吳晶晶，蔣承威，郭 靜，胡 勇

(精工國際鋼結(jié)構(gòu)有限公司，上海 201100)

0 引言

在大型體育場(chǎng)的建設(shè)過程中，為了滿足結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)美感，往往會(huì)出現(xiàn)一些大型、異形的鋼構(gòu)件，如何控制它們的加工精度及安裝定位是施工過程中的一個(gè)重難點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量不能滿足復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)對(duì)精度控制的要求。利用三維激光掃描儀對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行三維掃描測(cè)量，得到鋼構(gòu)件精確的點(diǎn)云模型，然后通過軟件分析得出鋼構(gòu)件的偏差，無論是在初期控制鋼構(gòu)件的加工精度，還是實(shí)際施工過程中對(duì)安裝精度的控制，都起了傳統(tǒng)測(cè)量無法比擬的作用[2]。

1 3D掃描的技術(shù)原理

三維激光掃描儀由脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)組成。激光測(cè)距系統(tǒng)向目標(biāo)物體發(fā)出脈沖信號(hào)，然后接收被測(cè)物反射的信號(hào)，通過時(shí)間差計(jì)算出目標(biāo)物體的距離；同時(shí)激光掃描系統(tǒng)發(fā)出激光脈沖信號(hào)，通過控制掃描儀的豎向旋轉(zhuǎn)和水平旋轉(zhuǎn)，記錄被測(cè)物的掃描角度。根據(jù)以上的兩種測(cè)量數(shù)據(jù)，掃描儀便能在自己的坐標(biāo)系下獲取目標(biāo)物體表面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并構(gòu)造出目標(biāo)物的三維模型，其掃描結(jié)果直接顯示為點(diǎn)云，利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場(chǎng)景的三維可視化模型，既省時(shí)省力，又精確直觀[3-4]。

2 工程概況

在2022年卡塔爾世界杯主體育場(chǎng)盧賽爾(Lusail)體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，當(dāng)?shù)貥I(yè)主十分注重鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度。由于體育場(chǎng)主體鋼結(jié)構(gòu)本身體量大，結(jié)構(gòu)異形，結(jié)構(gòu)模塊質(zhì)量大，所以業(yè)主的超高精度要求給鋼結(jié)構(gòu)施工提出了很大的挑戰(zhàn)。體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示。而該體育場(chǎng)主體鋼結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行多步協(xié)同、多分包協(xié)同的施工方案，所以鋼結(jié)構(gòu)部分從拼裝到安裝的全施工過程中都要及時(shí)準(zhǔn)確掌握每個(gè)鋼構(gòu)件的變形，僅憑全站儀的測(cè)量已經(jīng)無法滿足現(xiàn)場(chǎng)大型鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量的需要。綜合考慮，采用3D掃描儀配合全站儀進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的整體測(cè)量與監(jiān)控。

圖1 盧賽爾體育場(chǎng)主體鋼結(jié)構(gòu)示意

考慮到該項(xiàng)目為大型鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，安裝完成的V柱最高點(diǎn)距地面超過40m，為了滿足這種大跨度鋼結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量，采用了FARO S150 三維掃描儀。FARO S150的測(cè)距范圍為0.6～150m，整體的三維位置精度可以達(dá)到2mm@10m/3.5mm@25m，儀器自帶的彩色16 500萬像素可以完美的采集V柱表面的各點(diǎn)坐標(biāo)。除此之外，卡塔爾當(dāng)?shù)靥鞖庋谉?，夏季最高溫度可達(dá)到50℃，而且施工現(xiàn)場(chǎng)灰塵較多，但是FARO S150 三維掃描儀工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)異物防護(hù) (IP) 等級(jí)達(dá)到IP54級(jí)，憑借密封型設(shè)計(jì)，可防止泥土、灰塵、霧和雨水以及其他常見的戶外異物侵入掃描設(shè)備。不僅如此，其更大的工作溫度范圍允許在極端環(huán)境(如沙漠)中進(jìn)行掃描。這些因素也使FARO S150 三維掃描儀更好地契合了此項(xiàng)目。

3 單個(gè)構(gòu)件精度檢查

由于工廠加工出現(xiàn)偏差，或者構(gòu)件經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間海運(yùn)受到了一些擠壓變形，一些構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)不能滿足要求。此時(shí)就需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行3D掃描來分析是否產(chǎn)生變形，同時(shí)根據(jù)這些構(gòu)件的變形趨勢(shì)調(diào)整后續(xù)的安裝，以避免誤差累積[5]。

首先在拼裝胎架上找到該構(gòu)件，去除掉現(xiàn)場(chǎng)一些不必要的障礙，同時(shí)設(shè)置好標(biāo)靶球并對(duì)其進(jìn)行整體掃描。掃描結(jié)束后，將掃描文件導(dǎo)入FARO SCENE軟件中，對(duì)每次獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接并進(jìn)行預(yù)處理，刪除不必要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及噪點(diǎn)，最終獲得單個(gè)構(gòu)件的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 3D掃描點(diǎn)云模型以及設(shè)計(jì)模型

在得到圖2的2個(gè)模型后，就可以在軟件中將2種模型進(jìn)行最佳擬合配準(zhǔn)，最終得到誤差分析結(jié)果，如圖3、表1所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)3D掃描控制

表1 節(jié)點(diǎn)3D掃描誤差 mm

從圖3、表1可以看出，該構(gòu)件牛腿處和索孔處誤差較小，均在10mm以內(nèi)，此時(shí)可以依據(jù)這個(gè)誤差分析進(jìn)行安裝調(diào)整，后續(xù)的拼裝可以采取相應(yīng)措施來減少誤差累積。

4 吊裝單元精度檢查

盧賽爾體育場(chǎng)壓環(huán)共有24個(gè)吊裝單元，為了檢查每個(gè)吊裝單元的拼裝精度，需要在吊裝前對(duì)每個(gè)吊裝單元進(jìn)行3D掃描。由于單個(gè)壓環(huán)吊裝單元長(zhǎng)度達(dá)40m，高度約10m，所以采用多次閉合掃描的方法爭(zhēng)取覆蓋整個(gè)壓環(huán)，如圖4所示。

圖4 掃描設(shè)站分布

由于一個(gè)壓環(huán)至少需要20次掃描，所以每次掃描的重疊率、布站原則、平衡和標(biāo)靶球的連接是保證點(diǎn)云準(zhǔn)確性的重要參數(shù)。每次掃描前需提前規(guī)劃好掃描路徑，避開障礙物。由于壓環(huán)的跨度較大，每次布站的距離不應(yīng)太遠(yuǎn)，這樣可以確保相鄰掃描之間有足夠又穩(wěn)定的標(biāo)靶球來合并。本項(xiàng)目一般3～5m布置一個(gè)站點(diǎn)，最后形成一個(gè)閉合圈，既保證了掃描的完整性也保證了相鄰掃描之間的重疊率。

在得到相應(yīng)壓環(huán)的點(diǎn)云模型后，需要在軟件中進(jìn)行一些相應(yīng)的預(yù)處理，包括：掃描精度校核[6]、降噪以及刪除不必要的點(diǎn)云，最后在軟件中進(jìn)行整體點(diǎn)云模型優(yōu)化，得到最終壓環(huán)的三維模型。

整榀壓環(huán)的拼裝控制從下片拼裝開始。下片在胎架上焊接完畢后，進(jìn)行一次全方位掃描，把點(diǎn)云模型與設(shè)計(jì)模型對(duì)比，分析下片的變形量。完成點(diǎn)云模型優(yōu)化后，導(dǎo)入設(shè)計(jì)模型，通過軟件的最佳擬合配比和一些手動(dòng)調(diào)整，最終得出壓環(huán)下片的誤差。

整個(gè)下片的拼裝控制重點(diǎn)為牛腿和索孔處(屋面索網(wǎng)系統(tǒng)在壓環(huán)上的連接耳板)，牛腿的拼裝精度直接影響吊裝時(shí)與V柱的連接，索孔則是為將來索膜結(jié)構(gòu)的安裝做準(zhǔn)備。經(jīng)分析，該壓環(huán)下片整體拼裝，63.4%的點(diǎn)云都在±5mm的誤差范圍內(nèi)，主要位置牛腿和索孔處拼裝精度良好，無較大偏差的點(diǎn)云，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的精度要求。

通過3D掃描，可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)拼裝過程中出現(xiàn)的偏差并提出修改，保證上下片的拼裝精度，為之后整榀壓環(huán)的拼裝打下基礎(chǔ)。焊接完畢后的整榀壓環(huán)點(diǎn)云模型如圖5所示。

圖5 整榀壓環(huán)點(diǎn)云模型

在進(jìn)行預(yù)處理后，重復(fù)之前的步驟，將整榀壓環(huán)的點(diǎn)云模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，檢查整榀壓環(huán)的拼裝精度，分析上下片是否在整體拼裝中發(fā)生了變形。

經(jīng)檢查，整榀壓環(huán)的拼裝誤差主要在±5mm區(qū)間內(nèi)，壓環(huán)的牛腿和索孔基本就位，主弦桿情況良好。由此可知，在整榀壓環(huán)拼裝中，只有一步一步對(duì)上下片分別進(jìn)行掃描分析，過程中不斷地控制拼裝精度，才能使最終整體的拼裝結(jié)果滿足吊裝要求，為吊裝后的焊接提供基礎(chǔ)。

5 虛擬預(yù)拼裝

5.1 壓環(huán)虛擬吊裝

3D掃描除用于檢查單個(gè)構(gòu)件加工精度和分析吊裝單元的拼裝誤差外，應(yīng)用最廣的是現(xiàn)場(chǎng)虛擬吊裝。

V柱吊裝完畢后，進(jìn)行24榀大型壓環(huán)的吊裝。壓環(huán)與V柱高空對(duì)接，最多時(shí)有近30個(gè)對(duì)接口，而每個(gè)對(duì)接口的錯(cuò)邊要求不超過±3mm。因此，必須要有高精度的測(cè)控設(shè)備，使得任何偏差都在高空安裝之前發(fā)現(xiàn)并解決。這一過程已經(jīng)超過了全站儀的工作精度，采用3D掃描儀來進(jìn)行這一吊裝過程的模擬。

首先，需要同時(shí)獲得V柱上部端口的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及地面壓環(huán)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。地面壓環(huán)的數(shù)據(jù)采集相對(duì)簡(jiǎn)單，但是V柱上部端口距離地面超過40m，如果只在地面上設(shè)掃描端口，由于長(zhǎng)距離的影響以及支撐架的阻擋，并不能完整采集到端口的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用在支撐架上設(shè)置掃描站點(diǎn)并在V柱柱身貼上標(biāo)靶紙來進(jìn)行三維定位?，F(xiàn)場(chǎng)掃描如圖6所示。為了盡可能多采集V柱端口的信息，在支撐平臺(tái)上設(shè)置了9個(gè)掃描站以及多個(gè)靶紙來滿足V柱點(diǎn)云模型的完整性和三維定位。

圖6 V柱掃描現(xiàn)場(chǎng)以及掃描布站

V柱端口的就位位形確定后，在軟件中將地面掃描的壓環(huán)模型進(jìn)行最佳匹配，預(yù)先了解吊裝后牛腿與V柱連接的錯(cuò)邊情況與碰撞情況，根據(jù)分析報(bào)告將一些錯(cuò)邊較大的V柱管口進(jìn)行調(diào)整，為之后的吊裝、焊接提供便利，如圖7所示。

圖7 壓環(huán)虛擬預(yù)拼

5.2 壓環(huán)合龍段吊裝模擬

壓環(huán)最后4榀合龍段吊裝是施工重難點(diǎn)，如圖8所示。由于兩側(cè)已就位的壓環(huán)管口處帶有腳手架，而這些腳手架很可能會(huì)與壓環(huán)的腹桿或合龍段壓環(huán)兩邊的腳手架發(fā)生碰撞。除此之外，合龍段高空對(duì)接時(shí)與兩邊管口的錯(cuò)邊和間隙都影響著吊裝的成功。同樣采用3D掃描來實(shí)現(xiàn)吊裝模擬。

圖8 合龍段吊裝實(shí)景

此次掃描的難點(diǎn)在于如何采集兩邊已就位壓環(huán)的位形信息。在壓環(huán)對(duì)面的支撐架上掃描管口和腳手架，由于掃描跨度超過了30m，為了使掃描相對(duì)精準(zhǔn)，采用長(zhǎng)距離掃描模式，單個(gè)掃描站設(shè)置掃描時(shí)長(zhǎng)19min。

經(jīng)過兩次支撐架上的分別掃描，可以獲得合龍段兩邊壓環(huán)的詳細(xì)信息，在軟件中選擇分別處理兩邊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，也可以合并兩次的掃描直接獲取整體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最終檢查，兩種辦法處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)差距不大，間接驗(yàn)證了掃描精度。

有了兩側(cè)的點(diǎn)云模型，就可以將地面掃描的合龍段壓環(huán)本身的點(diǎn)云模型通過軟件模擬吊裝落位后的狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 未斷開腹桿之前的壓環(huán)模型

由圖9可以看出，在沒有進(jìn)行任何處理之前的合龍段，壓環(huán)腹桿會(huì)與兩邊的腳手架發(fā)生碰撞，導(dǎo)致吊裝失敗。所以通過軟件的測(cè)量功能將碰撞的腹桿斷開，預(yù)留安全距離，避免碰撞，通過反復(fù)檢查后交底給現(xiàn)場(chǎng)的施工隊(duì)伍，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)吊裝前處理。

在軟件中通過將合龍段壓環(huán)模擬至就位狀態(tài)，測(cè)量合龍段壓環(huán)與兩側(cè)管口的間距以及索孔的就位狀態(tài)，確保壓環(huán)就位狀態(tài)無碰撞的情況下，在軟件中將壓環(huán)本身隨著旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行吊裝模擬，由于4個(gè)合龍段位置、腳手架情況各不相同，所以需要單獨(dú)分析每個(gè)合龍段的吊裝方式，尋找最優(yōu)的吊裝方法。以其中一個(gè)合龍段為例，通過多次模擬吊裝演示，決定將整個(gè)壓環(huán)在吊裝時(shí)高出兩側(cè)3m，利用這個(gè)高差將壓環(huán)推至與主弦桿平行，之后將壓環(huán)緩緩落下至就位狀態(tài)，如圖10所示。

圖10 吊裝過程模擬

6 結(jié)語

盧賽爾體育場(chǎng)拼裝和安裝過程中，現(xiàn)場(chǎng)在保證精度的前提下，通過合理使用3D掃描儀對(duì)單根構(gòu)件、單片桁架以及單個(gè)吊裝模塊進(jìn)行掃描，更重要的是對(duì)合龍段模塊和就位處開檔的掃描，在正式吊裝前進(jìn)行虛擬合龍吊裝，為現(xiàn)場(chǎng)提前發(fā)現(xiàn)吊裝過程中的問題起到了至關(guān)重要的作用，極大提高了拼裝和安裝的效率。