三維掃描技術(shù)在體育場(chǎng)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)改建工程中的應(yīng)用

劉 偉 李冀清 馬 良

1. 上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072；

2. 上海面向典型建筑應(yīng)用機(jī)器人工程技術(shù)研究中心 上海 200072

目前的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用主要集中在新建建筑的設(shè)計(jì)和施工方面，而對(duì)于既有建筑，尤其在體育場(chǎng)館改造領(lǐng)域，數(shù)字化技術(shù)尚未涉及[1]。究其原因，建筑的改建必須考慮既有建筑的現(xiàn)狀，而既有建筑受自然條件及使用損耗的影響，原有的設(shè)計(jì)圖紙及模型都不具備參考性。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建立既有建筑的信息模型是不可缺少的。三維掃描技術(shù)能夠獲取目標(biāo)物表面點(diǎn)云的坐標(biāo)信息，擬合出符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的信息模型，其高精度、高效率的特點(diǎn)與改建工程十分吻合。

1 工程概況

上海體育場(chǎng)作為2022年承辦國(guó)際足聯(lián)俱樂(lè)部世界杯（FIFA，世俱杯）開(kāi)閉幕式及相應(yīng)階段比賽的場(chǎng)地，將按照FIFA的場(chǎng)地要求，結(jié)合體育場(chǎng)賽后二期使用功能需要，對(duì)現(xiàn)有的場(chǎng)地及相應(yīng)設(shè)施一并進(jìn)行改造。其中，為滿足FIFA對(duì)“看臺(tái)需被屋蓋全覆蓋”的需求，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)需在原懸挑的基礎(chǔ)上（圖1），向內(nèi)場(chǎng)增加16.5 m的懸挑。新增內(nèi)懸挑采用輪輻式張拉結(jié)構(gòu)體系，主要由V形飛柱、內(nèi)圈環(huán)索、徑向索、連系桿件以及上部膜結(jié)構(gòu)組成（圖2）。

圖1 屋蓋改造前效果圖

圖2 內(nèi)懸挑方案示意

V形飛柱下部節(jié)點(diǎn)處一圈內(nèi)環(huán)索，在原屋蓋32榀徑向主桁架中部以及根部混凝土柱上增加節(jié)點(diǎn)，通過(guò)32道徑向索張拉成形。屋蓋新增16.5 m內(nèi)懸挑結(jié)構(gòu)導(dǎo)致屋蓋懸挑跨度增加，同時(shí)屋蓋荷載的調(diào)整對(duì)屋蓋原有結(jié)構(gòu)體系影響較大，經(jīng)復(fù)核需對(duì)原屋蓋鋼結(jié)構(gòu)中部分桿件進(jìn)行加固。本文主要描述三維掃描技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的加固深化設(shè)計(jì)和環(huán)索索夾的生產(chǎn)質(zhì)量驗(yàn)收這2個(gè)部分的應(yīng)用。

2 施工難點(diǎn)

1）在20多年自然條件的影響下，原結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力復(fù)雜，經(jīng)初步受力分析與校核，原屋蓋鋼結(jié)構(gòu)存在桿件強(qiáng)度或穩(wěn)定性不足的情況。針對(duì)此狀況，項(xiàng)目部考慮主要采用外包骨骼法進(jìn)行加固（圖3）。但加固點(diǎn)數(shù)量多，主要分布在屋蓋內(nèi)部，且加固區(qū)位于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處，有大量圓鋼管相貫切口，因此加固構(gòu)件裝配精度要求極高，需要實(shí)測(cè)實(shí)量，對(duì)既有屋蓋結(jié)構(gòu)的圓管相貫切口處進(jìn)行精細(xì)化掃描，并以之作為深化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

圖3 節(jié)點(diǎn)加固示意

2）環(huán)索索夾是索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要節(jié)點(diǎn)之一，本項(xiàng)目索夾整體采用一體式鍛鋼件（圖4），后通過(guò)機(jī)床銑出所有構(gòu)型。其索道呈弧線形形態(tài)，精度要求高，若索道凹槽部分達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，索夾可能會(huì)存在破斷風(fēng)險(xiǎn)。因此借助三維掃描技術(shù)，對(duì)加工構(gòu)件的質(zhì)量進(jìn)行掃描驗(yàn)收，通過(guò)設(shè)計(jì)、掃描模型的對(duì)比分析，評(píng)判索夾加工精度及工廠加工水平，以便后期批量生產(chǎn)。

圖4 索夾示意

3 測(cè)量方式選擇

傳統(tǒng)的測(cè)量方法采用卷尺、游標(biāo)卡尺、全站儀等工具進(jìn)行測(cè)量。由于以下原因，傳統(tǒng)測(cè)量方法在本工程中難以實(shí)現(xiàn)：

1）整個(gè)屋蓋大體呈直徑300 m圓形，最大標(biāo)高70.8 m，采用傳統(tǒng)測(cè)量方式需投入大量人力、物力，測(cè)量周期長(zhǎng)，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)高效施工的要求[2-3]。

2）桁架截面高度有限，傳統(tǒng)測(cè)量方式必要的測(cè)量空間難以滿足。

3）加固節(jié)點(diǎn)處有圓鋼管相貫切口，索夾索道呈弧線形形態(tài)，傳統(tǒng)測(cè)量方式難以滿足異形部位的精度要求。

結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，決定采用手持式三維掃描儀（以下簡(jiǎn)稱手持式，見(jiàn)圖5）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描。與一般的全站式三維掃描儀（以下簡(jiǎn)稱全站式）相比，手持式具有以下不同點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)：

圖5 手持式三維掃描儀工作示意

1）全站式需一定的操作空間，掃描前必須進(jìn)行水準(zhǔn)調(diào)平，高空作業(yè)不具備這樣的條件；手持式不需要整平，需要掃描的部位只需激光照射即可，對(duì)操作空間要求不高。

2）全站式掃描過(guò)程需要盡可能連續(xù)，掃描結(jié)束后才能導(dǎo)出模型；手持式與電腦設(shè)備連接，所掃即所得，模型成像隨時(shí)可見(jiàn)，中途可以任意中斷。

3）手持式需提前在目標(biāo)物上均勻貼上標(biāo)志點(diǎn)（反光貼片）；全站式需要提前布設(shè)控制點(diǎn)和標(biāo)靶，為后期整合點(diǎn)云模型提供參照。

4）手持式需外接電源，高空作業(yè)時(shí)電箱的頻繁遷移較為費(fèi)時(shí)；全站式使用電池電源即可。

4 測(cè)量實(shí)施

4.1 測(cè)量準(zhǔn)備

1）在目標(biāo)物上按照20～100 mm的距離布設(shè)標(biāo)志點(diǎn)，平坦區(qū)域標(biāo)志點(diǎn)的間距可以適當(dāng)放大，圓鋼管相貫切口處/索夾弧形索道處應(yīng)盡量多布設(shè)標(biāo)志點(diǎn)（圖6）。

圖6 標(biāo)志點(diǎn)布設(shè)示意

2）手持式三維掃描儀連接電腦并外接電源，打開(kāi)ZGscan軟件，進(jìn)行掃描前精度測(cè)試，測(cè)試完成后方可進(jìn)行掃描工作。

4.2 實(shí)施掃描

掃描儀與目標(biāo)物之間保持20～30 cm的距離，觀察投影到表面上的激光線來(lái)完成表面采集。激光掃過(guò)表面后，設(shè)備通過(guò)三角測(cè)量法確定的位置記錄數(shù)據(jù)。

4.3 掃描數(shù)據(jù)處理

手持式掃描形成的模型需要在ZGscan軟件中轉(zhuǎn)換成stl格式，導(dǎo)入到Geomagic軟件里進(jìn)行雜物的刪除（腳手架橫桿、抱箍片等無(wú)關(guān)結(jié)構(gòu)），如圖7所示。

圖7 模型處理

5 數(shù)據(jù)應(yīng)用

5.1 加固外包管深化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)安裝

上述模型處理后交由設(shè)計(jì)單位進(jìn)行深化，利用鋼結(jié)構(gòu)深化軟件的模型文件和數(shù)據(jù)接口，借助二次開(kāi)發(fā)技術(shù)自動(dòng)提取構(gòu)件幾何、位形和結(jié)構(gòu)特征等數(shù)據(jù)信息，并生成格式化特征數(shù)據(jù)文件。然后基于三維建模軟件，利用自動(dòng)建模函數(shù)、開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、自動(dòng)建模與裝配等軟件功能模塊，重構(gòu)和復(fù)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的可視化校驗(yàn)（圖8）。待設(shè)計(jì)完成深化后，將深化數(shù)據(jù)提交給加工廠進(jìn)行構(gòu)件加工。

圖8 外包管深化設(shè)計(jì)示意

將加工完成的加固構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)加固構(gòu)件進(jìn)行切割、分片，并在構(gòu)件上焊接連接板。安裝時(shí)，通過(guò)起重葫蘆將加固構(gòu)件按次序調(diào)整、安裝到位，用套箍和電焊的方式進(jìn)行臨時(shí)固定，最后通過(guò)撬棒等工具調(diào)整焊縫間隙大小，保證通長(zhǎng)焊縫間隙在設(shè)計(jì)要求的距離內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)安裝情況顯示，節(jié)點(diǎn)加固效果明顯（圖9）。

圖9 外包管加固現(xiàn)場(chǎng)

5.2 索夾加工質(zhì)量驗(yàn)收

索夾加工質(zhì)量驗(yàn)收與節(jié)點(diǎn)加固深化設(shè)計(jì)的流程不同，索夾掃描模型完成上述模型處理后，直接把索夾的設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入到Geomagic軟件中，通過(guò)軟件自帶的擬合功能將二者擬合在一起，避免人工擬合的誤差。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將最大公差設(shè)置為±1 mm，即綠色區(qū)域的誤差在±1 mm以內(nèi)，±1 mm以外的部分均分為48等份，便于辨別區(qū)域所在誤差范圍。從色譜圖可以清晰看出，索夾弧線凹槽部分區(qū)域誤差已經(jīng)超過(guò)±1 mm（紅色），通過(guò)標(biāo)注功能將具體誤差值引出，可見(jiàn)凹槽處最大誤差值達(dá)到±3 mm，尤其是弧形邊緣處，局部誤差可達(dá)到±3.6 mm，與設(shè)計(jì)要求不符（圖10）。以此為依據(jù)，與加工廠分析誤差原因，協(xié)調(diào)機(jī)床刨銑方式，以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，從而進(jìn)行批量生產(chǎn)，防止現(xiàn)場(chǎng)索夾安裝時(shí)出現(xiàn)返工現(xiàn)象。

圖10 索夾設(shè)計(jì)、掃描模型比對(duì)

6 結(jié)語(yǔ)

建筑物改造項(xiàng)目中，相比于傳統(tǒng)的測(cè)量方式，三維掃描的優(yōu)勢(shì)主要在于可以逆向建模，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況建立高精度的信息模型。在上海體育場(chǎng)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)改建工程中，從老結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)加固深化設(shè)計(jì)到新結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)字化質(zhì)量驗(yàn)收，均使用了三維掃描技術(shù)，并取得了良好的效果。

隨著城市的升級(jí)改造、行業(yè)中數(shù)字化應(yīng)用的推廣，可以預(yù)想，憑借高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，三維掃描＋BIM技術(shù)將會(huì)在數(shù)字化城市的建設(shè)中起著不可替代的作用，一起推動(dòng)著智慧城市的發(fā)展[4]。