基于三維激光掃描的橋梁轉體過程監測方法

古建軍，李超，木江濤，黃國忠，周銀

(1.云南交投集團公路建設有限公司，昆明 650100；2.云南昆楚高速公路投資開發有限公司，昆明 650100；3.云南省交通發展投資有限責任公司，昆明 650100；4.云南德融建設項目管理有限公司，昆明 650100；5.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

受一些特殊的施工條件(如跨線等)限制，橋梁轉體施工具有獨特的優勢。其中，平轉法作為橋梁轉體的主要形式之一，有著廣泛的應用。該方法的轉動體系為轉動平衡體系、轉動牽引體系和轉動支承體系[1]。由于制作安裝誤差和梁體質量分布差異以及預應力張拉的程度差異，可能導致橋墩兩側懸臂梁段質量分布不同以及剛度不同，從而產生不平衡力矩。一般地，為防止橋梁轉體過程中出現偏位超標，傳統采用全站儀測量配合微調系統進行調節[2]。

利用三維激光掃描測量是獲得物體表面的三維坐標和密集信息。這被譽為繼全球定位系統(global positioning system，GPS)技術后測繪領域的又一次技術革命。近年來，已有許多國內外學者將三維激光掃描技術用于工程監測。在國外，Travelletti等[3]在2007—2010年使用地面式激光掃描儀對法國南部阿爾卑斯山脈的 Super-Sauze 滑坡體進行了大量數據采集工作及連續3年的變形監測，說明了三維激光掃描在建筑等相關監測中的巨大作用和潛力。結構方面，Armesto 等[4]在古建筑拱橋的變形監測中，利用三維激光掃描技術獲取點云，并以統計非參數的方法處理得到拱的精確幾何尺寸，以此來分析拱的變形。近年來，國內研究人員采用三維激光掃描在隧道、邊坡、以及橋梁的監測方面進行了大量的應用。司夢元等[5]設計了一套永久性的邊坡監測控制方案，結合算法提取邊坡變形信息，可實現邊坡的多期快速、準確監測。李勇兵等[6]利用三維激光掃描獲取隧道點云，并生成全斷面的變形色譜圖。對于重點區域，則編寫形心擬合算法自動獲取其準確變形量。趙亞波等[7]以海上鉆井平臺鋼結構變形為例,在對鋼結構三維點云進行預處理后，基于鋼結構設計模型對三維點云完成了擬合,進一步的進行碰撞分析,以得到鋼結構的空間變形情況。向小菊等[8]采用非均勻有理B樣條(non uniform rational B-spline，NURBS)曲面原理對大跨度橋梁點云變形進行重構，并將三維激光掃描實測結果與有限元模擬對比分析，結果表明實測值具有較高的精度和可靠性。

上述研究表明，三維激光掃描技術在工程結構監測領域具有巨大的潛力?；诖耍F擬采用三維激光掃描技術在橋梁的施工階段進行監測。以某混凝土T構連續梁為依托，通過重構三維橋底精確曲面，完成每個關鍵階段與轉體目標高程偏差對比；以及自動化提取橋底中線以及兩側邊線的三條重要線形，繪制該三條線形與轉體目標高程偏差包絡圖。以期實時顯示轉體期間與轉體目標位置偏差的三維直觀分布情況，而中、邊線的線形與目標偏差是否超出標準，對于轉體橋梁尤其是高難度、大跨度轉體施工具有重要意義。

1 工程概況

大德大橋上跨成昆鐵路橋工程是昆楚項目中的重大控制性工程(圖1)。大橋全長290 m，主橋轉體部分長106 m，橋面寬33.5 m，雙向六車道，如圖1所示。該橋采用支架現澆后平面轉體法施工，引橋采用滿堂支架現澆法施工。其中主橋轉體質量約15 000 t，轉體幅度66°，且要求一次轉體就位，是試驗段內重點控制性工程。

圖1 大德大橋

轉體施工的基本程序為:首先在承臺上施工轉體結構(包括下轉盤、球絞、上轉盤等)，在上轉盤上澆筑轉體墩，隨后平行既有鐵路方向，在橋墩上分別采用支架法澆筑 T 構現澆箱梁。在上轉盤上設置牽引索，通過千斤頂的拉力使上轉盤產生轉動，帶動其上的橋墩和梁體一起順時針轉動(兩側墩上梁體同時轉動)，見圖2。在設計位置合龍，最后封固上、下轉盤。再通過體系轉換，使橋梁成為一體。

圖2 橋梁轉體

通常的，對于主梁轉體過程的監測方式如下：在主梁端部四角落各設置 1 個大刻度尺，以便轉體時觀測梁端標高變化，每轉 5°向技術人員報一次讀數。如變化值超出梁底和支墩間隙設定值，則需及時通知應急預案人員降低臨時支墩標高。相比一般的轉體橋工程，由于該橋跨度長、噸位大，如何確保大橋在姿態符合施工要求變得尤其困難。

傳統方式只能采取有限點的方式進行監測，少量數據導致評價當前狀態與目標設計位置是否達到最大程度對齊較為困難。另外，由于現場影響測點精度的因素較多，如果單個或多個的測點與真實值偏大，將對監測結果產生重大影響。為避免上述情況的發生，豐富精準的三維激光數據作為橋梁轉體監測的基礎點云數據意義重大。

2 相位式三維掃描儀監測

2.1 儀器特點分析

監測橋梁轉體所采用的設備為FARO Focus3D X330三維激光掃描儀，見圖3。

圖3 FARO Focus3D X330三維激光掃描儀

該掃描儀采用是相位式激光測距原理，最大測量半徑可達330 m。在掃描時，掃描儀內部的激光發射器發射激光經光學鏡反射向待測物，并接收返回的激光信號，通過激光的相位差測算儀器和待測物的距離。

掃描工作時，儀器的光學鏡機頭豎向高速旋轉保證掃描覆蓋到豎直向-60°～90°，同時掃描儀水平向旋轉覆蓋到水平向0°～360°，從而保證掃描儀器能夠保證到水平區域360°，豎直區域300°的掃描覆蓋面。儀器將捕捉待測物表面大量點的空間坐標數據，其采集速率可達到976 000個/s測量點，同時還可利用設備上的7×107像素全自動無視差攝像頭進行同步的色彩和紋理捕捉以達到彩色掃描的效果。該儀器具體參數見表1。

表1 FARO Focus3D X330掃描儀參數

2.2 儀器布置方案

根據現場橋梁轉體的特點，將6個靶標球分別呈如圖4所示位置布置。只需將三維激光掃描儀架設在橋梁橫橋向兩側、以轉體結構為中心的10～15 m兩處掃描站點即可，整體布置方案見圖4。該布置方案的目的在于，無論橋梁轉體到任何位置，兩站點云總是能包含至少3個相同的靶標球。由點云拼接的原理可知，3個相同的點能保證兩站之間精準拼接。同時，該布置方案能極大地避免由于視線的遮擋，從而導致橋梁點云的缺失情況，可為后續的點云處理提供良好的數據支持。

圖4 布置方案

2.3 數據的采集與預處理

數據采集時，首先將掃描的橋梁點云數據與施工坐標設置于同一個坐標系下，進而便于快速分析當前狀態與目標設計位置偏差情況。類似傳統轉體監測，橋梁每轉 5°進行一次掃描，即轉體0°、5°、10°、…、60°、61°、…、66°，圖5為某轉體時的點云數據。

圖5 橋梁點云

由于儀器、周圍環境等因素，所獲得的點云數據中會存在一定數量的離散點。這些噪聲點的存在會影響數據的準確性，為消除這些噪聲點對數據計算的影響，需要在點云預處理階段對這些噪聲點進行剔除。采用專業點云處理軟件Geomagic完成橋梁點云的快速降噪。

3 NURBS曲面重構及偏差分析

3.1 NURBS曲面重構

作為每個關鍵階段與轉體目標高程偏差對比的基礎，需要對散點點云進行曲面重構?；贜URBS曲面重構算法能夠比傳統的網格建模方式更好地控制物體表面的曲線度，利用兩個方向上的節點矢量、控制網點、權值，可以靈活地控制曲面的形狀，在橋梁離散點云的曲面重構方面，NURBS曲面重構算法擁有很好的幾何不變性和局部形狀控制能力，從而能夠創建出更逼真、生動的造型[9]。

曲面方程為

(1)

式(1)中：Cu、Cv為控制點數，其中(u,v)∈[Umin,Umax]×[Vmin,Vmax]；Pi,j為控制點位置的矢量分量;Wi,j為其對應定點的權因子；Ni,p(u)為u方向上p次B樣條函數；Nj,q(v)為v方向上q次B樣條基函數；其中，i=0,1,…，n;j=0,1,…，m。

基函數遞推公式為

(2)

(3)

U的方向次數p,控制點數Cu和節點數Ku，V的方向次數q,控制點數Cv和節點數Kv滿足等式為

(4)

通過改變節點矢量、控制點、權因子能夠控制曲面的形狀，一個控制點的移動將會影響部分曲面的形狀，節點決定怎樣定義基函數[10]?？梢酝ㄟ^對控制點賦予權值來改變控制點對曲面的影響，某個控制點權值的增加，則其對曲面的影響也將隨之增加，相反其相鄰控制點對曲面的影響將隨之減少。通過調整控制點和權因子能夠靈活地設計出各種形狀的曲面，可見，基于NURBS曲面重構算法具有計算穩定、速度快和線性變換時的幾何不變性等特性。將該重構算法應用于預處理后的橋底點云，見圖6。

圖6 NURBS曲面重構

3.2 數據對比分析

3.2.1 算法偏差分析圖

一般的，有兩種方式進行當前階段與目標曲面的高程偏差對比。為了將技術流程以更完整編程的方式呈現，實現現場快速處理數據的目的。故首選的方式為：對橋底曲面完成重構后，解析相關對比原理，可對二者快速完成曲面偏差分析(以下簡稱算法偏差分析圖)，相關原理如圖7所示。

圖7 曲面偏差分析模型

另一種方式是以專業點云處理軟件，如專業點云處理軟件Geomagic等為平臺，通常設目標曲面為Ref，當前曲面為Test，設置相應對比參數并生成3D偏差色譜圖。將該方式處理的結果作為算法偏差分析的參考，以驗證技術流程精度。

根據對比結果，可方便現場人員快速分辨橋梁轉體最大偏差，當最大偏差超過規范允許范圍時，即使對現場做出調整。以某側橋底點云為起點，順橋向為x軸(其中較高側為起始端)，橫橋向為y軸，高程為z軸，建立橋梁局部坐標系。由于橋梁監測主要的參考依據為是橋梁的高程偏差Dz，因此只對Dz值進行偏差分析。

首先采用NURBS曲面重構算法對每期橋底點云進行處理，以開始轉體時(即轉體0°)橋底高程為例。由圖8可知，橋底高程均勻下降，且橫向基本呈對稱分布。該數據說明該橋體施工質量較好，有利于后續的轉體工序進行。另外，為了精確地評判當前狀態與目標高程偏差情況，做出對下一轉體步驟及時指導，將該狀態的NURBS曲面與目標曲面進行偏差分析，見圖9?？梢缘贸?，橋體左端低于目標高程約4 mm，沿著順橋向直至右端則高于目標高程約4 mm。目前的《橋梁水平轉體施工技術規程》(DG/TJ 08—2220—2016)[11]中規定，對于跨徑L≤100 m的轉體橋梁，頂面高程允許偏差為±20 mm；對于L>100 m的轉體橋梁，頂面高程允許偏差為±L/5 000 mm。對于本橋梁主橋跨度L=106 m，接近L=100 m。同時為了使轉體過程更加安全，選擇要求較高的±20 mm高程允許偏差為作為轉體過程是否需要調整的指標。該偏差結果符合規范要求，如果轉體結果偏差超出規范，當偏差為正時，則建議現場適當降低橋體超限端的高程，與此同時也可有效緩解另一端高程偏差；當偏差為負時，則建議現場適當抬高橋體超限端的高程，同樣也可有效緩解另一端高程偏差。

圖8 轉體0°橋底高程

圖9 轉體0°實際與設計橋底偏差

為檢驗NURBS曲面重構算法和偏差分析的精度，對于同一橋體轉體狀態。以轉體0°為例，在專業點云處理軟件Geomagic完成曲面重構及3D偏差色譜圖生成。設目標高程橋底曲面為Ref，當前轉體橋底曲面為Test，設置相應對比參數，結果見圖10。

結果顯示，和NURBS曲面重構法得到的橋底偏差結果一樣，該方法呈現出相同的偏差分布規律。現以Geomagic偏差結果為標準，驗證本文算法的精度。選取轉體0°、5°、15°三種狀態為對象，得到本文算法偏差結果與Geomagic處理結果的差值分布圖，見圖11?？傻玫讲钪捣秶凇?.25 mm內，該結果表明本文算法精度高，可用于橋梁轉體的監測。

兩種偏差圖都可以較好地反映當前階段與目標曲面的準確高程偏差值，以轉體0°時橋面高程偏差值為例進行其偏差分布規律的說明。其中，對于橋梁順橋向而言，偏差由起始端向終端呈逐漸均勻增大的趨勢。對于橋梁橫橋向，偏差基本關于橋梁中軸線對稱。說明轉體時重點關注橋梁順橋向梁端的高程，不過同時也需關注橫橋向是否發生較為嚴重的偏轉。

值得說明的是，由技術路線生成的算法偏差分析圖(圖10)色階分布明顯，可快速觀察對象具體位置偏差值，這對于現場的實時監測無疑是十分有利的。

圖10 Geomagic偏差色譜圖

以上兩種偏差圖在表現整體橋面高程偏差具有獨特的優勢，但對于全過程橋梁轉體監測來說，記錄其全過程軌跡并預測下一階段偏差，可有效避免下一階段超出偏差允許范圍，達到更好的轉體監測目的。故提取橋底中線以及兩側邊線的三條重要線形，并逐個繪制該3條線形與轉體目標全過程高程偏差包絡圖(圖11)。

圖11 差值分布圖

3.2.2 高程偏差包絡圖

圖12所示為下邊線與轉體目標高程偏差包絡圖。分析可得以下三點主要規律。

(1)下邊線與轉體目標高程偏差范圍由順橋向左右端高程與設計偏差值確定，該值在轉體15°達到最大值36 mm(超過高程允許偏差±20 mm)，該狀態必須采取相應的調整措施。即現場應適當降低橋體超限端的高程，與此同時也可有效緩解另一端高程偏差。經過現場及時調整，往后逐漸呈減小趨勢，最終使整體橋梁實際高程皆趨于目標高程。

(2)實際高程與目標高程偏差值越分散，表示橋梁順橋向傾斜越嚴重。

(3)橋梁橫橋向傾斜程度由下邊線中點與目標高程偏差值確定，由圖12可知，該橋橫橋向偏差值保持在較小的范圍，并最終趨于零。

圖12 下邊線高程偏差包絡圖

傳統的橋梁轉體監測方法，采集的基礎數據不全且難以保證精度。因為現場施工環境復雜、影響測點精度的因素較多，如果單個或多個的測點與真實值偏差大，可能對監測結果產生重大影響。技術路線通過對全面、高精度的現場數據進行快速的分析，并完成算法偏差分析圖、偏差包絡圖兩種成果圖的繪制。其中，算法偏差分析圖注重表現整體橋面高程偏差，而偏差包絡圖可記錄轉體全過程軌跡并預測下一階段偏差。二者的深入結合使用，對于現場的轉體施工大大增強了監測的信息覆蓋度和把握性，十分有利于工序的順利進行，避免了偶然誤差對施工的影響。

4 結論

以現場實時監控的三維激光點云為基礎數據，配合相關自動化分析算法，最終形成偏差分析圖和包絡圖。將兩種結果結合使用，不僅可查詢某階段整體橋面高程偏差，而且可通過轉體全過程軌跡對下一階段偏差進行預測及必要糾正，提升了現場監控的可靠性及效率。

隨著工程領域數據獲取技術的不斷發展，正在快速地由單點、非連續式轉為全覆蓋信息。激光點云以其高精度、全覆蓋的優勢，越來越廣泛應用于建筑檢測及監測。同時，該類數據的處理及表現形式也隨著數據復雜度的增加而需要相應調整，類似兩種分析結果圖(偏差分析圖和包絡圖)是表現該類數據的有效表現手段。伴隨智能信息化的發展，該類三維全覆蓋監控技術的應用將越來越廣泛。