攜式計(jì)算機(jī)輔助三維測量設(shè)備系統(tǒng)及軟件，在線計(jì)算機(jī)輔助三維坐標(biāo)測量，創(chuàng)建虛擬模型對現(xiàn)有模型進(jìn)行評估。

3）采用針對三維激光掃描儀研發(fā)的專業(yè)點(diǎn)云管理軟件，通過軟件特殊的計(jì)算方式，將掃描儀數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，自動(dòng)去除不合理的噪聲點(diǎn)。自動(dòng)識(shí)別掃描過程中的參考球，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)拼接。通過與全站儀和GPS大地坐標(biāo)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)以及標(biāo)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)真實(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以平差方式提高大范圍數(shù)據(jù)拼接精度。

4）全站儀在免棱鏡狀態(tài)下的測量精度不如棱鏡測量，棱鏡測量精度可以達(dá)到1 mm，三維激光掃描儀標(biāo)靶識(shí)別精度為1 mm，如果能結(jié)合兩者，即可將2 mm的精度提高到1 mm。因此，本工程將傳統(tǒng)紙質(zhì)標(biāo)靶改為特制棱鏡球以提高精度。

5）本工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，截面高度4.25～11.50 m，提升完成后整體標(biāo)高27.00～38.50 m。如何解決地面拼裝、鋼結(jié)構(gòu)提升及提升完成后高空監(jiān)測問題是測量工作的難點(diǎn)。為此，采用自主研制的磁吸式支架來解決空中測量問題。

3 測量實(shí)施

3.1 測量設(shè)備選擇

1）掃描儀。選用Focus 3DX 350s掃描儀（圖2）。

2）自制棱鏡球。本工程采用自制棱鏡球，將棱鏡與三維激光掃描儀標(biāo)靶結(jié)合在一起，制作成精度1 mm的特制棱鏡球（圖3）。

圖2 Focus 3DX 350s掃描儀

圖3 自制棱鏡球

3）磁吸式支架。本工程采用自制磁吸式支架進(jìn)行網(wǎng)架內(nèi)、提升中以及提升完成后的空中監(jiān)測。磁吸式支架可以固定在鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架桿件上（圖4），有效解決空中復(fù)雜網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)測量儀器的安置問題，節(jié)約了人力、物力，且使用安全、便捷。

圖4 磁吸式支架

3.2 三維激光掃描

3.2.1 全站儀測量控制點(diǎn)布設(shè)

機(jī)庫大廳內(nèi)部周圍布置3個(gè)控制點(diǎn)作為永久監(jiān)測點(diǎn)，利用高精度工程測量全站儀[4]建立局部坐標(biāo)控制網(wǎng)，統(tǒng)一坐標(biāo)系，并測量該坐標(biāo)系下的每一個(gè)標(biāo)靶坐標(biāo)。結(jié)合掃描儀特制棱鏡球獲取多個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)，對掃描儀局部坐標(biāo)進(jìn)行控制；特制棱鏡球與掃描標(biāo)靶擺放形成坐標(biāo)控制網(wǎng)，對機(jī)庫大廳整體掃描點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行控制。

3.2.2 掃描站點(diǎn)布設(shè)

掃描開始前，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境規(guī)劃掃描站點(diǎn)和標(biāo)靶點(diǎn)分布圖，使掃描設(shè)站以及標(biāo)靶點(diǎn)分布盡量均勻，掃描站點(diǎn)之間要有30%的重復(fù)區(qū)域。對于重點(diǎn)掃描區(qū)域，應(yīng)多角度、多方位架設(shè)站點(diǎn)，保證掃描數(shù)據(jù)90%以上的完整性。

3.2.3 標(biāo)靶布設(shè)

參考球布設(shè)在2次掃描測站中間，2站之間至少有3個(gè)可視參考球。參考球之間應(yīng)有一定的高度差，參考球到儀器的距離根據(jù)掃描儀分辨率設(shè)置有所不同，具體如下：1/1掃描分辨率對應(yīng)參考球擺放75 m，1/2掃描分辨率對應(yīng)參考球擺放45 m，1/4掃描分辨率對應(yīng)參考球擺放25 m，1/5掃描分辨率對應(yīng)參考球擺放20 m，1/8掃描分辨率對應(yīng)參考球擺放12 m。以上數(shù)據(jù)針對FARO掃描儀標(biāo)準(zhǔn)參考球直徑14.5 cm。棱鏡球直徑10 cm，應(yīng)在以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上削減30%。標(biāo)靶布設(shè)[5]與掃描儀視角方向成垂直角度，距離控制在10 m以內(nèi)。對于機(jī)庫屋蓋鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架掃描，我們采用1/4掃描分辨率3倍倍率設(shè)置[6]來進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)掃描測量。

3.2.4 掃描數(shù)據(jù)

儀器準(zhǔn)備完畢后，首先建立工程掃描文件夾，記錄掃描時(shí)間，查看掃描儀的水平傾角儀以確保掃描儀器盡量水平放置。每站均需檢查水平傾角儀并整平，根據(jù)現(xiàn)場情況及后期處理結(jié)果需求設(shè)定分辨率及質(zhì)量。

按鍵掃描之前，應(yīng)先撤出掃描區(qū)域范圍內(nèi)的施工人員。掃描后，檢查數(shù)據(jù)并查看掃描結(jié)果是否正常，參考球以及棱鏡球是否在測量范圍之內(nèi)。無誤后，將儀器搬動(dòng)至下一站，以推進(jìn)方式擺放參考球，確保與下一次測站之間至少有3個(gè)公共參考球，再布設(shè)相應(yīng)標(biāo)靶。重復(fù)上述移站步驟，完成掃描工作。

3.3 數(shù)據(jù)處理分析

3.3.1 單次測量的三維數(shù)據(jù)處理

1）將數(shù)據(jù)導(dǎo)入FARO SCENE[7]軟件，并建立工程項(xiàng)目文件。

2）數(shù)據(jù)拼接，剔除掃描噪聲及遮擋，導(dǎo)入全站儀坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)整合，迭代計(jì)算減少拼接誤差，控制整體拼接精度≤3 mm。

4）將掃描儀采集影像數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)疊加，對正掃描數(shù)據(jù)方向（使用全站儀進(jìn)行坐標(biāo)控制時(shí)跳過此步），創(chuàng)建硬盤點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

5）創(chuàng)建BOX裁剪框，提取被測主體三維掃描通用數(shù)據(jù)，創(chuàng)建工作區(qū)webshare數(shù)據(jù)包。

6）將導(dǎo)出的掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一，三角網(wǎng)化，建立三角網(wǎng)mesh模型，剔除噪聲，修補(bǔ)模型，根據(jù)曲率簡化模型，保留模型外形尺寸及細(xì)節(jié)。

7）將符合軟件要求的三角網(wǎng)模型導(dǎo)入設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)三角網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型拓?fù)浣！?/p>

8）將拓?fù)淠Ｐ团c原始高精度掃描三角網(wǎng)進(jìn)行比對分析，控制整體模型公差達(dá)到要求，對沒有達(dá)到要求的部分進(jìn)行二次修改，同時(shí)根據(jù)要求進(jìn)行模型細(xì)化。

9）將最終建立的網(wǎng)架模型在檢測軟件中對比平面圖進(jìn)行尺寸檢核，出具檢測報(bào)告，滿足要求后，導(dǎo)出通用IGES或Stp通用格式模型。

3.3.2 所有測量的三維數(shù)據(jù)處理

將所有網(wǎng)架模型以及高精度三角網(wǎng)模型統(tǒng)一至一個(gè)工程文件內(nèi)，進(jìn)行虛擬裝配分析，撰寫裝配分析檢測報(bào)告，制作點(diǎn)云漫游視頻及模型虛擬現(xiàn)實(shí)程序。

3.4 結(jié)果驗(yàn)證

將利用全站儀測量的特征點(diǎn)三維坐標(biāo)與掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)相同點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行對比，驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)測量方法相比，三維激光掃描技術(shù)在大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程施工過程中可以準(zhǔn)確、高效、安全地進(jìn)行測量、監(jiān)測工作。將三維激光掃描數(shù)據(jù)與BIM模型有效地結(jié)合，快速得出構(gòu)件實(shí)際空間位置與BIM模型之間的尺寸偏差，使參建各方更加形象地了解鋼網(wǎng)架在拼裝、提升及卸荷后各桿件的具體位置及變化，方便施工偏差的監(jiān)控調(diào)整。三維激光掃描技術(shù)為今后類似的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架工程提供了一種新型的測量、監(jiān)測方式。