三維激光掃描技術在核電廠模塊化施工中的應用

許志強，赫海濤，曹 君，孫鑫鵬，張永勝，張亞軍

（1.深圳中核普達測量科技有限公司，廣東 深圳 518120；2.深圳中核普達測量科技有限公司，廣東 深圳 518120）

0 引言

核能發電以高效性、清潔性的特點受到世界各國政府和公眾的重視，但核電廠的建造周期較長、質量要求高，研究如何實現縮短核電廠建造周期、提高建造質量對我國核電的發展具有重要意義。模塊化施工作為工程建設領域的一項重要技術，目前已在核電廠施工中得到廣泛應用。其主要采用車間預制拼裝、現場整體安裝的方式實現了現場土建與安裝工作同步進行，改變了傳統的“先土建后安裝”的施工方法，該方法對縮短核電廠建造工期具有明顯優勢。但場外模塊化施工存在設備預制完成后與現場對接的匹配性無法準確判斷的風險，如果無法準確就位則需要重新吊出處理，這將會耗費大量的時間成本和人力成本，同時也會影響到項目施工進度。

本文提出了一種基于三維激光掃描技術和數字化預拼裝技術的核電廠模塊化施工測量方法來解決這一難題。該方法利用激光測距的原理，快速復建出被測目標的三維模型及線、面體等各種圖形數據，經點云數據分析處理后生成三維模型，通過數字化預拼裝后模擬碰撞干涉位置，將調整方向以及偏移量等信息及時反饋至施工隊，預先進行處理，為豎井設備的一次就位成功提供精準、可靠的基礎。通過在某核電項目模塊化施工中進行應用，驗證了該方法的可行性，實現該項目模塊化施工在保證質量的基礎上縮短安裝工期的目的，值得在后續核電廠堆型中推廣應用。

1 三維激光掃描技術介紹

三維激光掃描技術能夠快速獲取被測物體的三維點云數據，可用于高精度的三維模型建立，與傳統的單點測量方式相比，具有高效率、高精度的技術優勢，是測繪領域繼GPS技術后的又一次技術突破，也被稱為實景復制技術。

1.1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描儀主要由測距系統和測角系統以及其他的輔助系統構成，其工作原理是通過測距系統獲取掃描儀到待測物體的距離，再通過測角系統獲取掃描儀至待測物體的水平角值和垂直角值，進而計算出待測物體的三維坐標信息值。在三維掃描的過程中通過利用自身的垂直和水平馬達等傳動裝置完成對物體的全方位掃描，實現對空間物體的連續性三維掃描測量，得出被測目標密集的三維彩色散點數據，也稱為點云數據。

1.2 三維激光掃描技術特點

三維激光掃描技術具有非接觸式測量、數字化、自動化程度高、應用廣、適應性強等特點。三維激光掃描技術利用激光測距的原理，通過反射激光直接對被測目標進行三維掃描，獲取其三維信息，形成三維點云數據。在一些特殊環境下，相較傳統的測量方法，三維激光掃描技術更具有優勢。

1.3 三維激光掃描測量誤差分析

通常情況下，三維激光掃描測量誤差分為系統誤差和偶然誤差。系統誤差是由于三維激光掃描自身儀器的影響所造成的誤差。例如，隨著測量距離的增加，儀器的發散度也會增加，而數據的精度就會隨之降低。偶然誤差主要是指隨機誤差，受外界環境、距離和測量角度等的影響較大。被測物體的顏色、傾斜角度也都會對測量角度產生影響，顏色越亮則測量角度越小。

在測量過程中，保證測量結果的準確性、減少誤差是非常重要的。減少誤差可以從以下3個方面入手：一是縮短掃描儀的測量距離，進而降低掃描儀的發散度，提升測量的精度。二是增加觀測站數。通常情況下，一項工程需要設置多個測量站點，對于這些測量站點需要進行后期處理，最終取得變形數據。提升控制網的精度，可以減少數據處理時產生的誤差，從而獲得更精準的變形數據。三是提高點云數據拼接精度，在進行點云數據拼接時要合理選擇合適的拼接算法和拼接方法。

2 核電模塊化施工中的現場應用

某核電項目模塊化施工主要包括預組裝場地模塊設備拼裝、吊裝引入及就位安裝等工作。其中模塊化設備由鋼板、型鋼、管道、支撐底座等組成，通過大型履帶式吊車吊入艙室內。本次工作主要包括模塊化設備組裝完成的整體三維掃描以及對應艙室安裝位置的三維掃描和模型建立，通過模擬拼裝進行吊裝碰撞干涉分析并進行預處理，以此保障現場吊裝引入工作的順利進行。

2.1 施工工藝流程設計

（1）在現場土建鋼筋綁扎完成后，采用三維激光雷達掃描儀，對現場土建鋼筋進行三維掃描，形成點云測量數據。

（2）各部件到場且拼裝完成后，對其本體進行三維掃描，形成點云掃描數據。

（3）對多站掃描數據通過公共點進行點云數據預處理，主要包括點云拼接、點云除噪、點云精簡等工作。處理完成后形成三維點云數據模型，并通過現場測量基準點將局部坐標系轉化至現場坐標系下。

（4）在同一坐標系下，將模塊化設備點云模型導入至現場土建鋼筋三維模型內，進行吊裝模擬推演，分析是否存在碰撞干涉風險，提前制定方案并進行消除。

（5）根據碰撞點位坐標進行現場調整處理，并進行二次復測。

（6）最終確認無誤后進行現場吊裝就位。

2.2 現場實施

2.2.1 儀器站位及參數設置

在預組裝場地對模塊化設備進行三維激光掃描時，由于本體尺寸較大，故進行多個角度的掃描工作和掃描模塊化設備時應提前拆除保護篷布等，周圍其他易產生震動的施工活動應盡量停止。

對現場土建鋼筋網進行三維掃描，由于現場環境復雜，需多次架站進行掃描，掃描分辨率設置為40LPD×40PPD，即被掃描物體的點位間距。儀器與被測目標應呈垂直90°角架設，以使掃描成像現場查看更加方便。

由于現場掃描站數較多，且易受現場因素影響，掃描時盡可能避免震動，掃描范圍內減少人員走動，在進行多站數據采集時，還需要在各個位置方向放置同名點，即公共反射物。

2.2.2 公共點布設

由于現場環境影響，需要多次架設進行數據采集，而每站的掃描數據需要通過公共點進行關聯，形成一個整體。根據現場實際情況，公共點在空間上進行錯落、無規則布設，便于后期數據拼接處理。每站公共點掃描數不低于5個，公共點應布設在穩固的墻體上，避免固定基礎面的位移影響掃描數據的平差精度。

2.2.3 數據采集

現場進行土建鋼筋三維掃描時，首先采用30LPD×30PPD模式進行低分辨率掃描，掃描結束后查看結果是否滿足測量要求，如滿足則按照相同測量方法以40LPD×40PPD模式進行高分辨率掃描。由于現場環境影響，需連續架站掃描12次才能獲取現場完整空間三維數據，在掃描過程中盡量多采集公共點信息，為每站掃描數據拼接質量提供有力保障。

按照同樣的數據采集方法對預組裝場地的模塊化設備進行三維掃描。

2.3 數據處理

（1）點云數據預處理。受三維掃描儀精度、現場環境和被測物體表面材質、光學性質等因素影響，測量數據存在大量的噪點。點云數據預處理就是在保證點云數據精度的前提下去除掃描時出現的噪點、減少點云數據量。點云數據預處理主要分為點云拼接、點云除噪、點云精簡3個部分。

（2）逆向建模。三維模型的建立是通過三維掃描數據構建直線、平面、圓柱面等幾何特征的過程，而創建這些幾何特征是數字化預拼裝的重要工作之一，本次采用Geomagic Qualify軟件進行處理。

（3）數字模擬預拼裝。數字模擬預拼裝技術是根據各模型之間的空間關聯性，通過公共點位關系進行坐標最優轉化，在統一坐標系下，分析對接匹配的碰撞、錯位情況。本次通過采集布設在穩固墻體上的11個公共點進行坐標系最優轉化，實現測量坐標系到現場坐標的轉變，轉換后測量點位偏差最大為0.48mm，見圖1。

圖1 轉化后測量點位偏差對比

本次預拼裝處理以采集的設備本體各軸線位置坐標點作為兩組模型的公共轉化關系，轉換完成后確定干涉鋼筋的位置、偏移方向、偏移量等數據，對干涉鋼筋進行預處理。

首次對模塊化設備模型和現場土建鋼筋進行模擬分析，共發現89處碰撞干涉位置，施工隊根據測量數據對現場鋼筋進行了預處理并進行了第2次三維掃描測量，第2次碰撞分析發現碰撞點位7處，見表1。

表1 第2次碰撞點位坐標

2.4 應用效果

通過應用本方法全程指導模塊化施工，在預處理后與現場土建鋼筋碰撞點位從原有的89處大幅減少至7處，施工隊根據碰撞干涉點位信息提前制訂了解決措施并進行了現場處理，經過處理后該模塊化設備順利就位到現場土建鋼筋上，實現了一次吊裝就位成功。

3 結語

模塊化施工作為一種組裝化技術，利用事先預制好的模塊構件在預組裝場地進行整體拼裝后吊至現場就位，具有施工簡便、組裝靈活、用工用料省等特點，可大幅度提升主線施工進度，在目前核電廠建安領域得到大范圍應用推廣。與傳統方式相比，模塊化施工的不足之處主要是無法準確分析設備對接的匹配性，對于核電廠主系統設備來說，其高精度的技術要求更需要確保模塊化設備的精準就位。

通過本文提出的一種基于三維激光三維技術的模塊化施工測量方法，對現場及模塊化設備進行三維掃描測量，形成三維模型用以全程指導設備場外模塊化拼裝和吊裝引入、就位等工作，通過模擬預拼裝分析提前發現干涉點位并進行預先處理，實現模塊化設備一次吊裝就位成功，為現場主線施工進度提供了可靠的技術保障，解決了施工過程中關鍵的安裝難題。這對于提高我國核電安裝技術的可靠性、先進性，保證安裝質量、降低建造成本、縮短施工周期，推動新一代核電建設技術進步具有深遠的意義。