縱肋疊合剪力墻三維激光掃描精度檢測(cè)

廖維張， 于欣洋， 王 彬， 趙欣雨

(北京建筑大學(xué) a.土木與交通工程學(xué)院; b.北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044)

近年來(lái)非接觸式傳感方法得到了關(guān)注并開(kāi)始應(yīng)用，但大多仍采用卷尺、靠尺等接觸式測(cè)量工具，費(fèi)時(shí)費(fèi)力[1～3]。隨著現(xiàn)代建筑物規(guī)模巨大化、復(fù)雜化，傳統(tǒng)的施工質(zhì)量檢測(cè)方法效率低下、錯(cuò)誤頻繁等問(wèn)題逐漸暴露。BIM(Building Information Modeling)作為建筑行業(yè)的一項(xiàng)革命性技術(shù)，它的出現(xiàn)為建筑施工質(zhì)量檢測(cè)提供了新的方法。但由于施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量大、種類(lèi)多、變化快，處理起來(lái)較為麻煩，致使BIM模型容易脫離現(xiàn)場(chǎng)情況，流于展示，且模型的修改往往基于實(shí)測(cè)實(shí)量，效率低下。三維激光掃描(3D Laser Scanning)技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提高數(shù)據(jù)測(cè)量的精度和效率。運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)可以快速獲得建筑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際點(diǎn)云模型，并結(jié)合BIM模型，通過(guò)碰撞分析得到建筑構(gòu)件及整體的施工偏差，則可高效、智能化的指導(dǎo)建筑施工檢測(cè)，減小誤差，從而提高建筑數(shù)字化，充分實(shí)現(xiàn)信息共享。

從政策層面看，有關(guān)部門(mén)多次發(fā)文加快推進(jìn)BIM集成化應(yīng)用，推動(dòng)裝配式建筑質(zhì)量智能化檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用。《中國(guó)建筑施工行業(yè)信息化發(fā)展報(bào)告(2015)BIM 深度應(yīng)用與發(fā)展》提出了“BIM+”，即BIM集成應(yīng)用，主要包括：BIM與三維激光掃描技術(shù)、BIM與GIS、BIM與虛擬仿真技術(shù)、BIM與云計(jì)算、BIM與RFID等應(yīng)用[4]。《上海市裝配式建筑“十四五”規(guī)劃》[5]中強(qiáng)調(diào)結(jié)合BIM技術(shù)，應(yīng)用智能化檢測(cè)監(jiān)測(cè)工具，推動(dòng)新一代智能化檢測(cè)監(jiān)測(cè)工具在裝配式建筑建造過(guò)程中的應(yīng)用，以構(gòu)件為主體，細(xì)化數(shù)字化信息，研究測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋技術(shù)。目前研究進(jìn)展來(lái)看，Yoon等[6]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于混凝土隧道襯砌預(yù)制構(gòu)件預(yù)拼接和預(yù)制結(jié)構(gòu)連接件位置的變化檢測(cè)。通過(guò)自定義掃描儀選取800 mm隧道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，結(jié)合數(shù)據(jù)分析對(duì)隧道裂縫和損傷進(jìn)行檢測(cè)查驗(yàn)。Kim等[7]研究了利用BIM和三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)預(yù)制混凝土構(gòu)件尺寸和表面質(zhì)量的評(píng)估系統(tǒng)和實(shí)用方法，結(jié)果表明使用BIM和三維激光掃描的擬議方法具有對(duì)預(yù)制混凝土構(gòu)件尺寸和表面質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)可靠評(píng)估的潛力。龔劍等[8]研究了基于三維激光掃描的超高層建筑施工偏差數(shù)字化檢驗(yàn)系統(tǒng)及方法，可用于超高層建筑施工進(jìn)度、位置和尺寸偏差的檢驗(yàn)評(píng)估。徐曉珂[9]研究了三維激光掃描技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用，重點(diǎn)探討了三維掃描實(shí)施的工作流程以及安裝精度的控制。

雖然三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但其在裝配式建筑當(dāng)中特別是裝配式建筑偏差從生產(chǎn)到安裝整流程的研究?jī)H有少量，且多集中在構(gòu)件掃描數(shù)據(jù)算法研究中。因此，運(yùn)用BIM集成三維激光掃描技術(shù)，細(xì)化操作流程，實(shí)現(xiàn)夾心保溫縱肋空心墻生產(chǎn)、安裝整套流程的高精度檢測(cè)具有重要意義。

1 高精度裝配技術(shù)原理

1.1 縱肋疊合混凝土剪力墻概述

縱肋疊合混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的夾心保溫縱肋空心墻板安裝由空腔內(nèi)灌注混凝土代替套筒灌漿工法，豎向節(jié)點(diǎn)下層墻板上部的U型縱筋與上層墻板空腔內(nèi)的外露縱筋搭接連接，夾心保溫縱肋空心墻板模型及連接節(jié)點(diǎn)示意如圖1,2[10]所示。相比于套筒灌漿工藝，夾心保溫縱肋空心墻板U型縱筋連接節(jié)點(diǎn)的安裝偏差更難控制，達(dá)到毫米級(jí)。相對(duì)安裝精度要提高外墻立面垂直度、構(gòu)件水平位置、標(biāo)高等精度控制值，基于此種情況運(yùn)用三維激光掃描及BIM技術(shù)以期實(shí)現(xiàn)高精度安裝。

1.空腔;2.縱肋;3.混凝土板;4.縱筋;5.水平筋;6.拉筋;7.保溫板;8.外葉;10.保溫連接件

1.下層預(yù)制構(gòu)件;2.上層預(yù)制構(gòu)件;3.下層墻體預(yù)留環(huán)狀搭接鋼筋;4.上層墻豎向鋼筋;5.水平接縫

1.2 三維激光掃描與BIM應(yīng)用原理

三維激光掃描通過(guò)向被測(cè)對(duì)象發(fā)射激光束和接受反射的激光信號(hào)獲取被測(cè)對(duì)象的空間點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。點(diǎn)的集合被稱(chēng)為“點(diǎn)云”(Point Clouds)[11]。三維激光掃描獲取對(duì)象每個(gè)掃描點(diǎn)的空間坐標(biāo)后，以點(diǎn)云進(jìn)行基本數(shù)據(jù)表達(dá)和存儲(chǔ)。

裝配式預(yù)制混凝土構(gòu)件廠(chǎng)及施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，存在較多不確定性因素，僅依靠BIM技術(shù)預(yù)先進(jìn)行模擬分析并不能完全的反映實(shí)際生產(chǎn)施工質(zhì)量精度，將導(dǎo)致BIM模型無(wú)法及時(shí)高效的指導(dǎo)構(gòu)件生產(chǎn)及施工安裝。BIM與三維激光掃描技術(shù)的集成，將正向構(gòu)建的BIM幾何模型與逆向構(gòu)建的實(shí)際掃描點(diǎn)云模型進(jìn)行對(duì)比分析。BIM模型正向指導(dǎo)施工提高效率，逆向三維激光掃描模型基于已建建筑物，將實(shí)際施工情況以1∶1數(shù)字模型反映到BIM模型中，從而將實(shí)際施工和設(shè)計(jì)模型之間的偏差全部顯示[12]。正向逆向結(jié)合，可達(dá)到快速檢測(cè)誤差，精確數(shù)據(jù)分析，提高生產(chǎn)、安裝精度的目的。

1.3 構(gòu)件公差數(shù)值分析

工廠(chǎng)生產(chǎn)和構(gòu)件安裝過(guò)程中更多的是通過(guò)關(guān)注改進(jìn)工藝來(lái)提高預(yù)制構(gòu)件的合格率，未對(duì)構(gòu)件尺寸偏差進(jìn)行系統(tǒng)性的過(guò)程質(zhì)量控制分析，現(xiàn)行規(guī)范雖然給出了構(gòu)件的誤差范圍，但尚未對(duì)誤差數(shù)據(jù)提出合理的分布理論規(guī)律。公差是指構(gòu)件生產(chǎn)安裝中規(guī)定的最大極限尺寸Xmax與最小極限尺寸Xmin的差值，即上偏差與下偏差的差值，通用表示為IT，公式為：

IT(δX)=Xmax-Xmin

(1)

在構(gòu)件公差符合范圍內(nèi)可進(jìn)行部件的替換且不影響最終裝配的質(zhì)量，公差的大小決定了部件間的間隙和幾何配合，是構(gòu)件產(chǎn)品加工、安裝質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接決定了產(chǎn)品性能、裝配成功率、生產(chǎn)成本和加工工藝過(guò)程的控制。例如在構(gòu)件安裝過(guò)程中時(shí)有發(fā)生最后幾組構(gòu)件誤差大安裝不上的問(wèn)題，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、分析公差可實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的構(gòu)件替換。預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、安裝主要對(duì)x,y,z軸三維方向(圖3)誤差值分析，將所有構(gòu)件生產(chǎn)、安裝中的誤差數(shù)據(jù)分組，其數(shù)學(xué)分布模型可用正態(tài)分布描述。正態(tài)分布曲線(xiàn)是中間凸出、兩端下凹對(duì)稱(chēng)型的鐘形曲線(xiàn)。正態(tài)分布曲線(xiàn)的概率密度函數(shù)可表示為：

圖3 構(gòu)件三維方向坐標(biāo)

-∞0

(2)

該分布主要有2個(gè)控制參數(shù)：平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，可表示為N(μ,σ)。σ越小表明隨機(jī)數(shù)據(jù)集中程度越大，分散度小；σ越大則表明數(shù)據(jù)集中程度小，分散度大。

(3)

按照公差限取δ=6σ原則(即保證99.73%的產(chǎn)品落在μ±3σ區(qū)間內(nèi))，符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)尺寸偏差上、下限應(yīng)為：

Tu=μ+3σ

(4)

Tl=μ-3σ

(5)

由實(shí)際公差范圍確定整體偏差結(jié)果，從而研究三維方向上誤差數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，對(duì)比公差，分析實(shí)際數(shù)據(jù)分布規(guī)律。

2 技術(shù)應(yīng)用實(shí)施方案

在分析技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)技術(shù)應(yīng)用可行性進(jìn)行研究，并結(jié)合裝配式建筑構(gòu)件特點(diǎn)，以影響因素為出發(fā)點(diǎn)，確立技術(shù)應(yīng)用各步驟的流程及目標(biāo)，確定一套在裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)到安裝全流程的可行性?huà)呙璺桨浮?/p>

2.1 誤差影響因素分析

2.1.1 構(gòu)件生產(chǎn)、安裝誤差

在混凝土澆筑前，應(yīng)對(duì)模具、鋼筋網(wǎng)片、預(yù)埋構(gòu)件及預(yù)留孔洞等進(jìn)行核查驗(yàn)收，并做好相應(yīng)記錄。同樣，在裝配式混凝土構(gòu)件安裝過(guò)程中由于大型機(jī)械吊裝、斜撐支設(shè)等因素的影響，構(gòu)件實(shí)際安裝精度難以精確控制在毫米級(jí)。預(yù)制混凝土墻構(gòu)件通過(guò)軸線(xiàn)控制水平位置，通過(guò)靠尺多次貼靠來(lái)檢測(cè)垂直度，安裝誤差隨著單塊墻板誤差逐漸累積，整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層安裝完畢后，經(jīng)常出現(xiàn)墻板拼縫部分過(guò)大過(guò)小的現(xiàn)象。基于此現(xiàn)象，施工前應(yīng)該制定專(zhuān)項(xiàng)施工高精度檢測(cè)方案，包括混凝土構(gòu)件的軸線(xiàn)、截面、平整度及標(biāo)高。

在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、安裝階段將非必要誤差控制在最小范圍，有利于BIM集成三維激光掃描技術(shù)的準(zhǔn)確實(shí)施，便于數(shù)據(jù)采集與分析，減少掃描準(zhǔn)備工作。

2.1.2 技術(shù)實(shí)施影響因素

技術(shù)實(shí)施影響因素主要包括掃描精度影響、工作流程影響以及組織架構(gòu)資源配置。

掃描精度的影響因素主要包括儀器性能指標(biāo)誤差、目標(biāo)表面因素誤差、環(huán)境因素誤差、點(diǎn)云匹配誤差幾個(gè)方面。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集到處理點(diǎn)云生成對(duì)比模型，其中具體工作的開(kāi)展需建立在明確的任務(wù)線(xiàn)之上[13]。工作流程標(biāo)準(zhǔn)化主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)化、內(nèi)頁(yè)數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)建BIM模型標(biāo)準(zhǔn)化、模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)化。三維激光掃描數(shù)據(jù)采集、處理及BIM模型創(chuàng)建等過(guò)程均要求高精度細(xì)致化的工作，需要明確各任務(wù)階段的責(zé)任，明確同組人員的具體責(zé)任，保證外業(yè)采集階段效率，做好分工，責(zé)任到人，如圖4所示。

圖4 掃描人員職責(zé)任務(wù)安排

2.2 棱鏡靶標(biāo)法

傳統(tǒng)三維激光掃描通過(guò)借助靶標(biāo)球、靶標(biāo)紙助力點(diǎn)云配準(zhǔn)、拼接，但在施工安裝現(xiàn)場(chǎng)掃描時(shí)，環(huán)境更為復(fù)雜，點(diǎn)云拼接站點(diǎn)數(shù)更多，因此借助棱鏡實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及靶標(biāo)參照。棱鏡的工作原理實(shí)際上是光的反射定律和折射定律，光在相同介質(zhì)中發(fā)生反射時(shí)，其反射角和入射角相等。如圖5所示，棱鏡的尾部結(jié)構(gòu)為三面正交(圖中A，B，C面)，其形狀如圖5。圖中直角三角形為反射棱鏡尾部結(jié)構(gòu)的一個(gè)斷面，其中包括一個(gè)90°角，A面和B面相互垂直。入射光R1入射到B面上，然后再反射到A面上，最后反射光R2返回，其方向與R1互逆。

圖5 棱鏡構(gòu)造

與傳統(tǒng)靶標(biāo)紙和靶標(biāo)球不同的是，棱鏡精度更高，且不易受周邊環(huán)境影響，減少了傳統(tǒng)方法中靶標(biāo)球或靶標(biāo)紙受塵土、雨水等因素的影響，其功能條件對(duì)比如表1所示。如圖6所示，在棱鏡架設(shè)完且調(diào)平后，使用三維激光掃描儀器探測(cè)功能，能夠自動(dòng)識(shí)別棱鏡所在位置，以精確坐標(biāo)的方式呈現(xiàn)。使用棱鏡提高精度，不僅體現(xiàn)在點(diǎn)云模型拼接上，更為三維激光掃描儀各站點(diǎn)的定位提供了精確位置。

表1 功能條件對(duì)比

圖6 棱鏡靶標(biāo)

2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)掃描具體步驟主要包括儀器架設(shè)調(diào)平、參數(shù)輸入設(shè)置、圖像數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)校核等方面。激光掃描產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是1∶1的比例，其精度值和數(shù)據(jù)處理時(shí)間將根據(jù)分辨率設(shè)置而不同[14]，因此參數(shù)的設(shè)定對(duì)點(diǎn)云的效果具有直接影響。而掃描參數(shù)中掃描模式和掃描時(shí)間對(duì)點(diǎn)云質(zhì)量影響較大，掃描時(shí)間越長(zhǎng)噪點(diǎn)越多，影響點(diǎn)云后續(xù)處理精度。掃描工作流程如圖7所示。

圖7 掃描工作流程

掃描范圍的參數(shù)設(shè)定為360°掃描，從而避免選定角度范圍掃描的數(shù)據(jù)遺漏，影響后續(xù)點(diǎn)云拼接，如圖8所示。

圖8 360°環(huán)向掃描

2.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云導(dǎo)入、降噪、拼接、剔除、導(dǎo)出等步驟，最終目標(biāo)是獲得精確點(diǎn)云模型。考慮到會(huì)有細(xì)小的變動(dòng)影響，三維掃描儀器將進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)[15]。點(diǎn)云配準(zhǔn)是將兩個(gè)數(shù)據(jù)集合并為一個(gè)數(shù)據(jù)集的技術(shù)，它首先為每個(gè)數(shù)據(jù)集選擇匹配點(diǎn)，然后以該點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行必要的調(diào)整[16]。

2.4.1 點(diǎn)云拼接方法

預(yù)制混凝土構(gòu)件的整體點(diǎn)云可在構(gòu)件斜對(duì)角兩站掃描的情況下覆蓋，點(diǎn)云重合覆蓋率高，因此可進(jìn)行自動(dòng)拼接，自動(dòng)拼接后通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)拼接精度報(bào)告分析點(diǎn)云模型的可用性，為提高整體精度，將誤差控制在1 mm。由于借助棱鏡輔助坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，各站點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)已明確，導(dǎo)入到軟件中即為拼接后的點(diǎn)云模型，在分析誤差報(bào)告滿(mǎn)足拼接精度后可直接進(jìn)行降噪、剔除無(wú)關(guān)點(diǎn)云等處理工作。Magnet collage軟件中拼接處理操作界面如圖9所示。

圖9 測(cè)站拼接處理

2.4.2 點(diǎn)云剔除處理

通過(guò)外業(yè)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量巨大，去除無(wú)效點(diǎn)云數(shù)據(jù)偏差，才能夠保證最終得到的點(diǎn)云模型中數(shù)據(jù)的可靠性[17]。點(diǎn)云拼接后，預(yù)選目標(biāo)對(duì)象的點(diǎn)云，剔除無(wú)關(guān)點(diǎn)云，創(chuàng)建新模型，為點(diǎn)云模型導(dǎo)出做準(zhǔn)備，如圖10，11所示。其具體流程主要包括數(shù)據(jù)剔除和點(diǎn)云分割。數(shù)據(jù)剔除即對(duì)已拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放，切換到合適的視角，刪除無(wú)用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如道路、樹(shù)木、車(chē)輛等非目標(biāo)地物，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，提高數(shù)據(jù)處理效率；點(diǎn)云分割主要是通過(guò)調(diào)整視角，依次在正投影和各個(gè)側(cè)面投影中，應(yīng)用多邊形切割工具，對(duì)要剔除的無(wú)用點(diǎn)云進(jìn)行分割[18]。區(qū)域平面分割結(jié)果是一組分割的點(diǎn)云簇，其中每個(gè)點(diǎn)包含x，y，z坐標(biāo)及其法向平面度和曲率平面度[19]，即導(dǎo)出點(diǎn)云模型中包含每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。

圖10 鋼筋點(diǎn)云剔除

圖11 斜支撐點(diǎn)云剔除

2.5 BIM模型精度控制

裝配式建筑構(gòu)件模型創(chuàng)建前應(yīng)先了解其主要控制要點(diǎn)，通過(guò)熟悉圖紙并勘察實(shí)際環(huán)境，確定先后流程，有針對(duì)性的創(chuàng)建模型。BIM模型主要包括預(yù)制混凝土構(gòu)件模型和現(xiàn)場(chǎng)安裝標(biāo)準(zhǔn)層模型，運(yùn)用Revit軟件進(jìn)行建模。其中單獨(dú)預(yù)制混凝土構(gòu)件模型要更加嚴(yán)格控制形狀、洞口尺寸等，依據(jù)構(gòu)件詳圖(圖12)創(chuàng)建單個(gè)構(gòu)件的模型，每個(gè)構(gòu)件單獨(dú)存儲(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)層模型主要包括預(yù)制內(nèi)、外墻，建模過(guò)程中要嚴(yán)格控制標(biāo)高，精確控制項(xiàng)目基點(diǎn)坐標(biāo)。此外，還應(yīng)提前分析標(biāo)準(zhǔn)層圖紙，確定最終的導(dǎo)入控制圖。

圖12 構(gòu)件尺寸控制圖

2.6 數(shù)據(jù)對(duì)比誤差分析

點(diǎn)云模型和BIM模型全部處理構(gòu)建完成后進(jìn)行二者的疊加對(duì)比分析。通過(guò)Navisworks Manage軟件將點(diǎn)云模型和BIM模型導(dǎo)入，創(chuàng)建選擇樹(shù)(Search Tree)，即項(xiàng)目瀏覽欄。由于點(diǎn)云掃描項(xiàng)目坐標(biāo)和BIM模型坐標(biāo)為同一數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到Navisworks Manage中后，兩模型自動(dòng)疊加擬合，如圖13，14所示。

圖13 項(xiàng)目坐標(biāo)控制

圖14 Navisworks Manage疊加點(diǎn)云

上述工作完成后進(jìn)入數(shù)據(jù)的分析處理階段，選中選擇樹(shù)里的所有墻項(xiàng)目文件，在軟件的附加功能中將疊加擬合的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Verity中進(jìn)行誤差對(duì)比。Verity中的操作步驟主要包括誤差限值設(shè)定、報(bào)告分析設(shè)定，此處誤差精確到1 mm，設(shè)定完成后進(jìn)行分析并生成誤差報(bào)告。

3 案例應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為北京市懷柔區(qū)某裝配式住宅5#樓工程，三層及以上外墻和部分內(nèi)墻采用預(yù)制夾心縱肋空心墻板，為縱肋疊合混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，外墻厚度為340(60+80+200)mm，內(nèi)墻厚度為200 mm。實(shí)驗(yàn)研究選用標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行，從構(gòu)件生產(chǎn)到施工安裝，結(jié)合工程施工組織設(shè)計(jì)及T/CECS 793—2020《縱肋疊合混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和GB/T 51231《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[20]，運(yùn)用BIM及三維激光掃描技術(shù)，借助拓普康GLS-2000掃描儀，實(shí)現(xiàn)高精度質(zhì)量檢測(cè)。規(guī)范T/CECS 793—2020允許偏差及檢驗(yàn)方法如表2所示。

表2 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、安裝允許偏差 mm

3.2 掃描測(cè)站布設(shè)

3.2.1 構(gòu)件掃描測(cè)站布設(shè)

由于構(gòu)件存放插架間距較小，且兩排并行插放，掃描覆蓋難度大，在構(gòu)件對(duì)角兩站點(diǎn)布設(shè)的原則下，中間部分采用其余站點(diǎn)的掃描覆蓋，后期經(jīng)過(guò)點(diǎn)云處理滿(mǎn)足點(diǎn)云分析使用要求。本次構(gòu)件掃描布站方案如圖15所示，按測(cè)站先后順序進(jìn)行掃描。

圖15 構(gòu)件掃描布站示意

掃描后及時(shí)使用掃描儀顯示屏回看點(diǎn)云圖像，檢查有無(wú)遺漏，如圖16所示。在參數(shù)設(shè)定時(shí)，儀器設(shè)定為近景模式，掃描范圍為360°,每站掃描時(shí)間為2 min 57 s。

圖16 構(gòu)件外業(yè)掃描及點(diǎn)云

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)層掃描測(cè)站布設(shè)

預(yù)制構(gòu)件安裝速度快，需提前進(jìn)駐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)掌握施工進(jìn)度。掃描對(duì)象為預(yù)制內(nèi)外墻構(gòu)件，在上一層頂板施工完成后進(jìn)行實(shí)地勘察，規(guī)劃站點(diǎn)位置，確保預(yù)制構(gòu)件安裝完成后掃描點(diǎn)云全覆蓋。結(jié)合BIM模型勘察現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，并使用棱鏡校核探測(cè)誤差，如圖17所示。依據(jù)軸線(xiàn)引測(cè)坐標(biāo)，在第一站參數(shù)輸入設(shè)置時(shí)將坐標(biāo)錄入儀器中，并結(jié)合棱鏡自動(dòng)探測(cè)下一站點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖17 參照BIM模型布站及棱鏡探測(cè)掃描

標(biāo)準(zhǔn)層預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)安裝掃描共布設(shè)測(cè)站點(diǎn)8站，圖18中C1和C2站點(diǎn)為最先架設(shè)掃描點(diǎn)，放置于現(xiàn)場(chǎng)兩端既可采集數(shù)據(jù)又能同時(shí)最大化地校核現(xiàn)場(chǎng)誤差。C3～C8測(cè)站點(diǎn)的布置巧妙結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件的間隙，在站點(diǎn)規(guī)劃最少的情況下覆蓋所有構(gòu)件的各個(gè)角點(diǎn)云，提高棱鏡的使用效率。全部測(cè)站點(diǎn)掃描完成后，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。

圖18 測(cè)站布置點(diǎn)

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及模型建立

預(yù)制構(gòu)件點(diǎn)云處理主要目的是通過(guò)點(diǎn)云導(dǎo)入、降噪、拼接、剔除、導(dǎo)出等步驟生成滿(mǎn)足碰撞分析要求的點(diǎn)云模型。在實(shí)際操作過(guò)程中，針對(duì)不同構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)存儲(chǔ)。以其中某個(gè)構(gòu)件為例，主要處理流程如圖19所示。

圖19 構(gòu)件點(diǎn)云模型處理

裝配式構(gòu)件安裝完成后的標(biāo)準(zhǔn)層環(huán)境更為復(fù)雜，處理前及處理后的整體點(diǎn)云模型如圖20,21所示。其中反射率點(diǎn)云模型能反映出激光反射程度，顏色偏紅和偏藍(lán)分別代表正、負(fù)值，趨于綠色為反射率較高的部分，點(diǎn)云精度也最高。圖像疊加點(diǎn)云模型中疊加了現(xiàn)場(chǎng)照片，點(diǎn)云結(jié)合實(shí)物圖更清晰真實(shí)。按測(cè)站劃分的點(diǎn)云模型處理前后代表每站覆蓋點(diǎn)云的顏色有變化，但覆蓋范圍不變，可清晰的顯示每一站點(diǎn)的覆蓋范圍。通過(guò)三種不同狀態(tài)下的點(diǎn)云模型對(duì)比，可更直觀比對(duì)并進(jìn)行點(diǎn)云剔除。

圖20 點(diǎn)云處理前

使用棱鏡靶標(biāo)法，每一測(cè)站的點(diǎn)云間存在相對(duì)坐標(biāo)，但實(shí)際的掃描棱鏡探測(cè)也會(huì)存在誤差。表3中以測(cè)站名稱(chēng)命名了棱鏡靶標(biāo)所在位置的靶標(biāo)點(diǎn)名，如靶標(biāo)C2是棱鏡放于測(cè)站C2位置時(shí)的靶標(biāo)名稱(chēng)，即三維激光掃描儀在C1測(cè)站探測(cè)C2測(cè)站坐標(biāo)。由表中數(shù)據(jù)棱鏡靶標(biāo)法拼接后的測(cè)站誤差(Δx,Δy,Δz)三維方向上在2 mm以下，外加噪點(diǎn)、環(huán)境因素的誤差影響，以及三維激光掃描儀2 mm@150 m的精度影響，棱鏡拼接誤差滿(mǎn)足點(diǎn)云模型碰撞使用要求。

圖21 點(diǎn)云處理后

表3 棱鏡靶標(biāo)測(cè)站拼接精度 mm

3.4 BIM模型和點(diǎn)云模型碰撞對(duì)比

使用Navisworks Manage軟件將點(diǎn)云模型和BIM模型逐一疊加，構(gòu)件、標(biāo)準(zhǔn)層點(diǎn)云和BIM模型的疊加操作界面如圖22所示。圖22b中最大化對(duì)其疊加部分進(jìn)行了精簡(jiǎn)，只保留對(duì)比的墻構(gòu)件點(diǎn)云和BIM模型，以提高對(duì)比識(shí)別精度。

圖22 點(diǎn)云模型和BIM模型疊加

在verity中的顯示結(jié)果以單獨(dú)構(gòu)件三維誤差分布圖和誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表方式輸出。圖23選取了部分生產(chǎn)構(gòu)件的誤差分析云圖，其中綠色部分變形最小，藍(lán)色部分代表負(fù)偏差，紅色部分代表正偏差，紅色或者藍(lán)色越深，表明正負(fù)變形的值越大。

圖23 構(gòu)件生產(chǎn)誤差分布

圖24對(duì)于構(gòu)件安裝的誤差分布因整體數(shù)據(jù)偏差量較大，結(jié)果輸出時(shí)設(shè)定以綠色區(qū)域?yàn)楹细瘢t色區(qū)域?yàn)榇笳`差，再通過(guò)具體數(shù)據(jù)分析直觀顯示誤差的正負(fù)值。從圖中可以看到，交錯(cuò)的斜道為剔除部分斜支撐后留下的痕跡，在整體誤差分析中對(duì)構(gòu)件安裝精度的分析影響較小。

圖24 構(gòu)件安裝誤差分布

3.5 基于公差理論的偏差數(shù)值分析

從具體數(shù)值來(lái)看，標(biāo)準(zhǔn)層構(gòu)件安裝的寬度、厚度誤差大部分超出規(guī)范要求，其三維方向的誤差基本服從正態(tài)分布，頻數(shù)分布直方圖和正態(tài)曲線(xiàn)如圖25所示。由數(shù)據(jù)及計(jì)算分析可知，預(yù)制構(gòu)件墻的寬度、厚度值基本都超出規(guī)范安裝精度要求，且超出比例較大，而垂直方向多集中在規(guī)范值范圍內(nèi)，合格率較高。

圖25 安裝誤差直方圖

安裝誤差中x軸公差范圍：

均值：

(6)

標(biāo)準(zhǔn)差：

(7)

=0.032 m

(8)

實(shí)際公差范圍：

Tu=μ+3σ=0.102 m

(9)

Tl=μ-3σ=-0.090 m

(10)

安裝誤差中y，z軸計(jì)算同x軸。

如表4～6所示，標(biāo)準(zhǔn)層中所用12種規(guī)格構(gòu)件的寬度、厚度生產(chǎn)誤差從具體數(shù)值上看基本都超出規(guī)范要求。其三維方向的誤差基本服從正態(tài)分布，誤差正態(tài)分布規(guī)律與安裝誤差相似。

表4 構(gòu)件安裝誤差對(duì)比 m

表5 構(gòu)件生產(chǎn)誤差 m

表6 構(gòu)件生產(chǎn)誤差對(duì)比 m

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)采用縱肋疊合混凝土預(yù)制構(gòu)件的裝配式項(xiàng)目運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)逆向構(gòu)建了構(gòu)件及標(biāo)準(zhǔn)層的點(diǎn)云模型，并通過(guò)將點(diǎn)云模型與原有的BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行具體的偏差值分析，直觀地從不同維度將構(gòu)件兩種模型進(jìn)行對(duì)比，找出生產(chǎn)和安裝的明顯偏移量，得到構(gòu)件的偏差值、下公差和上公差以及偏差數(shù)據(jù)報(bào)告，為后續(xù)生產(chǎn)、安裝施工提供真實(shí)的數(shù)據(jù)報(bào)告，保證了后續(xù)施工的質(zhì)量和效率，是完整的將三維激光掃描與BIM技術(shù)相結(jié)合并進(jìn)行整套流程應(yīng)用的成功案例，為其他裝配式項(xiàng)目的三維激光掃描及高精度生產(chǎn)、安裝施工提供了有價(jià)值的參考，據(jù)此可得到以下結(jié)論：

(1)BIM集成三維激光掃描技術(shù)是裝配式預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、施工整個(gè)流程精度控制的有效技術(shù)方法，可以實(shí)現(xiàn)高精度的誤差數(shù)據(jù)碰撞分析。

(2)夾心保溫縱肋空心墻板由于自身連接節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，水平方向誤差較大，與實(shí)際安裝情況相符，三維激光掃描可將檢測(cè)誤差控制在毫米級(jí)。實(shí)驗(yàn)建立的集成技術(shù)實(shí)施路徑可為這一新型連接體系的構(gòu)件從生產(chǎn)階段降低水平向誤差，進(jìn)而提高安裝精度。

(3)對(duì)于裝配式縱肋疊合混凝土剪力墻這一新型連接體系，使用三維激光掃描及BIM技術(shù)能大大提高應(yīng)用精度，但對(duì)于項(xiàng)目的實(shí)際工況標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)作嚴(yán)格要求，避免構(gòu)件生產(chǎn)、施工安裝不規(guī)范造成的誤差，否則高精度檢測(cè)應(yīng)用意義不大。此外，在現(xiàn)階段數(shù)字化構(gòu)件生產(chǎn)線(xiàn)中，可將三維激光掃描作為構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)的工序，提高精度和效率。