覃亞偉，石文潔，肖明釗

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430023)

大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在運至現(xiàn)場進(jìn)行拼裝前，還需要進(jìn)行構(gòu)件加工質(zhì)量檢測及實地預(yù)拼裝，以檢驗構(gòu)件的偏差是否符合要求，構(gòu)件是否能夠拼裝，以便于及時修正并保證現(xiàn)場作業(yè)的工序正常進(jìn)行[1]。鋼構(gòu)件的加工質(zhì)量檢查及現(xiàn)場預(yù)拼裝過程繁瑣、難度大且成本高，對于大型、環(huán)境復(fù)雜的橋梁工程而言，施工質(zhì)量的過程管控更是重點和難點。

隨著數(shù)字化發(fā)展，BIM(Building Information Modeling)技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)的集成成為解決這些難題的研究熱點。杜伸云等[3]綜述了三維激光掃描技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢查中的應(yīng)用，數(shù)字化的檢驗方法為復(fù)雜構(gòu)件的質(zhì)量檢查提供了新的途徑。羅永權(quán)等[4]提出了一種“利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行橋梁構(gòu)件模擬預(yù)拼裝”的方法，驗證了其在大型橋梁構(gòu)件中取代傳統(tǒng)現(xiàn)場預(yù)拼裝帶來的質(zhì)量控制價值。陳濱津等[5]通過對不同項目中三維激光掃描技術(shù)在質(zhì)量管控中的不同應(yīng)用點的闡述，說明了適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜環(huán)境下的大型工程的精準(zhǔn)質(zhì)量管控。但是，這些研究與應(yīng)用在某一實際項目中只是某一方面的單一應(yīng)用，沒有形成一套系統(tǒng)的、全要素的應(yīng)用體系。如何應(yīng)用BIM技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)，高效、精準(zhǔn)地實現(xiàn)橋梁建造階段工程質(zhì)量的全過程的動態(tài)管控，還需進(jìn)一步的研究。

本文以BIM技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)為支撐，提出了質(zhì)量檢測、虛擬拼裝以及實時監(jiān)測一體化的工程質(zhì)量管控方法，并根據(jù)上述成果結(jié)合在建實際工程案例，論證了基于BIM+三維激光掃描技術(shù)在實際工程質(zhì)量管控中的應(yīng)用價值及前景。

1 技術(shù)支撐

1.1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)的核心是三維信息模型，BIM模型的建立是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量檢測和虛擬拼裝實現(xiàn)的基礎(chǔ)步驟，BIM在本研究方法中的應(yīng)用，主要是提供設(shè)計值模型，其呈現(xiàn)的模型直觀可視，包含了建筑的幾何信息、材質(zhì)結(jié)構(gòu)、空間位置等信息。

1.2 三維測量技術(shù)

1.2.1 三種典型測量方式的比較

通過對三維掃描、全站儀測量、攝像測量三種測量方式進(jìn)行比較，篩選出能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境且采集效率較高的測量方式。主要從精度、檢測范圍、速度、所需的工作環(huán)境等多方面進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 測量方式比較

通過比較，可以看出三維掃描的方式，綜合評價較好，適應(yīng)強(qiáng)，相對測量效率高，能適應(yīng)工地或工廠環(huán)境，且其直接掃描建模，并與模型進(jìn)行比對，能夠很好地與已建立的三維模型進(jìn)行比對分析，提供了良好的測量基礎(chǔ)。且其操作簡便，全天均可工作，坐標(biāo)匹配度較高。

1.2.2 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)又叫做“實景復(fù)制技術(shù)”,是采集空間信息數(shù)據(jù)的測繪技術(shù)，可以獲取大量的點云數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀是利用激光測距的原理，向被測對象物體發(fā)射大量激光束，接受反射信號，計算被測對象表面點的三維坐標(biāo)，記錄反射率以及紋理等信息，從而得到點云數(shù)據(jù)[6]。

圖1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)能實現(xiàn)快速自動化高密度數(shù)字信息采集，BIM與三維激光掃描的集成應(yīng)用能夠很好地解決傳統(tǒng)測量方式存在的問題。

2 工程質(zhì)量管控方法

2.1 方法概述

該方法以BIM技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)為支撐，從而實現(xiàn)對橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工質(zhì)量檢測、虛擬拼裝、實時監(jiān)測一體化的工程質(zhì)量全過程管控。首先運用BIM技術(shù)進(jìn)行三維模型的建立，為后續(xù)的檢測比較提供設(shè)計模型。其次運用三維激光掃描儀進(jìn)行三維測量實現(xiàn)實物結(jié)構(gòu)的虛擬化，即將真實的構(gòu)件準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變成數(shù)字模型。最后將三維掃描的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成點云模型，進(jìn)而與BIM模型比對考察其構(gòu)件加工質(zhì)量；用點云模型進(jìn)行虛擬拼裝，考察其拼裝誤差；在施工過程中可對橋梁拱肋進(jìn)行三維激光掃描，將掃描的點云模型與BIM模型進(jìn)行實時比對，保證拱肋軸線和標(biāo)高的誤差在允許范圍內(nèi)。

工程質(zhì)量管控方法技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 工程質(zhì)量管控方法技術(shù)路線

2.2 BIM模型及點云模型的建立

2.2.1BIM模型的建立

運用Tekla，Revit等BIM軟件及相關(guān)軟件依據(jù)建筑設(shè)計原比例建模，為后續(xù)的數(shù)模比對提供設(shè)計模型。

2.2.2 點云模型的數(shù)據(jù)獲取及模型建立

(1)布設(shè)測站和控制點，用三維激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)，在相鄰的兩個掃描站之間要設(shè)有3個及以上的公共靶標(biāo)。

(2)點云配準(zhǔn)，采用基于標(biāo)靶的拼接，將多站點掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一坐標(biāo)系中，在拼接過程中，某個站點被指定為主站點，其他站點利用由各站點間相同的點確定約束條件，將其坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移，拼接完成之后將得到一個項目的完整點云。其實質(zhì)是求取剛體變換矩陣，即滿足式(1)：

(1)

式中：j為點云集第j次配準(zhǔn)；M為配準(zhǔn)次數(shù)；Rj為第j次旋轉(zhuǎn)變換；Tj為第j次平移變換；Pj+1,k，Pjk為不同坐標(biāo)系下第j次配準(zhǔn)點云集的第k個點，點云集中包括N個點。

(3)數(shù)據(jù)預(yù)處理。考慮到受鏡頭的畸變、測量時的光線、地理環(huán)境等因素的影響，還需進(jìn)行預(yù)處理，以免造成誤差。數(shù)據(jù)預(yù)處理通常包括異常點的處理、去噪處理、點云采樣等步驟。

(4)曲面重構(gòu)。采用三角形格網(wǎng)將散亂的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝達(dá)到創(chuàng)建模型的目的。封裝處理后的數(shù)據(jù)會因存在一些離散的點或某些數(shù)據(jù)不完整產(chǎn)生凸起、凹槽或出現(xiàn)孔洞，后續(xù)可以通過內(nèi)部孔、搭橋等一系列方法進(jìn)行孔洞填充或者通過去除特征來消除。

在點云模型建立的過程中，數(shù)據(jù)的采集與處理會產(chǎn)生一定的誤差，需要采取相應(yīng)的措施以免誤差累積對質(zhì)量偏差大小評估精度產(chǎn)生影響：(1)三維掃描儀系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置通過多次試拍掃描，當(dāng)掃描圖像中紅點數(shù)量很小時可視為參數(shù)設(shè)置合理；(2)點云數(shù)據(jù)利用標(biāo)靶進(jìn)行自動拼接，其拼接精度可控制在2 mm以內(nèi)；(3)異常點處理建議采用軟件刪除法，在軟件中設(shè)置精度較高的參數(shù)值，軟件會根據(jù)特定的算法來識別刪除；(4)采用高斯濾波法去噪精度較高。

2.3 構(gòu)件加工質(zhì)量檢測

應(yīng)用Geomagic Control軟件進(jìn)行質(zhì)量檢測，該軟件擁有強(qiáng)悍的三維檢測能力。三維數(shù)字化檢測的一般流程為：(1)導(dǎo)入前述處理好的點云模型和BIM參考模型；(2)將點云模型與BIM模型對齊；(3)對比較結(jié)果進(jìn)行評估并得出報告。當(dāng)誤差大于允許范圍時，對構(gòu)件進(jìn)行整改，并將修整后的構(gòu)件重新測量進(jìn)行質(zhì)量檢測，直至滿足要求為止。

2.4 虛擬拼裝

虛擬拼裝在構(gòu)件加工質(zhì)量檢測完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行，用以檢測構(gòu)件在運輸過程中由于磨損、擠壓等產(chǎn)生的缺陷和構(gòu)件間的拼裝誤差。方法是將拼裝單元的點云模型對齊進(jìn)行虛擬拼裝，得到拼裝誤差及所需修改的調(diào)整信息，經(jīng)過必要的反復(fù)修改與模擬拼裝，直至滿足精度要求。

2.5 實時監(jiān)測

基于三維激光掃描儀的監(jiān)測方式能夠?qū)ㄖ镞M(jìn)行全方位、高精度的測量。施工過程中可對橋梁拱肋進(jìn)行三維激光掃描，將掃描的點云模型與BIM模型進(jìn)行實時比對，監(jiān)測已施工拱肋軸線與標(biāo)高的偏離情況，保證拱肋軸線和標(biāo)高的誤差在允許范圍內(nèi)，也便于出現(xiàn)較大偏離時能及時發(fā)現(xiàn)并制定糾偏措施，實現(xiàn)了施工過程中質(zhì)量的實時控制和監(jiān)管。

3 工程實例

3.1 工程背景

工程項目為新河橋，位于武漢市江北快速路新河段，全長2.04 km，全線按照雙向八車道建設(shè)，主橋長292 m，寬40.5 m，拱高42 m。新河橋拱肋為等截面鋼箱型提籃拱，向內(nèi)傾斜10°；邊拱為混凝土箱型拱。鋼橫梁、縱梁組成橋面,為格子梁體系結(jié)構(gòu)。模型效果圖如圖3所示。

圖3 新河橋模型效果圖

3.2 BIM模型的建立

運用Tekla軟件建立新河橋的鋼箱拱肋三維模型，如圖4所示，需展現(xiàn)每一個單元、每一個構(gòu)件的真實信息，最大程度還原橋梁設(shè)計。圖為新河橋鋼箱拱肋節(jié)段劃分情況。

圖4 新河橋鋼箱拱肋三維模型

圖5 新河橋鋼箱拱肋節(jié)段劃分

3.3 構(gòu)件加工質(zhì)量檢測

3.3.1 點云模型的數(shù)據(jù)獲取及模型建立

以新河橋漢口側(cè)G4節(jié)段鋼箱為例。本文采用的三維掃描儀為徠卡ScanStation P30/P40新一代超高速三維激光掃描儀完成超精度的3D掃描。選用該設(shè)備，主要考慮該設(shè)備有高分辨率和精度，噪音范圍低，可確保成果精準(zhǔn)可靠，且其標(biāo)靶獲取距離遠(yuǎn)、精度高，可減少設(shè)站次數(shù)，還能夠很好地適應(yīng)工地的復(fù)雜情況。

(1)數(shù)據(jù)獲取。布設(shè)激光反射標(biāo)靶，用三維激光掃描儀對布置好激光反射標(biāo)靶的構(gòu)件進(jìn)行掃描，形成構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理及模型建立。在得到初始云數(shù)據(jù)后，需要通過Cyclone軟件進(jìn)行點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，通過Geomagic軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和模型建立。經(jīng)過點云拼接、去噪、采樣、曲面重構(gòu)等步驟建立構(gòu)件點云模型，如圖6 所示。

圖6 G4節(jié)段點云模型

3.3.2 質(zhì)量檢測

前述已經(jīng)根據(jù)二維CAD圖紙建立了相應(yīng)的BIM模型，即為進(jìn)行測量比對的設(shè)計值。真實構(gòu)件如圖7所示。在現(xiàn)場進(jìn)行測量時，實時進(jìn)行與BIM模型的比對，為了方便展示成果，將內(nèi)部構(gòu)件及不需要拼裝的部分去除。

圖7 構(gòu)件實體(預(yù)制鋼箱梁)

利用設(shè)計模型與掃描模型的特征點、特征線等參照信息，在三維檢測軟件中將BIM模型與掃描模型進(jìn)行特征對齊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的融合(見圖8)，為后續(xù)對比分析做鋪墊。

圖8 G4節(jié)段模型與點云匹配過程

在軟件中進(jìn)行3D比較，可根據(jù)差值色譜圖觀察到偏差大小區(qū)域范圍，根據(jù)分析報告查看最大偏差值和最小偏差值及其所在位置。

圖9 G4節(jié)段實測模型與設(shè)計模型差值色譜

本次三維檢測選取兩部分檢測點：(1)鋼箱外側(cè)面外邊線檢測點8個，以鋼箱下面板左側(cè)外邊線為起點，沿順時針方向在拼接面四個邊框上選取角點及中點；(2)鋼箱上面板檢測點8個，上下兩排，每排4個。檢測點分布如圖10所示。

通過對G4節(jié)段拼接處的點及直線檢測，得G4節(jié)段3D偏差結(jié)果為：最大偏差(+/-)：+1.850/-1.809 mm；平均偏差(+/-)：+1.81/-0.851 mm。偏差較小，未超過鋼結(jié)構(gòu)拼裝規(guī)范。據(jù)此方法檢測的其他節(jié)段也未發(fā)現(xiàn)不滿足要求的鋼箱，說明此項目鋼箱節(jié)段的預(yù)制精度較高。

圖10 G4節(jié)段檢測點分布

在Geomagic軟件中進(jìn)行檢測對比后可以將偏差分析結(jié)果以Excel表或直方圖的方式導(dǎo)出，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加工偏差值如表2，通過與設(shè)計要求及TB 10212-2009《鐵路鋼橋制造規(guī)范》文件對比評判構(gòu)件的加工制造尺寸是否符合標(biāo)準(zhǔn)，超過允許偏差的構(gòu)件需返廠修正。

表2 3D檢測參考值、測試值、偏差值 m

該項目鋼箱節(jié)段偏差均小于2 mm，認(rèn)為可以完成預(yù)拼裝，不需要返廠修正，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔保存。

3.4 虛擬拼裝

3.4.1 點云模型的數(shù)據(jù)獲取及模型建立

以新河橋漢口側(cè)G4，G5節(jié)段鋼箱的虛擬拼裝為例。

其數(shù)據(jù)獲取、點云預(yù)處理以及實測模型建立方法與構(gòu)件加工質(zhì)量檢測的方法相同，不再贅述。為了便于觀察，將不具體參與連接的構(gòu)件中間點云刪掉，只保留拼接面的點云數(shù)據(jù)，故在數(shù)據(jù)預(yù)處理時留取了G4節(jié)段上面板和拼接面部分點云、G5節(jié)段拼接面點云數(shù)據(jù)，封裝后的模型如圖11，12所示。

圖11 G4節(jié)段部分模型圖12 G5節(jié)段拼接面模型

3.4.2 虛擬拼裝

將G4節(jié)段掃描模型的拼接面與G5節(jié)段的拼接面虛擬拼裝，可得到拼裝誤差大小，判斷該誤差是否在允許范圍內(nèi)，對后續(xù)施工是否采取糾偏措施提供指導(dǎo)。本次虛擬拼裝選取拼接面外邊線檢測點8個，與質(zhì)量檢測外側(cè)面檢測點選取方式相同，檢測點分布圖如圖10所示，圖13為G4節(jié)段掃描模型拼接面與G5節(jié)段拼接面虛擬拼裝示意圖。

圖13 G4節(jié)段掃描模型拼接面與G5節(jié)段拼接面虛擬拼裝

得到G4節(jié)段掃描模型拼接面與G5節(jié)段BIM模型虛擬拼裝結(jié)果為：最大偏差(+/-)：+1.920/-1.580 mm；平均偏差(+/-)：+1.11/-1.131 mm。偏差較小，未超過鋼結(jié)構(gòu)拼裝規(guī)范要求，認(rèn)為可以完成預(yù)拼裝，不需要返廠修正。鋼結(jié)構(gòu)虛擬預(yù)拼裝偏差如表3所示。

3.5 實時監(jiān)測

以新河橋漢口側(cè)G0—G4節(jié)段鋼箱施工監(jiān)測為例，其現(xiàn)場安裝如圖14所示。

表3 3D檢測參考值、測試值、偏差值 m

圖14 安裝現(xiàn)場

3.5.1 實體模型的數(shù)據(jù)獲取及模型建立

(1)數(shù)據(jù)獲取

橋梁所處地理環(huán)境比較復(fù)雜，通常需要進(jìn)行多站掃描，因而必須布設(shè)測站和控制點，圍繞橋梁設(shè)置兩個及兩個以上靶點(不動點)，進(jìn)行360度全方位激光掃描，有利于提高測量精度和點云配準(zhǔn)精度。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理及模型建立

1)點云配準(zhǔn)。將掃描到的點云數(shù)據(jù)通過USB 接口導(dǎo)入Cyclone 軟件中。漢口側(cè)G0—G4節(jié)段鋼箱基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)結(jié)果如圖15所示。

圖15 基于標(biāo)靶的點云配準(zhǔn)

2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。將體外孤點、非連接項以及噪聲點刪除后經(jīng)過統(tǒng)一采樣降低點云密度。為了方便觀察模型特征，將多余部分刪除只留取主體拱箱，采取三角網(wǎng)格進(jìn)行封裝創(chuàng)建點云模型，如圖16所示。

圖16 G0—G4節(jié)段鋼箱模型

3.5.2 實時監(jiān)測及糾偏

根據(jù)建立的BIM模型和點云模型，識取控制點三維坐標(biāo)并基于模型擬合拱肋軸線，將設(shè)計模型與實測模型對比分析，找出偏差方向及大小，若偏差在允許范圍內(nèi)，則直接根據(jù)實測模型參數(shù)調(diào)整設(shè)計模型，然后識取下一節(jié)段控制點坐標(biāo)并擬合拱肋軸線指導(dǎo)施工；否則則需要提出糾偏調(diào)整方案，優(yōu)化設(shè)計模型后再識取下一節(jié)段控制點坐標(biāo)并擬合拱肋軸線指導(dǎo)施工。

該項目施工至G4節(jié)段時，通過點云模型與BIM模型進(jìn)行比對(見圖17)，發(fā)現(xiàn)實際拱肋軸線已偏離設(shè)計軸線，且G4節(jié)段標(biāo)高已上移約8 cm，水平移動了約3 cm。經(jīng)各方方案探討，確定利用中軸線減緩下調(diào)以糾正拱箱施工(見圖18)。經(jīng)方案調(diào)整后，G5節(jié)段的設(shè)計坐標(biāo)值與調(diào)試后監(jiān)測點坐標(biāo)值對比如表4所示。在所有標(biāo)準(zhǔn)吊裝段施工結(jié)束后測取已安裝的G11節(jié)段前端4個角點坐標(biāo)，準(zhǔn)確計算合攏段長度，對合攏段預(yù)留的面板進(jìn)行現(xiàn)場切割，保證合攏段精度。最終新河橋主拱成功合龍。

圖17 對比分析圖18 中軸線擬合曲線

表4 G5節(jié)段設(shè)計坐標(biāo)值與調(diào)試后監(jiān)測點坐標(biāo)值

4 結(jié) 論

(1)三維激光掃描具有適應(yīng)性強(qiáng)，測量速度快、精度高，信息量大，實時動態(tài)等特點。三維激光掃描儀在現(xiàn)場可自由設(shè)站實現(xiàn)快速自動化的高質(zhì)量的三維數(shù)據(jù)采集，顯著降低了外業(yè)測量時間，工作效率極大提高。

(2)后期分析處理時，對現(xiàn)場掃描所獲取的點云數(shù)據(jù)利用標(biāo)靶進(jìn)行自動拼接，其拼接精度可控制在2 mm以內(nèi)，為節(jié)段三維模型的建立以及后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供了正確、精細(xì)的數(shù)據(jù)依據(jù)。新河橋最終合攏精度誤差值為3 mm，滿足質(zhì)量規(guī)范要求，且精度較高。

(3)將BIM技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)件加工質(zhì)量檢測、虛擬拼裝、實時監(jiān)測、施工矯正一體化，為施工調(diào)整及決策提供依據(jù)，為施工質(zhì)量、施工安全、施工進(jìn)度、合龍精度等提供保障。

(4)隨著三維激光掃描技術(shù)和BIM技術(shù)的發(fā)展，測量精度和自動化的提高、基于BIM的模型擬合，BIM+三維激光掃描技術(shù)將在不同工程項目中獲得快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，也將成為工程質(zhì)量管控領(lǐng)域頗具生命力的研究熱點和應(yīng)用熱潮。