實景三維建模在大型公共建筑檢測中的應用

劉運房，侯晉華，許家文，羅 飛

(山西省建筑科學研究院集團有限公司,山西 太原 030001)

0 引言

在主體結構檢測中,常用接觸式直接測量法,而此種方法適用于操作面大、作業方便的構件檢測。而面對大型空間桁架結構,特別是對高聳建筑物進行測量時,通過手動接觸式獲得技術參數通常是不完整且工作效率低下,還會對高空檢測人員的人身安全造成重大威脅。因此,在大型公共建筑主體結構檢測中,尋求高效、精確、全面的檢測方法對檢測作業人員是具有重要意義的。隨著科技和數字技術的快速發展,利用無人機貼近攝影測量和精細化實景三維建模技術等非接觸式的測量方法已逐漸出現在工程檢測人員的視野。2019年張祖勛院士團隊[1]提出了貼近攝影測量技術,針對非常規目標精細化重建的貼近攝影測量方法,通過無人機沿目標表面飛行、高清攝影相機貼合目標表面拍攝,實現對非常規地面(如大壩、巖石邊坡等)或人工物體表面(如大型公共建筑、空間網架結構、桁架結構、高聳結構、古建筑等具有特點的建筑等)等對象的毫米級分辨影像,并通過精細化實景三維建模技術對影像進行處理,建立高精度、準確、全面的絕對空間位置數據以及真實紋理的數字資料。蔡軍等[2]研究了貼近攝影測量與BIM技術在瀕危民族建筑部件級實景三維建設中的應用,形成了傳統部落部件級實景三維模型圖,對構件的外觀特征、尺寸信息等進行參數化建模,形成可提取數據庫。姚富潭等[3]基于貼近攝影測量技術對高陡危巖體結構面調查方法進行了研究,通過三維模型中缺陷特征,對危巖體穩定性進行快速評價,能很好滿足工程精度要求,提供可靠的基礎數據。王棋[4]研究了貼近攝影測量技術在歷史建筑保護中的應用,解決了復雜建筑的高精度建模問題,具有較高的使用價值。劉洋等[5]研究了無人機貼近攝影測量用于橋梁工程精細化建模。張際澤等[6]研究了無人機攝影測量應用于水電站項目獲取了高精度實景三維模型,為項目設計、施工等需求提供了基礎數據,提高測量工作效率,提升了測量成果質量,同時降低現場測量人員的工作強度,實現了工程建設的精細化和智能化。徐陳勇等[7]基于無人機貼近攝影測量對某碼頭邊坡安全實施巡檢檢測,對整個岸坡進行數據采集、分析、識別變化信息。王小剛等[8]將貼近攝影測量用在水利工程監測中,結果顯示獲取的影像地面分辨率達到毫米級,在水利工程監測和地質勘察領域有廣闊應用前景。

可見,貼近攝影測量已應用于瀕危歷史建筑、高陡危巖體結構、橋梁工程、水利工程、邊坡工程等監測、勘察、設計、施工等多個領域,為高危大型公共建筑空間桁架結構現場檢測提供了思路。本文以山西某市大酒店樓頂防空信號塔主體結構檢測為例,綜合運用貼近攝影測量和精細化實景三維建模技術,在減少人工投入的基礎下,快速、準確地完成現場數據采集,并且獲得的數據具備較高的準確性,為此類大型建筑結構現場檢測提供了技術支撐,同時促進了檢測行業的可持續和高質量發展。

1 工程概況

山西省某市大酒店塔樓為地下2層、地上17層(出屋面四層構架層)框架剪力墻結構建筑,建筑總面積為39 998.66 m2,其中塔樓東西長約55.4 m、南北向寬約21.4 m,建筑總高度88.10 m,設計使用年限為50 a,建筑類別為一類高層旅館。該信號塔由主塔和避雷針組成。主塔主要有支腳、圓柱體和正八邊形變形體三部分組成,主塔正立面塔腳中心距27.6 m,塔高為36 m,其中支腳部分在屋面以上的高度為16 m,其上為20 m高圓柱體,在圓柱體上部設置正八邊形變形體,變形體高度為3 m,避雷針高11.3 m。信號塔立面示意圖如圖1所示。

為了解目前該信號塔結構自身工作狀況以及對塔樓結構的影響,對該信號塔進行主體結構檢測。該項目主要難點是對塔身自身結構的檢測,結構復雜、屬于高空高危作業,對塔身平立面布置、構件位置、截面尺寸、構件變形等關鍵技術參數很難開展工作,且塔身多個部位技術人員無法實地測量。為解決以上難題,提出利用無人機貼近環繞攝影測量和精細化實景三維建模技術手段采集數據。

2 測試原理

利用無人機貼近環繞攝影測量是一種全新的攝影測量方式,通過對無人機航線設計、人工布設相控點、貼近測量對象,調整無人機飛行姿態和相機參數,利用無人機云臺姿勢控制能力和高精度定位技術,貼近被測對象獲取超高分辨率影像,通過數字化影像技術,依據影像制作三維實景模型,進行精細化地理信息獲取,可以得到被測對象的精細結構,目前精度可以達到毫米級。

3 模型檢查分析

三維實景模型生成后,如圖2所示,共檢查了10個空間特征點,其誤差統計如表1所示。

表1 特征點坐標檢查統計表

經對比可知,10個空間特征點坐標誤差最大值為11.5 mm,特征點高程誤差最大值為2.4 mm,其數字模型滿足GB/T 17941—2008數字測繪成果質量要求[9]的相關要求。

4 信號塔主體結構檢測結果及分析

基于實景三維高精度模型,實測大地坐標數據,進而得到各特征點坐標信息,用于主體結構檢測分析。

4.1 基礎鋼梁截面尺寸測試結果

實景三維模型實測基礎鋼梁截面尺寸如圖3所示,實測結果如表2所示。

表2 基礎鋼梁截面尺寸測試結果

由表2可知,所抽檢的信號塔基礎鋼梁截面尺寸與原設計圖紙基本相符。

4.2 基礎鋼梁撓度變形檢測

依據GB 55018—2021工程測量通用規范[10]和JGJ 8—2016建筑變形測量規范[11]的相關規定,并結合現場實際檢測條件;分別選取梁兩端和梁中心,共3個測點標高進行測量,測量結果見表3。

表3 基礎鋼梁撓度抽檢結果表

由表3可知,本次抽檢的6個鋼梁構件,分別選取梁兩端和梁中心,共計18個測點,進行測點標高測量,撓度結果均滿足GB 50017—2017鋼結構設計標準[12]附錄B中受彎構件的撓度主梁或桁架撓度容許值的規定。

4.3 信號塔塔架垂直度檢測及分析

依據GB 55018—2021工程測量通用規范和JGJ 8—2016建筑變形測量規范中第4.8節的相關規定,采用無人機近景環繞攝影測量方法,對塔架坐標進行測量,并根據測量數據,利用坐標法對垂直度進行計算,根據三維模型結果,選擇設計標高為124.300 m處正八邊形桁架圓上平面三點(A,B,C),實測A,B,C三點大地坐標見表4。

表4 實測塔架頂部大地坐標測量結果 m

根據圓上三點A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3)即可求得圓心坐標(X,Y)。由式(1)—式(3)計算:

(x1-X)2+(y1-Y)2=R2

(1)

(x2-X)2+(y2-Y)2=R2

(2)

(x3-X)2+(y3-Y)3=R2

(3)

由式(1),式(2),得到式(4):

x12-x22-2x1X+2x2X+y12-y22-2y1Y+2y2Y=0

(4)

由式(2),式(3),得到式(5):

x22-x32-2x2X+2x3X+y22-y32-2y2Y+2y3Y=0

(5)

再整理式(4)、式(5)得式(6),式(7):

(2x2-2x1)X+(2y2-2y1)Y=x22-x12+y22-y12

(6)

(2x3-2x2)X+(2y3-2y2)Y=x32-x22+y32-y22

(7)

由式(6),式(7)可求得:

X=[(x22-x12+y22-y12)(2y3-2y2)-
(x32-x22+y32-y22)(2y2-2y1)]/

[(2x2-2x1)(2y3-2y2)-(2x3-2x2)(2y2-2y1)]。

Y=[(2x3-2x2)(x22-x12+y22-y12)-(x32-
x22+y32-y22)2x2-2x1]/

[(2x3-2x2)(2y2-2y1)-(2x2-2x1)(2y3-2y2)]。

將數據代入可得X=4***26.691 9,Y=3***791.095,即標高124.300 m處實測圓心坐標O1為(4***26.691 9,3***791.095,940.447)。

通過測繪結果,信號塔4個基座處坐標見表5。

表5 信號塔基座坐標(標高85.900 m) m

通過測繪四點坐標,可得到信號塔標高85.900 m基座中心坐標O2為(4***26.710,3***791.078,902.302)。

根據O1(4***26.692,3***791.095,940.447),O2(4***26.681,3***791.078,902.302)兩點的空間坐標可知,O1相對于O2向東偏11 mm,O1相對于O2向北偏17 mm,矢量為20.25 mm。經計算,信號塔垂直度為20.25/(940 447-9***02)%=0.053%。未超過該信號塔設計要求:塔架安裝完畢后,塔身實際軸線與設計軸線偏差不得大于被測高度的1/1 500(0.067%)。

5 結論

1)通過貼近攝影測量和精細化實景三維建模技術可以應用在大型公共建筑主體結構檢測中,能有效減少高空作業、取代勞動強度大、人工接觸式測量等測量方式。2)可以基于精細化實景三維模型進行高度、長度、面積、角度的量測,實時獲取主體結構參數數據,測量精度滿足國家相關規范要求。3)在精細化實景三維模型基礎上,獲得實時大地坐標能利用于主體結構中構件尺寸、構件撓度、塔架垂直度等檢測項目。4)利用貼近攝影測量和精細化實景三維建模技術在實際大型公共建筑主體結構檢測項目中可提供可靠的基礎數據,實現檢測行業的高質量發展。