三維激光掃描曲面結(jié)構(gòu)點云安裝復(fù)核技術(shù)在異形混凝土結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用

劉歡佳，袁 儉，鐘易達

（中國建筑第八工程局有限公司華北公司，天津 300450）

0 引言

在建筑工程測量中，異形曲面測量是一項極為重要的工作，傳統(tǒng)測量方式主要是利用全站儀進行點位測量，采用對曲面多點測量模式進行計算，對于雙曲異形大面積結(jié)構(gòu)表面測量工作效率較低。國內(nèi)外對雙曲異形的測量方法進行大量技術(shù)研究，這些數(shù)據(jù)分析方法雖然在大面積測量中有效提高了工作效率和測量精度，但在數(shù)據(jù)分析過程及結(jié)果等方面仍存在一定缺陷，主要包括多站點獲取的點云數(shù)據(jù)有重疊部分，拼接精度還有待提高，設(shè)備工作受場地限制，后期數(shù)據(jù)處理工作量較大，對數(shù)據(jù)處理人員專業(yè)要求較高等。

1 工程概況

偽滿皇宮博物院地下文物庫房及展示場館建設(shè)項目建筑穹頂為大跨度雙曲率造型，東西向跨度約16.90m，南北向跨度約18.00m，最大支設(shè)高度15.67m，設(shè)計做法為現(xiàn)澆飾面清水混凝土結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)鮮有。穹頂四周包含山墻、屋面斜板、挑檐等特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)觀感質(zhì)量均需達到飾面清水混凝土效果，同時要保證“明縫”“禪縫”“孔眼”的相對位置關(guān)系，穹頂板厚300mm，采用全鋼模板體系，數(shù)量共計3處，如圖1所示。

圖1 通長展廳飾面清水混凝土設(shè)計

2 關(guān)鍵施工技術(shù)與創(chuàng)新

采用傳統(tǒng)測量方法對異形曲面進行測量難度較大，若要滿足測量精度，則工作量較大，計算精度與測量密度、質(zhì)量、方格網(wǎng)大小有關(guān)。而三維激光掃描技術(shù)無需測量人員到目標(biāo)作業(yè)面上，在遠處掃描點位處即可完成目標(biāo)面的測量工作，可避免危險施工區(qū)域作業(yè)，且對施工生產(chǎn)不產(chǎn)生影響。主要工作集中在數(shù)據(jù)處理階段，無需在施工現(xiàn)場進行；獲取的點云數(shù)據(jù)拼接后能得到完整的表面點云數(shù)據(jù)，密度高，且?guī)в锌臻g坐標(biāo)及顏色信息。該方法可改變傳統(tǒng)工作方式，現(xiàn)場測量安全方便，操作簡易，減輕測量人員工作時間及壓力，提高效率，節(jié)約成本。

三維激光掃描技術(shù)直接獲得點云數(shù)據(jù)，與BIM模型進行3D對比分析，快速計算曲面偏差，對不符合施工標(biāo)準(zhǔn)的位置進行標(biāo)注，反饋給現(xiàn)場進行整改，對提高施工精度及質(zhì)量具有重要作用。

3 施工要點

3.1 測量數(shù)據(jù)獲取

清理異形模板表面，使三維激光掃描儀設(shè)備與模板之間無物體遮擋。選取掃描點位，使掃描范圍覆蓋模板目標(biāo)區(qū)域。

偽滿皇宮博物院展館工程利用Faro三維激光掃描儀進行掃描作業(yè)，作業(yè)準(zhǔn)備階段先清理現(xiàn)場，保證模板表面干凈無遮擋物體，并根據(jù)現(xiàn)場情況及掃描目標(biāo)區(qū)域確定4處掃描點位，確保掃描能夠覆蓋目標(biāo)區(qū)域（見圖 2）。

圖2 數(shù)據(jù)采集點位布置

1）根據(jù)設(shè)備所處環(huán)境進行掃描設(shè)備參數(shù)調(diào)整，本項目實施中，選取的4處掃描點位距離目標(biāo)區(qū)域均在10m范圍內(nèi)，據(jù)此數(shù)據(jù)對三維激光掃描儀進行室外作業(yè)參數(shù)調(diào)整。

2）確定場地清理完畢后，對現(xiàn)場進行短暫封閉，防止工人通過掃描區(qū)域影響掃描結(jié)果，并在掃描過程中注意觀察設(shè)備狀態(tài)，防止設(shè)備受到振動。

3.2 測量數(shù)據(jù)處理

采用Faro的Scene軟件對獲取的掃描點云數(shù)據(jù)進行點云拼接處理（見圖3），將多個測量站所獲取的點云數(shù)據(jù)一起導(dǎo)入Scene軟件中，先進行手動粗略位置調(diào)整，然后采用云際模式進行自動拼接，刪除無用點云，生成一個完整的模板表面點云數(shù)據(jù)。

圖3 點云數(shù)據(jù)拼接

3.3 精度分析

1）在Geomagic軟件中將掃描點云數(shù)據(jù)設(shè)置為對照模型（Text）。

2）在Geomagic軟件中將模板BIM模型設(shè)置為設(shè)計模型（Reference）。

3）將掃描點云數(shù)據(jù)與模板BIM模型進行位置擬合，先手動進行位置粗略調(diào)整到同一位置，然后利用軟件功能進行自動擬合，如圖4所示。

圖4 點云數(shù)據(jù)與BIM模型位置擬合

4）進行3D對比分析，擬合后利用分析菜單里的3D分析功能，設(shè)置上下偏差點數(shù)值以及色譜欄中臨界值和名義值，然后確認應(yīng)用即可得到最后的分析結(jié)果。

5）采用三維激光掃描技術(shù)獲取異形曲面點云數(shù)據(jù)，同時利用BIM模型進行比對，點云數(shù)據(jù)與BIM模型擬合后進行3D對比分析可得到分析結(jié)果。此次三維掃描使用Scene軟件進行點云拼接，利用Geomagic軟件進行對比分析，將點云數(shù)據(jù)設(shè)置為對照模型（Text），將BIM模型設(shè)置為設(shè)計模型（Reference）。

4 實施效果

本技術(shù)通過利用三維激光掃描儀進行異形模板三維掃描獲取點云，對獲取的點云數(shù)據(jù)進行處理并進行精度分析。本技術(shù)將傳統(tǒng)單點測量模式推進至面式測量模式，實現(xiàn)自動獲取模板表面的點云數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)獲取效率、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)作業(yè)安全性和自動化方面實現(xiàn)全面提升。結(jié)合BIM軟件Geomagic中的3D對比分析功能，采用點云與模型擬合技術(shù)，計算點云偏差分析，獲得模板安裝精度，實現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)表面測量，在測量方便性和精確性及自動化方面有了全面的提升。

為保證整體分縫效果，穹頂鋼模板拼裝完成后，利用三維激光掃描儀進行三維掃描，將三維激光掃描儀架設(shè)在鄰近樓板的平面位置上，使儀器掃描范圍能夠覆蓋鋼模板一側(cè)，為保證數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，掃描過程中控制掃描區(qū)域內(nèi)無人員流動；鋼模板一側(cè)掃描完成后將儀器架設(shè)至對稱位置，對其余位置進行掃描，直至完成。將獲取的點云與BIM模型進行3D對比分析，通過熱圖直觀體現(xiàn)模板拼裝精準(zhǔn)度，能夠達到毫米級偏差分析，確保模板精度可控（見圖5）。

圖5 結(jié)構(gòu)整體三維激光掃描