陳柳花

上海公路橋梁（集團）有限公司 上海 200433

三維掃描是近些年發(fā)展起來的一項新型逆向采集技術，該技術通過光投射到各種結構物表面反射的時間差自動計算距離，實現結構物三維幾何形態(tài)的還原，具有速度快、精度高、計算精確等特點[1]，目前被廣泛用于地形測量、機械制造、醫(yī)療、文物保護等領域。

本文針對三維掃描技術用于百年老橋改造時的變形分析及部分新老構件連接的匹配精度控制進行了介紹。

1 工程概況及掃描策劃

上海浙江路橋于1907年建成，至今已有百余年歷史，屬于上海市市級不可移動的文物。該橋梁在百余年的運營中，長期遭受環(huán)境侵蝕、荷載作用以及結構自然退化等影響，出現了較為嚴重的病害，需進行一次整體結構大修。為保持該橋梁百年歷史風貌，采取修舊如舊的原則；同時為了滿足現階段交通的需求，主桁架間距從原來的6 m拓寬到9 m，其間保留原有的主桁架兩片結構，拆除更換平聯結構和橋面結構，對主桁架結構中銹蝕嚴重的節(jié)點（4、5、6、7、8號）進行局部更換（圖1）。本次大修涉及多處新老構件連接匹配以及新橋在原橋位還原度等問題。

圖1 橋梁立面及編號

本次大修嘗試采用2種高精度的三維掃描設備采集橋梁在多種工況下的結構幾何形態(tài)數據，進而用于分析橋梁大修過程中的結構變形情況。第1種設備是三維激光點云掃描設備，其基本原理是通過掃描儀水平和垂直方向旋轉發(fā)出的激光束測量掃描儀與目標物之間的距離，記錄點位空間數據，通過海量的點位數據還原物體的三維幾何形態(tài)，該設備在本工程中用于采集老橋和新橋的整體結構幾何形態(tài)數據，從而用于分析新橋的施工質量，也可以為橋梁的運營保留歷史基礎數據；第2種設備是高精度手持白光掃描設備，其基本原理是利用設備上的LED燈將白光圖案投影到掃描物體上，然后通過2個攝像頭探測到掃描物體周圍的定位標點，并將其實時傳送到配套的數據分析軟件中，生成海量點云及三角網格面，從而還原掃描物體的幾何形態(tài)，該設備在本工程中主要用于采集橋梁需要更換的局部節(jié)點板的原始數據，為新構件的設計加工提供準確的匹配尺寸。

三維激光點云掃描采用美國Trimble公司的TX5設備，掃描最大距離為120 m，掃描精度為±2 mm，掃描速度為97.6 萬點/s；高精度白光掃描采用加拿大Creaform公司的GO!SCAN設備，掃描范圍不限，精度可達1.0 m內0.1 mm，掃描速度為55萬點/s，點間距最大為0.5 mm。

2 三維激光點云掃描的應用

2.1 掃描需求

為看到橋梁整體連續(xù)的變形情況，采用三維激光點云掃描設備進行橋梁高密度、高精度的數據采集，可以檢測橋梁整體的變形情況，通過變形情況來判斷橋梁的受力情況，同時分析橋梁變形的分布趨勢，從而查找結構上可能存在的薄弱風險點，也可驗證新結構的加工安裝精度。

在局部節(jié)點板更換的過程中，通過高精度的測量可以實現對新老結構連接位置以及對新老拼接孔位精度的控制，減少誤差，進而可以提高施工效率，加快施工進度。

2.2 掃描工況

為分析橋梁變形情況，采集浙江路橋在老橋未拆除前、新橋未鋪裝（新橋沒有鋪裝層的結構外形尺寸和新橋BIM模型尺寸是一致的）、新橋成橋后這3種狀態(tài)下的橋梁結構外形數據，隨后進行多種工況下的兩兩比對。

1）工況1：分析橋梁結構整體更換后的變形情況。新橋未鋪裝在廠內大修時采用七支點支承狀態(tài)，此時的結構近似無應力狀態(tài)[2]，用其點云模型和新橋的BIM模型（無應力，以下均稱為理論模型）做比對分析，研究整橋在橫向和豎向的變形情況。

2）工況2：分析新橋成橋后的變形情況。浙江路橋在大修后的結構狀態(tài)為簡支梁橋，是有應力狀態(tài)，新橋的變形分析是將新橋和未拆除前具有應力的老橋的形態(tài)進行比對，主要研究單片桁架橫向和豎向的變形情況。

2.3 數據采集與預處理

2.3.1 掃描設站布置

浙江路橋為鋼結構空心桁架結構，表面特征復雜且桿件繁多。在第1次按照常規(guī)方式試掃失敗的前提下，正式掃描時提前制定了掃描方案，在BIM軟件中導入主橋三維模型進行虛擬設站，全橋共設20個測站點（圖2），采用S形走向，每個測站點之間的間距約為10 m，并設了多個角度的測站點，如橋底視角、登高車視角、居民樓頂視角等，盡量在空間多維度下采集浙江路橋的結構數據。

圖2 總體站位布置示意

現場掃描時，設備重點考察2個參數：分辨率和質量。前者是指點云的密度；后者是指點云的測距精度。根據現場條件，將分辨率設為1/4，質量設為4倍，可保證橋梁點云的高密度和節(jié)約現場掃描的時間，20個測站點日間10 h完成。

2.3.2 點云采集數據處理

用掃描設備自帶的專業(yè)處理軟件—RealWorks9.0進行各個測站點的點云數據自動拼接，形成完整的整橋高密度點云模型，點數量均達到了億萬級，如圖3所示。圖3中橋面上多個黃色三角形圖標即為現場掃描的測站點位置和數量。對拼接完成的點云模型進行3個步驟的處理：切割周邊環(huán)境數據；對主橋點云數據進行去噪和精簡；根據比對需要，對主橋點云數據進行局部分割，最后形成完整的橋梁點云模型，如圖4所示。

圖3 老橋點云完整模型

圖4 主橋點云模型

2.3.3 點云分析數據輕量化處理

初期數據比對分析發(fā)現橋梁模型精度高、數據量巨大，點云數據總量也達到近30 GiB，導致一般專業(yè)的圖形工作站處理非常緩慢，因此需要對這2種數據進行輕量化處理，主要為：將橋梁的理論模型去除5萬多個鉚釘，同時去除橋面板以下的結構和人行道結構；將橋梁的點云模型數據抽稀，點與點之間的間距為6 mm或2 mm；將橋梁的理論模型處理成比對分析軟件能接受的.obj格式，將橋梁的點云模型處理成.xyz格式；橋梁的點云模型通過專業(yè)軟件處理轉換成面片實體模型，如圖5所示。

圖5 橋梁面片實體模型

2.4 橋梁變形情況分析

2.4.1 理論模型與新橋未鋪裝點云模型的全橋比對分析

1）比對分析原理：在空間自由狀態(tài)下，需要尋找比對的基準。本工況選擇橋梁未更換的幾個構件作為特征點，理論模型作為基準模型，利用最小二乘法的原理，將新橋未鋪裝點云模型以最小偏差的方式對齊到基準模型上，隨后形成兩者在x、y、z三個坐標軸下的距離差，差值用彩色云圖的形式表現。

2）數據分析：選取2個方向作為分析依據，分別是主橋的橫向和豎向，分析結果云圖如圖6、圖7所示。圖6、圖7中的綠色代表距離差為零，紅色代表是正公差，藍色代表是負公差，顏色越深代表偏差越大。

圖6 主橋橫向比對分析結果云圖

圖7 主橋豎向比對分析結果云圖

在擬合得到的差值云圖上，可以直接點選有顏色的任意位置，即可得到該位置3個方向的偏差值（Dx、Dy、Dz），其中Dz表示橫橋向，Dx表示順橋向，Dy表示豎直方向。主橋橫向比對是在軟件中固定Dx和Dy方向，只分析Dz方向；主橋豎向比對是固定Dx和Dz方向，只分析Dy方向。

從圖6中可以看出，顏色最深的是橋面系和主桁架局部更換的節(jié)點上。根據橋面系在橫橋向的顏色分布呈現中間高、兩邊低的趨勢可知，大修后的橋梁橫坡比理論設計的更高。局部更換的節(jié)點（0、1、5、6、7、11、12號）也出現了顏色較深的現象，偏差數據分別為－24.36、－120.68、－119.52、－121.34、－70.74 mm，說明大修后的新節(jié)點安裝未和理論的一致，存在一定的誤差，可能是新老構件施工工藝不同造成的。

從圖7中可以看出，顏色最深的地方是橋面板、上平聯和橋門架，偏差數據分別為38.85、49.08、60.57 mm，同時橋面板的數據呈現邊上深、中間淺，且都為正公差的現象，說明橋面板在順橋向和橫橋向未安裝到位，上平聯和橋門架也存在安裝未到位的可能。

2.4.2 老橋與新橋成橋點云數據的單片主桁架比對

1）比對原理：比對的原理同上述，在本工況中老橋點云模型作為基準模型，新橋點云模型利用相同的基準豎桿對齊到老橋模型上，形成兩者之間在x、y、z坐標軸下的偏差，偏差值用彩色云圖的形式表現。

2）數據分析比對：橋梁成橋狀態(tài)下主桁架為主要受力的構件，為了分析新橋的主桁架與老橋主桁架結構形態(tài)是否一致，具體分析橋梁主桁架構件在x、y、z方向的變化，利用2個點云模型的比對偏差值，選取2個方向作為偏差分析依據，即單片主桁架的橫向比對分析和單片主桁架的豎向比對分析。

在偏差云圖上（圖8、圖9），Dx表示橫橋向，Dy表示順橋向，Dz表示豎直方向。單片主桁架橫向比對是固定Dy和Dz方向，只分析Dx方向；單片主桁架豎向比對是固定Dx和Dy方向，只分析Dz方向。

圖8 單片主桁架橫向比對分析結果云圖

圖9 單片主桁架豎向比對分析結果云圖

如圖8所示，主桁架中間的顏色偏差值在綠色范圍內，幾何偏差趨于零，說明新橋主桁架中間的位置和老橋的基本一樣；兩邊顏色逐漸加深，特別是兩端豎桿的地方顏色最深，幾何偏差最大，左端紅色的豎桿Dx,max=－74.72 mm，右端藍色豎桿Dx,max=78.26 mm，說明新橋的端部豎桿位置和老橋的有偏差。從整體偏差分布趨勢可以看出，新橋的主桁架在原有的位置上有逆時針扭轉的情況。

從圖9可知，主桁架上的顏色基本都是綠色，由數據分析可以看出豎直方向的偏差基本都在10 mm以內，說明新橋的桁架位置和老橋的基本一樣。出現微小偏差的原因可能是改造前后橋梁的質量不一樣從而導致結構跨中撓度不一樣。

主橋外側人行道位置的顏色較深，量測的幾個豎直方向的偏差值分別是：－83.45、－92.90、－81.34、－73.39、－103.59 mm，說明老橋的人行道在新橋人行道下方約8 cm。由于新橋人行道采用實木地板鋪裝，老橋采用的是混凝土，且新橋上增加了防水蓋板，出現該偏差屬于正常情況。

從以上分析可知，由于部分結構改造引起的偏差可以不考慮，但是可以側面驗證本次比對的可靠性。

2.5 輕量化數據交付

點云模型的交付可以采用一種輕量化的格式，即為IE瀏覽器版的網頁模型，只需在打開文件的同時自行下載一個插件就可瀏覽帶有貼圖形式的點云模型，這種查看方式對計算機要求不高，方便快捷。網頁版的點云模型不僅可以自由地瀏覽各個測站點的模型，還可以在模型上進行尺寸的量測，方便項目各方參與人員查看老橋的數據尺寸，也留下了橋梁的歷史文檔。

3 手持白光掃描設備的應用

主橋需對部分銹蝕嚴重的節(jié)點板進行更換，每片節(jié)點板上存在大量鉚釘孔，其圖紙是百年前的紙質版英制圖，無法直接用于現場加工節(jié)點板。為了使其順利對上孔位，原本采用的施工方法是將現場拆下的節(jié)點板從上海運回揚州的鋼結構加工廠進行復刻，但是中間運輸時間較長。最終采用掃描技術將節(jié)點板的現狀孔位逆向還原成三維電子數據，并二次再處理成二維平面圖，將圖直接發(fā)給鋼結構廠進行生產。

3.1 數據采集

采用高精度掃描儀進行節(jié)點板數據的采集，將需要更換的4、5、6、7、8節(jié)點上的小板、腹板等板件的三維幾何形態(tài)采集到計算機中。掃描工作開始前須處理以下幾個關鍵問題：板件上需要貼上大量帶有磁性的定位點；掃描工作須在光線暗的地方進行；板件上不能有雜物。掃描過程中需要打開計算機的掃描軟件，在進行掃描工作時，采集到的數據會實時傳入掃描軟件中，邊掃描邊可以看到數據的完整性。

3.2 數據分析

3.2.1 模型處理

手持設備掃描完成后的數據含有一些不需要的地形數據、構件數據等，需要對其進行相關的清理工作，包括構筑物未掃描完全的修復工作，保留構件原本破損的地方。采用設備自帶軟件—VXelements進行清理和修復工作，將完整的三維節(jié)點板實體模型投影成三維線框模型，提取節(jié)點板外包尺寸和螺栓孔位。

3.2.2 數據交付

完成節(jié)點板的模型處理后，經過多個軟件的處理形成設計工程師所需要的.dwg格式，且此格式的數據可以在CAD軟件中直接捕捉點，隨后交給設計方進行數據的再處理，最后發(fā)給生產商進行新構件的下料加工，整個過程能快速、便捷地得到需要更換的節(jié)點板原始數據。

通過相同的處理方式，本工程試點嘗試總共處理了15塊節(jié)點板，為工程節(jié)約了大量的施工時間。

4 結語

本文介紹了三維激光點云和手持高精度白光掃描設備在上海浙江路橋大修過程中的應用，獲得了掃描技術對老橋改造工程的一些應用點：

1）浙江路橋為歷史文物，采用三維激光點云掃描設備采集新橋和老橋的幾何形態(tài)數據，為以后的運營管理提供了基礎數據。

2）掃描設備采集數據量大、精度高、效率更高，顯著優(yōu)于傳統數據采集的手段。同時采集到的數據可根據不同的需求進行不同的分析，也是BIM應用的一種拓展。

3）從全橋比對和單片桁架的比對分析中可以看出，實際橋面系坡度高于理論設計數據；局部的節(jié)點板和橋門架也存在一定的加工偏差；新橋在原橋位的位置也存在扭轉的問題，說明用點云掃描技術可以有效地檢測出板件安裝問題。

4）研究出了1套在橋梁工程中的詳細的掃描技術操作流程以及技術應用操作要點，對后續(xù)類似的橋梁工程具有一定的參考意義。

5）對老橋留存的節(jié)點構件進行高精度掃描，指導新構件下料加工，保證新老構件孔位一致，對加快施工進度起到了顯著作用。

6）點云密度受限于計算機的處理能力，比對分析的模型均做了簡化，如果能提高計算機的性能，相信能得到更多有價值的數據。

7）新橋未鋪裝的點云模型在本文中是作為近似無應力的狀態(tài)，實際還是存在一定應力的，因此比對分析的結果會存在微小誤差。

8）在比對分析中，基準是決定數據分析有效性的關鍵，對基準的選取還可以進行進一步的研究。