白祖應(yīng) 羅佳 朱勇 楊鵬興

摘要 文章提出了一種結(jié)合理論模型與實(shí)測(cè)點(diǎn)云模型的勁性骨架制造線(xiàn)形偏差檢測(cè)方法，在Geomagic軟件中以理論模型為參照，進(jìn)行勁性骨架的三維幾何偏差分析。結(jié)論：基于特征點(diǎn)配準(zhǔn)的方法將理論模型與實(shí)測(cè)點(diǎn)云模型進(jìn)行疊合，對(duì)齊后特征點(diǎn)坐標(biāo)偏差值平均為0.59 mm，采用該方法對(duì)齊的精度高;實(shí)測(cè)點(diǎn)云模型與設(shè)計(jì)模型關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)吻合情況較為良好，平均偏差數(shù)值僅為1.65 mm，其中最大偏差為3.7 mm，最小偏差為0.34 mm。該勁性骨架節(jié)段施工偏差較小，能夠滿(mǎn)足工程中的使用要求。

關(guān)鍵詞 三維激光掃描儀;制造線(xiàn)性檢測(cè);幾何偏差;勁性骨架

中圖分類(lèi)號(hào) U446.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）12-0156-04

收稿日期：2022-03-22

作者簡(jiǎn)介：白祖應(yīng)（1984—），男，本科，高級(jí)工程師，從事公路與橋梁方面工作。

0 引言

大跨徑混凝土勁性骨架拱橋已被廣泛應(yīng)用[1-2]，其具有施工步驟較多、受力形式復(fù)雜、截面形式多樣的特點(diǎn)。勁性骨架作為主要受力結(jié)構(gòu)，制造及施工質(zhì)量受到了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)鋼管混凝土拱橋相比而言，勁性骨架拱橋雖降低了施工難度但卻增加了施工工序[3]。謝開(kāi)仲等[4]針對(duì)勁性骨架混凝土拱橋的施工特點(diǎn)，認(rèn)為必須在施工過(guò)程中對(duì)拱圈的應(yīng)力、撓度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證橋梁在建造階段、運(yùn)營(yíng)階段的變形及內(nèi)力均符合規(guī)范要求。

三維激光掃描技術(shù)可獲取結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)幾何信息，因此為較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其被廣泛地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。韓達(dá)光等[5]結(jié)合了三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向生成BIM模型，通過(guò)BIM技術(shù)解決了基坑在隨機(jī)車(chē)輛荷載作用下的三維整體變形監(jiān)測(cè)問(wèn)題?；葜嶽6]等利用三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建了古建筑模型，節(jié)省了建模時(shí)間，提高了建模精度。

對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)，為嚴(yán)格保證結(jié)構(gòu)的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，均需在安裝前進(jìn)行線(xiàn)形偏差檢測(cè)。勁性骨架拱肋段數(shù)多，構(gòu)造復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的方法檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。三維激光掃描儀具有非接觸性的特點(diǎn)，可避免環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的不利影響，可方便、快速、準(zhǔn)確地獲取結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)幾何形態(tài)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)勁性骨架的制造線(xiàn)性檢測(cè)，該文首先對(duì)加工完成的勁性骨架進(jìn)行三維激光掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。然后采用特征對(duì)齊的方法，將實(shí)際點(diǎn)云與理論模型進(jìn)行對(duì)齊。最后將處理后的三維激光點(diǎn)云與理論模型進(jìn)行3D疊差分析，依據(jù)疊差分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)勁性骨架制造線(xiàn)形的三維幾何偏差檢測(cè)。

1 工程概況

該文的依托工程為云南省西南部的糯扎渡瀾滄江特大橋，橋梁形式為上承式勁性骨架鋼筋混凝土拱橋，橋梁左側(cè)為思茅岸，右側(cè)為瀾滄岸。橋梁主跨跨徑為155 m，勁性骨架拱肋可劃分為11個(gè)吊裝節(jié)段，最大吊裝重量為120.5 t。鋼管材質(zhì)為Q235，混凝土為C50。該橋的勁性骨架拱肋段數(shù)多、構(gòu)造復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的方法檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要一種高效、精確的方法進(jìn)行勁性骨架的制造線(xiàn)形檢測(cè)。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及前處理

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

根據(jù)控制方案設(shè)計(jì)，對(duì)預(yù)制廠(chǎng)制造完成的勁性骨架進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)采用的三維激光掃描儀型號(hào)為Faro X330，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。為保障掃描點(diǎn)云的質(zhì)量，站點(diǎn)與目標(biāo)物間的距離不應(yīng)超過(guò)20 m。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用專(zhuān)業(yè)的點(diǎn)云處理軟件Geomajic對(duì)勁性骨架點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理。其主要步驟為：①導(dǎo)入點(diǎn)云;②點(diǎn)云拼站;③降噪及多余點(diǎn)云的刪除。其中降噪及多余點(diǎn)云的刪除如圖2所示。

3 制造線(xiàn)形偏差分析

3.1 模型的配準(zhǔn)

依據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)圖紙，建立勁性骨架的理論BIM模型。BIM模型最大的優(yōu)點(diǎn)為三維、可視化。對(duì)于后續(xù)的模型和點(diǎn)云的匹配，以及偏差定位有著關(guān)鍵的作用。選擇勁性骨架的主弦桿中心與法蘭盤(pán)平面交點(diǎn)作為理論BIM模型和點(diǎn)云匹配的特征點(diǎn)，該特征容易在Geomajic軟件里獲取。

兩者對(duì)齊的原理是最小二乘法，設(shè)分別繞X，Y，Z軸姿態(tài)調(diào)整的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

以及平移矩陣為：

姿態(tài)調(diào)整公式為：，其中α，β，γ為連廊姿態(tài)調(diào)整時(shí)分別繞X，Y，Z軸的旋轉(zhuǎn)角，x，y，z為沿X，Y，Z方向平移的距離。設(shè)理論BIM模型特征點(diǎn)集合A，點(diǎn)云特征點(diǎn)集合B。對(duì)B進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，建立拼接誤差函數(shù)如下：

將對(duì)齊后的特征點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得到如表2所示的結(jié)果。對(duì)齊后的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)坐標(biāo)偏差值平均為0.59 mm，表明采用該方法對(duì)齊的精度較高。

3.2 偏差分析方法

如圖3所示，假設(shè)p為點(diǎn)云曲面，該曲面任一點(diǎn)的坐標(biāo)為pi（xi，yi，zi），將設(shè)計(jì)模型進(jìn)行Delaunay三角形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的尺寸應(yīng)盡可能小，得到三角網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和單元拓?fù)潢P(guān)系，通過(guò)k-D數(shù)的方法尋找pi的臨近點(diǎn)qi，qi為三角網(wǎng)格曲面上的節(jié)點(diǎn)，q0S，S為q0所處位置的點(diǎn)集。

（a）拱肋設(shè)計(jì)模型曲面

（b）拱肋設(shè)計(jì)模型曲面網(wǎng)格

通過(guò)下式計(jì)算pi與S點(diǎn)集中所有位置的距離di，則

（1）

根據(jù)計(jì)算得出的距離，從中找出目標(biāo)點(diǎn)到曲面的最小距離：

（2）

該距離則為當(dāng)前位置設(shè)計(jì)模型與點(diǎn)云模型之間的偏差。

3.3 偏差分析結(jié)果

在Geomagic軟件中，主要是以拱肋理論曲面與實(shí)際點(diǎn)云曲面之間距離作為線(xiàn)形的偏差。將實(shí)測(cè)點(diǎn)云與理論點(diǎn)云導(dǎo)入到Geomagic軟件中，以設(shè)計(jì)模型為參照，將其設(shè)為Refence，以點(diǎn)云模型為對(duì)比，設(shè)為T(mén)est。拱肋骨架可編號(hào)分為：①～⑥，最終得到勁性骨架節(jié)段線(xiàn)形加工偏差如圖4所示（為顯示清晰、只選擇①②④線(xiàn)形標(biāo)注）。

勁性骨架節(jié)段線(xiàn)形偏差對(duì)于拱橋的施工及成橋狀態(tài)有著十分重要的影響。利用三維激光掃描獲取的線(xiàn)形可快速用于勁性骨架節(jié)段的質(zhì)量檢測(cè)，現(xiàn)統(tǒng)計(jì)①～⑥線(xiàn)形與設(shè)計(jì)線(xiàn)形偏差走勢(shì)，如圖5。

結(jié)果顯示，通過(guò)三維偏差分析圖，可直觀(guān)反映勁性骨架節(jié)段線(xiàn)形偏差情況。該色譜圖顏色分布均勻，表明整體偏差較為一致，其中1號(hào)弦桿的偏差較大。顏色加深的地方即為與設(shè)計(jì)線(xiàn)形偏差較大部位，如果超出相關(guān)要求，則需要及時(shí)采取措施。線(xiàn)形偏差走勢(shì)圖全面展示了各線(xiàn)形關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的偏差情況，為線(xiàn)形的保證提供了較全面數(shù)據(jù)支撐。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，可結(jié)合使用，更好地對(duì)勁性骨架節(jié)段線(xiàn)形偏差進(jìn)行結(jié)果分析。

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)對(duì)勁性骨架節(jié)段線(xiàn)性偏差進(jìn)行制造線(xiàn)形偏差檢測(cè)，該文提出了一種基于三維激光掃描的方法并應(yīng)用于依托工程，得出以下結(jié)論：

（1）該文提出了一種結(jié)合理論模型與實(shí)測(cè)點(diǎn)云的制造線(xiàn)形偏差檢測(cè)方法。其中，理論模型是由參考設(shè)計(jì)圖紙建成的BIM模型;點(diǎn)云由多角度采集勁性骨架表面數(shù)據(jù)。二者數(shù)據(jù)都具有三維、可視化的特性，為制造線(xiàn)形偏差檢測(cè)提供了良好的數(shù)據(jù)支撐。

（2）采用最小二乘法的原理對(duì)理論模型與實(shí)測(cè)點(diǎn)云的特征點(diǎn)進(jìn)行最大程度對(duì)齊，該特征點(diǎn)為法蘭盤(pán)的螺栓孔。結(jié)果顯示，對(duì)齊后特征點(diǎn)坐標(biāo)偏差值平均為1 mm左右，表明該方法對(duì)齊的精度高，對(duì)齊后的模型可用于勁性骨架節(jié)段線(xiàn)性偏差分析。

（3）通過(guò)三維偏差分析圖和線(xiàn)形偏差走勢(shì)圖結(jié)合的方式，對(duì)勁性骨架節(jié)段線(xiàn)形偏差情況進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，三維偏差分析圖可方便使用顏色加深的地方表示線(xiàn)形偏差較大部位，該方法直觀(guān)、便捷性好。線(xiàn)形偏差走勢(shì)圖可全面展示各線(xiàn)形關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的偏差情況，其中平均偏差數(shù)值僅為1.65 cm，其中最大偏差為3.7 mm，最小偏差為0.34 mm。可為線(xiàn)形的保證提供較全面的數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]衛(wèi)高紅. 鋼管混凝土系桿拱橋勁性骨架整體吊裝設(shè)計(jì)與施工[J]. 山西交通科技， 2013（6）： 65-67.

[2]周源， 王戈. 強(qiáng)勁骨架在鋼管混凝土勁性骨架拱橋中的應(yīng)用[J]. 山西交通科技， 2019（3）： 65-69+83.

[3]劉忠， 顧安邦， 周水興. 萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋非線(xiàn)性綜合分析[J]. 重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)， 1996（S1）： 19-29.

[4]謝開(kāi)仲， 韋立林， 李海. 鋼管混凝土拱橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2009（2）： 127-130.

[5]韓達(dá)光， 秦國(guó)成， 周銀， 等. 基于BIM和三維激光掃描在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2019（6）： 72-76+102.

[6]惠之瑤， 張愛(ài)琳， 王昆， 等. 集成BIM-3D掃描技術(shù)的斗拱建模方法[J]. 土木工程與管理學(xué)報(bào)， 2020（2）： 151-157.