三維激光掃描技術(shù)在建筑變形監(jiān)測中的應(yīng)用

李紅勤

(廣西壯族自治區(qū)第四地質(zhì)隊(duì),廣西 南寧 530031)

0 引言

建筑工程的持續(xù)性與安全性受到結(jié)構(gòu)變形的潛在影響,此種變形可能由多種原因引起,如自然老化、地質(zhì)不穩(wěn)定、環(huán)境因素或重載作用。尤其在超高層建筑物的工程管理中,變形監(jiān)測是確保結(jié)構(gòu)完整性和人員安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法,如水準(zhǔn)測量、全站儀監(jiān)測等,盡管已廣泛應(yīng)用,但在數(shù)據(jù)收集的精確性和效率上存在限制。而三維激光掃描技術(shù),憑借其高精度、高速度的數(shù)據(jù)采集能力,已成為工程測量領(lǐng)域的重要進(jìn)展。該技術(shù)生成的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠構(gòu)建出精確的三維模型,對建筑物的微小變形進(jìn)行有效捕捉,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的動態(tài)化和自動化。因此,本研究旨在探討三維激光掃描技術(shù)在超高層鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中的實(shí)際應(yīng)用,通過對廣西壯族自治區(qū)商務(wù)主樓鋼結(jié)構(gòu)的監(jiān)測案例分析,旨在概括出該技術(shù)在建筑變形監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用流程與有效方法。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為廣西壯族自治區(qū)某商務(wù)主樓,該工程地處繁華商業(yè)區(qū),緊鄰區(qū)域交通樞紐,具有顯著的地理優(yōu)勢。商務(wù)主樓設(shè)計(jì)高度達(dá)到350 m,地下3層,地上68層,總建筑面積約為145 000 m2。建筑設(shè)計(jì)靈感源自于壯族文化的元素,其流暢的線條與現(xiàn)代商務(wù)的氣息相結(jié)合,意在成為廣西的新地標(biāo)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的象征。項(xiàng)目的主體鋼結(jié)構(gòu)分布于核心筒及其外圍,總用鋼量約2.5萬t。地上主體結(jié)構(gòu)體系為“外框勁性框架+勁性核心筒+伸臂桁架+腰桁架”,主塔樓鋼結(jié)構(gòu)由“外框架+核心筒+桁架層+塔冠桅桿”四部分組成,以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗震性能。具體塔樓鋼結(jié)構(gòu)體系見圖1。

在該商務(wù)主樓的鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中,面臨著超高層建筑特有的挑戰(zhàn),如巨大的結(jié)構(gòu)自重、高度復(fù)雜的設(shè)計(jì)以及高空作業(yè)的安全性問題。同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的精確安裝對于建筑物的整體質(zhì)量和使用安全至關(guān)重要。因此,在竣工階段為了確保核心筒及框架結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性,應(yīng)對結(jié)構(gòu)的水平和垂直變形進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測和控制,確保建筑物完整性和安全性的重要步驟。

2 三維激光掃描技術(shù)在建筑變形監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 三維激光掃描技術(shù)變形監(jiān)測流程

基于該商務(wù)主樓的實(shí)際情況,本次采用三維激光檢測技術(shù),對該建筑的鋼框架主體進(jìn)行變形監(jiān)測。其監(jiān)測流程如圖2所示。

從圖1中可以看出,本次將三維激光掃描技術(shù)在建筑變形監(jiān)測中的應(yīng)用分為了四個(gè)階段,即數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)處理階段、分析與應(yīng)用階段。其中,數(shù)據(jù)采集階段包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與原始數(shù)據(jù)處理。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集是利用三維激光掃描儀在現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,包括建筑物的三維形態(tài)和空間位置等信息。原始數(shù)據(jù)處理是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理,包括數(shù)據(jù)的清洗、濾波等,以去除噪聲和不必要的信息。數(shù)據(jù)處理階段包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、模型重建與數(shù)據(jù)融合[2]。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是將處理后的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以進(jìn)行進(jìn)一步分析的格式。模型重建是基于轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),使用相關(guān)軟件(BIM技術(shù))進(jìn)行三維模型的重建[3]。數(shù)據(jù)融合是將掃描數(shù)據(jù)與其他建筑信息數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,以得到完整的監(jiān)測數(shù)據(jù)。分析與應(yīng)用階段即是將重建的三維模型導(dǎo)入到CAD軟件中,在CAD環(huán)境下,對建筑物的三維模型進(jìn)行詳細(xì)分析,識別結(jié)構(gòu)變形。并依據(jù)分析結(jié)果,制定相應(yīng)的建筑變形監(jiān)測與應(yīng)對措施。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

2.2.1 掃描前準(zhǔn)備

在執(zhí)行三維激光掃描前,首要任務(wù)是對施工現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)勘查以決定激光掃描設(shè)備的安放點(diǎn),從而在保證掃描質(zhì)量的前提下節(jié)約掃描所需時(shí)間與掃描數(shù)據(jù)體量,為數(shù)據(jù)后處理奠定良好基礎(chǔ)[4]。首先為了校準(zhǔn)掃描設(shè)備并確保框架梁的彎曲度量準(zhǔn)確無誤,必須在關(guān)鍵區(qū)域預(yù)先放置直徑為4.5 in(11.43 cm)的黑白標(biāo)靶。此外,采用獨(dú)立的架設(shè)點(diǎn)進(jìn)行掃描,設(shè)定基本分辨率為6.3 mm@10 m距離,而對于框架梁的詳細(xì)掃描則調(diào)整為更高分辨率的3.1 mm@10 m,以確保大約1 mm的點(diǎn)云密度,更精確地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況。在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)框架上,每隔1.0 m～1.5 m均勻貼上P40型號的黑白標(biāo)靶,以實(shí)現(xiàn)全面而均勻的現(xiàn)場掃描覆蓋[5]。相關(guān)的掃描現(xiàn)場布置見圖3。

2.2.2 掃描標(biāo)靶

完成點(diǎn)云掃描后,緊接著對各測站的標(biāo)靶進(jìn)行掃描工作,這一環(huán)節(jié)分為三個(gè)主要部分:首先,掃描的第一部分包括那些用于后期數(shù)據(jù)拼接的標(biāo)靶,確保每個(gè)測站間至少共享兩個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)以便于數(shù)據(jù)整合;其次,第二部分涉及到那些基于預(yù)先規(guī)劃的中線位置而設(shè)置的標(biāo)靶,這些將在虛擬安裝階段用作定義控制基準(zhǔn);最后,第三部分的掃描集中于框架梁的側(cè)面和頂部標(biāo)靶,這些標(biāo)靶的坐標(biāo)點(diǎn)用于計(jì)算框架梁的側(cè)向撓度,并通過標(biāo)靶間的距離與全站儀測得數(shù)據(jù)的對比,來校驗(yàn)掃描儀的測量精度[6]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

在三維激光掃描變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理過程中,數(shù)據(jù)導(dǎo)入利用專業(yè)軟件,如點(diǎn)云處理軟件和CAD插件,將上步掃描得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)被導(dǎo)入到處理平臺。同時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入步驟涉及將現(xiàn)場掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成軟件可識別的格式,即RCP(Autodesk Recap)格式[7]。此類格式能夠保留空間點(diǎn)的位置信息及其對應(yīng)的反射強(qiáng)度值,為后續(xù)的數(shù)據(jù)過濾與提取奠定基礎(chǔ)。并利用Cyclone-Register 模塊進(jìn)行站站之間的數(shù)據(jù)自動拼接,生成專業(yè)的拼接報(bào)告并輸出。使用徠卡P40專用4.5in(11.43 cm),將站站之間整體拼接精度控制在±1.5 mm以下。

2.3.2 數(shù)據(jù)過濾與提取

本項(xiàng)目采用Leica Cyclone軟件執(zhí)行數(shù)據(jù)清洗,去除由于設(shè)備誤差、環(huán)境因素或非監(jiān)測對象(如過路人員和雜散物體)引入的噪點(diǎn)。應(yīng)用幾何一致性過濾器和反射強(qiáng)度篩選,確保僅保留與建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。此外,該軟件輔助提取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的幾何特征點(diǎn),包括梁、柱和節(jié)點(diǎn)等。這些特征點(diǎn)的提取是基于建筑構(gòu)件的形狀和空間布局,確保后續(xù)分析的準(zhǔn)確性。得到的凈化和特征化點(diǎn)云數(shù)據(jù)隨后用于生成精確的三維模型,以及與BIM模型對照,完成建筑變形的詳盡分析。

2.4 建筑鋼框架主體水平方向變形監(jiān)測

在施工過程如鋼材的切割、配對、焊接以及安裝等環(huán)節(jié)中,由于熱量和內(nèi)應(yīng)力的積累,構(gòu)件會發(fā)生一種稱作旁彎的變形。旁彎監(jiān)測是確保構(gòu)件在水平方向上結(jié)構(gòu)形態(tài)正確性的關(guān)鍵措施。在此工程項(xiàng)目中,施工團(tuán)隊(duì)運(yùn)用了三維激光掃描技術(shù)來跟蹤框架梁的形變,并收集了框架梁旁彎的詳細(xì)數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證這些數(shù)據(jù)的精度,還采用了高精度的全站儀(Leica TCR1202+)進(jìn)行了獨(dú)立測量,相關(guān)的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果見圖4,表1。

從以上數(shù)據(jù)中可以看出,框架梁旁彎的數(shù)據(jù)整體趨勢保持一致,且所有的最大旁彎值均滿足工藝規(guī)定的不超過8 mm的標(biāo)準(zhǔn),并出現(xiàn)在相同的測點(diǎn)位置。進(jìn)一步地,將三維激光掃描儀和全站儀的測量結(jié)果進(jìn)行對照分析,發(fā)現(xiàn)二者之間的差異維持在2 mm以內(nèi),并且數(shù)據(jù)具有較低的方差,說明測量結(jié)果穩(wěn)定,波動性小。此結(jié)果充分證明了采用的監(jiān)測變形技術(shù)的可靠性。

表1 框架梁旁彎數(shù)據(jù)分析

3 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)通過精確捕獲鋼框架主體的三維數(shù)據(jù),為監(jiān)測超高層建筑物的結(jié)構(gòu)健康提供了一種快速、可靠的手段。同時(shí)通過結(jié)合先進(jìn)的點(diǎn)云處理和CAD軟件,本研究不僅成功實(shí)施了對廣西壯族自治區(qū)某商務(wù)主樓的水平方向變形監(jiān)測,而且為此類結(jié)構(gòu)的未來監(jiān)測提供了一個(gè)可復(fù)制的工作流程模板。可以說,本次研究成果對于工程領(lǐng)域的專業(yè)人員在保障結(jié)構(gòu)安全性和延長建筑壽命方面具有較高的理論價(jià)值,有助于建筑變形監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。