李文德，黃韜睿，徐 輝

(1.中國鐵建國際集團有限公司，北京 100039； 2.精工國際鋼結(jié)構(gòu)有限公司，上海 201100)

0 引言

隨著大眾對建筑外形審美的不斷提高和節(jié)能環(huán)保意識的增強，鋼結(jié)構(gòu)形式的公共建筑在國內(nèi)外得到了廣泛推廣，其規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)形式也越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的卷尺測量及全站儀測量等方法已不能滿足復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)對精度控制的要求[1]。

三維激光掃描技術(shù)是一種先進的全自動高精度點云立體掃描技術(shù)，是繼GNSS之后又一項革命性測繪新技術(shù)。該技術(shù)主要利用激光測距原理，即通過海量捕捉被測物體表面點的三維坐標(biāo)、紋理、反射率等信息，獲取其線、面、體三維數(shù)據(jù)，然后根據(jù)獲得的測量數(shù)據(jù)構(gòu)造出目標(biāo)物的三維模型[2]。它是獲取空間數(shù)據(jù)和空間狀態(tài)的重要手段，可用于鋼結(jié)構(gòu)的變形檢測、構(gòu)件尺寸檢查、結(jié)構(gòu)單元數(shù)字化預(yù)拼裝及逆向工程等方面。

1 工程概況

卡塔爾盧賽爾體育場項目為2022年世界杯主體育場。體育場內(nèi)部看臺部分為混凝土結(jié)構(gòu)，屋頂為大跨度索膜結(jié)構(gòu)，外側(cè)幕墻及屋面支承體系為鋼結(jié)構(gòu)，屋面投影為圓形，直徑約309m，最低處結(jié)構(gòu)標(biāo)高約61.000m，最高處結(jié)構(gòu)標(biāo)高約76.000m，整體呈馬鞍形。主體鋼結(jié)構(gòu)由支承屋面索膜結(jié)構(gòu)的受壓環(huán)及支承受壓環(huán)和幕墻桁架的V形柱(簡稱“V柱”)組成。地面拼裝時，將受壓環(huán)分為24榀吊裝單體、V柱分為48榀吊裝單體。吊裝施工時，先吊裝V柱，其與球鉸支座和臨時支撐塔相連，通過臨時支撐塔上的位形調(diào)節(jié)機構(gòu)對V柱的位形進行調(diào)節(jié)就位后，再吊裝受壓環(huán)與V柱對接。本文選取的高空對接單元為受壓環(huán)與V柱。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 盧賽爾體育場結(jié)構(gòu)示意

2 高空對接測量方案選擇

2.1 高空對接測量難點

1)受壓環(huán)體形巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。受壓環(huán)由4根主弦桿構(gòu)成箱形立體桁架，上下弦面內(nèi)為“米”字形網(wǎng)格，整體幾何形狀與屋面馬鞍面保持一致。單榀受壓環(huán)由上百根桿件組成，以首榀吊裝段受壓環(huán)為例，長約46m，寬約18m，高約10m，重約425t，最大桿件截面為管外徑1 600mm，壁厚50mm。受壓環(huán)如圖2所示。

圖2 受壓環(huán)

2)對接口數(shù)量多。首榀吊裝段受壓環(huán)坐落在4榀V柱上，對接口多達16個，對接口截面均為箱形且都傾斜，最大尺寸為900mm×1 500mm，板厚為28mm。受壓環(huán)與V柱對接口如圖3所示。

圖3 受壓環(huán)與V柱對接口

3)對接口空間位置高。所有對接口均為高空對接，高度距地面可達66m，定位測量困難。

4)精度要求高。本工程鋼結(jié)構(gòu)使用歐洲標(biāo)準(zhǔn)，對接口錯邊不可超過3mm，項目規(guī)范要求單點3個方向綜合偏差不可超過±25mm，拉索耳板索孔位置3個方向綜合偏差不可超過±20mm。受壓環(huán)是連接屋面索膜結(jié)構(gòu)和V柱的構(gòu)件，其安裝精度直接影響屋面索膜結(jié)構(gòu)能否順利安裝。V柱是該項目主要的豎向傳力結(jié)構(gòu)，為受壓環(huán)以及幕墻側(cè)壁結(jié)構(gòu)提供支承，其位形精度將直接影響幕墻是否能夠順利安裝。

5)測量環(huán)境差。對接施工區(qū)域臨時操作平臺、腳手架多，視線阻擋較多，通過傳統(tǒng)測量方式來提前判斷對接誤差及落位過程的碰撞問題難度大。腳手架及操作平臺如圖4所示。

圖4 腳手架及操作平臺

2.2 全站儀測量的局限性及誤差分析

項目前期使用全站儀對已吊裝的V柱進行測量，將反射貼片放置于頂端對接口3個邊中點的正下方100mm處，為保證測量精度，對同一個點進行了多次多時段測量。以編號為4L的V柱為例，頂端對接口的全站儀測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 V柱頂端對接口測量數(shù)據(jù) mm

受壓環(huán)合龍溫度為(25±5)℃，為降低溫度影響，避開當(dāng)?shù)刂形绲母邷貢r刻，在早、晚溫度約25℃時進行3次測量。通過測量數(shù)據(jù)對比，最大誤差達15mm。精度無法達到項目規(guī)范要求。

為解決測距遠、偏角大、測量人員主觀誤差的問題，考慮使用觀測棱鏡代替反射片作為測量靶標(biāo)，使用全站儀的自動追蹤功能來提高測量精度。此類型觀測棱鏡一般通過磁力吸附在鋼結(jié)構(gòu)上固定，但是對接口處受其他工作擾動較大，磁力吸附的穩(wěn)定性不足。如果采用焊接固定，又有可能受焊接變形影響，且后期拆除恢復(fù)的工作量較大。初步進行成本測算，本項目若48榀V柱及24榀受壓環(huán)全部安裝棱鏡，約需386萬元人民幣。綜合考慮之下，最終決定使用三維激光掃描技術(shù)對已安裝的V柱和地面拼裝好的受壓環(huán)進行掃描建模，通過虛擬對接，預(yù)判可能產(chǎn)生的對接偏差，在高空對接前及時調(diào)整。

3 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用

3.1 設(shè)備選用

本項目選用FARO S150三維掃描儀作為現(xiàn)場掃描設(shè)備，有效測距為0.6～150m，距離精度為±1mm， 像素為165M，環(huán)境防護等級為IP54級。

3.2 三維激光掃描流程

根據(jù)本項目受壓環(huán)和V柱對接口的特點，分別制定2套掃描方案： ①針對已吊裝就位的V柱對接口掃描測量； ②針對未吊裝的受壓環(huán)整體掃描。2種方案均采用多站點組合掃描的方式進行。三維激光掃描流程如圖5所示。

圖5 三維激光掃描流程

數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)是整個測量過程中最為重要的環(huán)節(jié)，需提前根據(jù)被測物體的體積、尺寸和所處環(huán)境來規(guī)劃站點掃描路徑。多站點掃描路徑規(guī)劃的好與壞將直接影響測量結(jié)果，注意事項如下[3]。

1)轉(zhuǎn)站點之間的距離不宜過遠，需保證相對較高的數(shù)據(jù)重疊度。

2)被測靶標(biāo)需清晰可見，且保證各站點靶標(biāo)的連續(xù)性，方便掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理時的點位合并。

3)掃描儀站點需盡可能靠近被測物體，避開遮擋物，測量精度要求較高的，掃描儀與被測物之間的距離不宜超過50m。

通過相關(guān)軟件對點云數(shù)據(jù)預(yù)處理后導(dǎo)出點云模型，并在軟件中將BIM理論模型與點云模型擬合，本項目擬合采用以下方式： ①手動擬合 此擬合方式適合無空間坐標(biāo)控制的被測物體，通過軟件算法及配準(zhǔn)原則，利用特征面進行點云模型與BIM理論模型的手動擬合； ②坐標(biāo)擬合 此擬合方式適合在有項目整體坐標(biāo)系控制的被測物體上，無須手動調(diào)整相對位置，即可自動匹配點云模型與BIM理論模型的擬合。

通過分析軟件對擬合后的點云模型和BIM理論模型進行偏差分析，可提前判斷偏差范圍，為后續(xù)制定調(diào)整策略提供依據(jù)。

3.3 V柱對接口掃描

V柱坐落于混凝土柱上，桁架的內(nèi)外弦通過腹桿形成半新月形、彎曲的三角形桁架格構(gòu)柱，在環(huán)向，一系列的新月形彎曲桁架斜向布置，形成連續(xù)的V形框架系統(tǒng)。本文選取的V柱長約46m，頂部內(nèi)外弦對接口距離約15m[4]。

項目前期未引入三維激光掃描，通過在測量點放置貼片使用全站儀進行測量。由于V柱與受壓環(huán)對接口距離地面較高，導(dǎo)致測量時距離遠且仰角大，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較差，且無法評估對接口的扭轉(zhuǎn)情況[5]。

后期使用三維激光掃描技術(shù)，若將三維激光掃描儀放置于柱底地面，掃描儀與V柱對接口距離約為66m，且遮擋較多，掃描數(shù)據(jù)精度較低。經(jīng)過多次實地考察測試比選，最終確定在掃描V柱對接口時，將三維激光掃描儀架設(shè)在V柱的臨時支撐架塔頂，此時掃描儀距離V柱頂點約6m，滿足精度要求，同時為減少溫度影響，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，掃描時間設(shè)置為20min。V柱對接口三維激光掃描點如圖6所示。

圖6 V柱對接口三維激光掃描

就位后的V柱已在項目整體坐標(biāo)系內(nèi)，其掃描結(jié)果分析時采用坐標(biāo)擬合的方式。三維激光掃描前在柱身放置像測貼紙，使用全站儀測出像測點坐標(biāo)。由于每次僅需測量相鄰2榀V柱的像測點坐標(biāo)，架站位置較靈活，有效降低了全站儀測量距離遠、偏角大的問題，同時為了進一步提高準(zhǔn)確度，每次掃描時設(shè)置8個像測貼紙，后續(xù)通過三維坐標(biāo)復(fù)核的方法選取準(zhǔn)確度最高的4個像測點[6]。

利用獲取的4個像測點坐標(biāo)將合成好的點云模型轉(zhuǎn)換到整體坐標(biāo)系內(nèi)即可得到擬合結(jié)果。此方法可快速擬合分析出偏差結(jié)果，以編號為4L的V柱為例，分析結(jié)果如圖7、表2所示。

圖7 V柱對接口掃描點編號

表2 掃描得到的結(jié)果 mm

3.4 未吊裝受壓環(huán)掃描

本項目受壓環(huán)體形巨大，整體幾何形狀與屋面馬鞍面保持一致，是承載幕墻、連接屋面索膜結(jié)構(gòu)和V柱的構(gòu)件，受壓環(huán)共分為24段逐個吊裝，總重約6 200t。以首榀受壓環(huán)為例，為保證掃描控制精度，根據(jù)受壓環(huán)地面拼裝形態(tài)，至少需設(shè)置18個掃描點位，掃描點位布置如圖8所示。

圖8 受壓環(huán)掃描點位布置

這樣的點位布置可確保關(guān)鍵控制點位的特征面精度，且點云密度較高。通過軟件對多個點位掃描進行合成驗證，清理無用點云模型，設(shè)定配準(zhǔn)原則，將清理干凈后的點云模型再與BIM理論模型進行比對，擬合方式為手動擬合，通過計算機算法模擬出最佳匹配位置。

3.5 受壓環(huán)與V柱模擬對接

分別獲得V柱和受壓環(huán)的實體掃描模型之后，將兩個模型在軟件中進行模擬對接。受壓環(huán)的主要功能是連接和支承屋面索膜結(jié)構(gòu)，因此拉索耳板索孔位置的精度需要優(yōu)先保證。模擬對接時，首先要將拉索耳板對位在理論位置上，然后再在精度允許的范圍內(nèi)(±20mm)調(diào)整與V柱的16個對接口對接，盡量減小偏差[7]。以首榀受壓環(huán)為例，其與V柱模擬對接結(jié)果如圖9所示。

圖9 受壓環(huán)與V柱模擬對接結(jié)果

根據(jù)模擬對接的評估結(jié)果，編制V柱位形調(diào)整方案與受壓環(huán)管口修整方案，在受壓環(huán)起吊之前于地面完成受壓環(huán)管口的修整，避免高空作業(yè)帶來的安全風(fēng)險。在實際的吊裝對接過程中，實際情況與模擬對接的結(jié)果基本吻合，受壓環(huán)與V柱的16個對接口全部在3mm的允許錯邊范圍內(nèi)，順利對接。同時，3個耳板索孔的精度也都在±20mm的允許誤差范圍內(nèi)，圓滿完成首段受壓環(huán)的安裝。

4 三維激光掃描技術(shù)優(yōu)缺點

結(jié)合三維激光掃描技術(shù)在本項目中的應(yīng)用，將其與項目初期所用的傳統(tǒng)全站儀測量方法進行對比，歸納總結(jié)出如下優(yōu)缺點。

4.1 優(yōu)點

1)受環(huán)境因素影響小 三維激光掃描采用非接觸掃描目標(biāo)的方式，無需反射片或棱鏡，被測物無須表面處理，不受掃描環(huán)境時間和空間的約束。對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)及人員難以到達的情況，具有傳統(tǒng)測量方式難以比擬的技術(shù)優(yōu)勢，可完成一些費力、高危險部位的測量，克服了傳統(tǒng)測量方法測距遠、偏角大、反射片或棱鏡定位不準(zhǔn)的難題。

2)掃描結(jié)果精度高 儀器采樣率可達每秒數(shù)十萬點，可快速獲取高精度海量點云數(shù)據(jù)，使用計算機算法代替人工目視判別，避免了人為誤差，數(shù)據(jù)精度可達毫米級，保證了后期的安裝精度。

3)精簡現(xiàn)場工作 全站儀測量時測量員需要長時間在現(xiàn)場工作，先測量再對照圖紙最終確認偏差。三維激光掃描時操作人員僅需要放置靶標(biāo)、像測貼紙和設(shè)置儀器，后續(xù)掃描工作可由儀器自動完成，且后期的數(shù)據(jù)處理和分析結(jié)果可在室內(nèi)完成，降低了現(xiàn)場工作強度。

4)分析結(jié)果更直觀 三維激光掃描最終得到的擬合結(jié)果具有可視化、數(shù)字化的特征，技術(shù)人員可以利用圖像、視頻及模型等方式對操作人員進行交底，可以更直觀地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

4.2 缺點

1)三維激光掃描設(shè)備成本較高，需要專業(yè)人員操作，不便于現(xiàn)場高頻次使用。

2)三維激光掃描儀在工作時需要有穩(wěn)定的工作平臺，且儀器與被測物之間距離不宜大于掃描儀標(biāo)稱工作半徑的40%。

3)掃描數(shù)據(jù)后期處理及模型擬合所需時間較長。

5 結(jié)語

本文通過實際案例，證明了三維激光掃描技術(shù)可以應(yīng)用在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)高空對接施工中，其掃描精度可以滿足測量要求，擬合分析結(jié)果可為現(xiàn)場決策提供數(shù)據(jù)支持。這項應(yīng)用是鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工領(lǐng)域的創(chuàng)新性突破，為后續(xù)建筑施工現(xiàn)場測量工作提供了參考依據(jù)，同時隨著BIM技術(shù)在建筑業(yè)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)將會更廣泛地應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝中，順應(yīng)裝配式施工全面推進的時代背景。