利用激光點云進行勁性骨架制造質量檢測

白祖應 羅佳 朱勇 楊鵬興

摘要 文章提出了一種結合理論模型與實測點云模型的勁性骨架制造線形偏差檢測方法，在Geomagic軟件中以理論模型為參照，進行勁性骨架的三維幾何偏差分析。結論：基于特征點配準的方法將理論模型與實測點云模型進行疊合，對齊后特征點坐標偏差值平均為0.59 mm，采用該方法對齊的精度高;實測點云模型與設計模型關鍵節點吻合情況較為良好，平均偏差數值僅為1.65 mm，其中最大偏差為3.7 mm，最小偏差為0.34 mm。該勁性骨架節段施工偏差較小，能夠滿足工程中的使用要求。

關鍵詞 三維激光掃描儀;制造線性檢測;幾何偏差;勁性骨架

中圖分類號 U446.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0156-04

收稿日期：2022-03-22

作者簡介：白祖應（1984—），男，本科，高級工程師，從事公路與橋梁方面工作。

0 引言

大跨徑混凝土勁性骨架拱橋已被廣泛應用[1-2]，其具有施工步驟較多、受力形式復雜、截面形式多樣的特點。勁性骨架作為主要受力結構，制造及施工質量受到了廣泛的關注。與傳統鋼管混凝土拱橋相比而言，勁性骨架拱橋雖降低了施工難度但卻增加了施工工序[3]。謝開仲等[4]針對勁性骨架混凝土拱橋的施工特點，認為必須在施工過程中對拱圈的應力、撓度進行實時監測，以保證橋梁在建造階段、運營階段的變形及內力均符合規范要求。

三維激光掃描技術可獲取結構的實時幾何信息，因此為較好地實現對結構進行實時監測，其被廣泛地應用到結構監測領域。韓達光等[5]結合了三維激光掃描技術與BIM技術，以點云數據逆向生成BIM模型，通過BIM技術解決了基坑在隨機車輛荷載作用下的三維整體變形監測問題。惠之瑤[6]等利用三維激光點云數據創建了古建筑模型，節省了建模時間，提高了建模精度。

對于裝配式鋼結構，為嚴格保證結構的無應力狀態，均需在安裝前進行線形偏差檢測。勁性骨架拱肋段數多，構造復雜，采用傳統的方法檢測費時費力。三維激光掃描儀具有非接觸性的特點，可避免環境對測量結果的不利影響，可方便、快速、準確地獲取結構實時幾何形態。為實現對勁性骨架的制造線性檢測，該文首先對加工完成的勁性骨架進行三維激光掃描獲取點云數據，對三維激光點云數據進行相關處理。然后采用特征對齊的方法，將實際點云與理論模型進行對齊。最后將處理后的三維激光點云與理論模型進行3D疊差分析，依據疊差分析結果實現對勁性骨架制造線形的三維幾何偏差檢測。

1 工程概況

該文的依托工程為云南省西南部的糯扎渡瀾滄江特大橋，橋梁形式為上承式勁性骨架鋼筋混凝土拱橋，橋梁左側為思茅岸，右側為瀾滄岸。橋梁主跨跨徑為155 m，勁性骨架拱肋可劃分為11個吊裝節段，最大吊裝重量為120.5 t。鋼管材質為Q235，混凝土為C50。該橋的勁性骨架拱肋段數多、構造復雜，采用傳統的方法檢測費時費力，需要一種高效、精確的方法進行勁性骨架的制造線形檢測。

2 點云數據采集及前處理

2.1 點云數據的采集

根據控制方案設計，對預制廠制造完成的勁性骨架進行點云數據采集。試驗采用的三維激光掃描儀型號為Faro X330，其主要技術參數如表1所示。為保障掃描點云的質量，站點與目標物間的距離不應超過20 m。試驗現場的點云數據采集如圖1所示。

2.2 數據預處理

使用專業的點云處理軟件Geomajic對勁性骨架點云進行預處理。其主要步驟為：①導入點云;②點云拼站;③降噪及多余點云的刪除。其中降噪及多余點云的刪除如圖2所示。

3 制造線形偏差分析

3.1 模型的配準

依據橋梁的設計圖紙，建立勁性骨架的理論BIM模型。BIM模型最大的優點為三維、可視化。對于后續的模型和點云的匹配，以及偏差定位有著關鍵的作用。選擇勁性骨架的主弦桿中心與法蘭盤平面交點作為理論BIM模型和點云匹配的特征點，該特征容易在Geomajic軟件里獲取。

兩者對齊的原理是最小二乘法，設分別繞X，Y，Z軸姿態調整的旋轉矩陣為：

以及平移矩陣為：

姿態調整公式為：，其中α，β，γ為連廊姿態調整時分別繞X，Y，Z軸的旋轉角，x，y，z為沿X，Y，Z方向平移的距離。設理論BIM模型特征點集合A，點云特征點集合B。對B進行姿態調整，建立拼接誤差函數如下：

將對齊后的特征點坐標進行對比，得到如表2所示的結果。對齊后的對應特征點坐標偏差值平均為0.59 mm，表明采用該方法對齊的精度較高。

3.2 偏差分析方法

如圖3所示，假設p為點云曲面，該曲面任一點的坐標為pi（xi，yi，zi），將設計模型進行Delaunay三角形網格劃分，網格的尺寸應盡可能小，得到三角網格的節點和單元拓撲關系，通過k-D數的方法尋找pi的臨近點qi，qi為三角網格曲面上的節點，q0S，S為q0所處位置的點集。

（a）拱肋設計模型曲面

（b）拱肋設計模型曲面網格

通過下式計算pi與S點集中所有位置的距離di，則

（1）

根據計算得出的距離，從中找出目標點到曲面的最小距離：

（2）

該距離則為當前位置設計模型與點云模型之間的偏差。

3.3 偏差分析結果

在Geomagic軟件中，主要是以拱肋理論曲面與實際點云曲面之間距離作為線形的偏差。將實測點云與理論點云導入到Geomagic軟件中，以設計模型為參照，將其設為Refence，以點云模型為對比，設為Test。拱肋骨架可編號分為：①～⑥，最終得到勁性骨架節段線形加工偏差如圖4所示（為顯示清晰、只選擇①②④線形標注）。

勁性骨架節段線形偏差對于拱橋的施工及成橋狀態有著十分重要的影響。利用三維激光掃描獲取的線形可快速用于勁性骨架節段的質量檢測，現統計①～⑥線形與設計線形偏差走勢，如圖5。

結果顯示，通過三維偏差分析圖，可直觀反映勁性骨架節段線形偏差情況。該色譜圖顏色分布均勻，表明整體偏差較為一致，其中1號弦桿的偏差較大。顏色加深的地方即為與設計線形偏差較大部位，如果超出相關要求，則需要及時采取措施。線形偏差走勢圖全面展示了各線形關鍵節點的偏差情況，為線形的保證提供了較全面數據支撐。兩種方法各有優缺點，可結合使用，更好地對勁性骨架節段線形偏差進行結果分析。

4 結論

為實現對勁性骨架節段線性偏差進行制造線形偏差檢測，該文提出了一種基于三維激光掃描的方法并應用于依托工程，得出以下結論：

（1）該文提出了一種結合理論模型與實測點云的制造線形偏差檢測方法。其中，理論模型是由參考設計圖紙建成的BIM模型;點云由多角度采集勁性骨架表面數據。二者數據都具有三維、可視化的特性，為制造線形偏差檢測提供了良好的數據支撐。

（2）采用最小二乘法的原理對理論模型與實測點云的特征點進行最大程度對齊，該特征點為法蘭盤的螺栓孔。結果顯示，對齊后特征點坐標偏差值平均為1 mm左右，表明該方法對齊的精度高，對齊后的模型可用于勁性骨架節段線性偏差分析。

（3）通過三維偏差分析圖和線形偏差走勢圖結合的方式，對勁性骨架節段線形偏差情況進行分析。結果顯示，三維偏差分析圖可方便使用顏色加深的地方表示線形偏差較大部位，該方法直觀、便捷性好。線形偏差走勢圖可全面展示各線形關鍵節點的偏差情況，其中平均偏差數值僅為1.65 cm，其中最大偏差為3.7 mm，最小偏差為0.34 mm。可為線形的保證提供較全面的數據支撐。

參考文獻

[1]衛高紅. 鋼管混凝土系桿拱橋勁性骨架整體吊裝設計與施工[J]. 山西交通科技， 2013（6）： 65-67.

[2]周源， 王戈. 強勁骨架在鋼管混凝土勁性骨架拱橋中的應用[J]. 山西交通科技， 2019（3）： 65-69+83.

[3]劉忠， 顧安邦， 周水興. 萬縣長江大橋非線性綜合分析[J]. 重慶交通學院學報， 1996（S1）： 19-29.

[4]謝開仲， 韋立林， 李海. 鋼管混凝土拱橋健康監測系統研究[J]. 廣西大學學報（自然科學版）， 2009（2）： 127-130.

[5]韓達光， 秦國成， 周銀， 等. 基于BIM和三維激光掃描在基坑監測中的應用[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版）， 2019（6）： 72-76+102.

[6]惠之瑤， 張愛琳， 王昆， 等. 集成BIM-3D掃描技術的斗拱建模方法[J]. 土木工程與管理學報， 2020（2）： 151-157.