胡 綱 何 新 葉澤浩 張 澄

1. 蘇州二建建筑集團(tuán)有限公司 江蘇 蘇州 215122；2. 西交利物浦大學(xué) 江蘇 蘇州 215123

裝配式施工指將工廠預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)組裝，已經(jīng)是一種成熟的建筑制造工藝。它在全世界范圍內(nèi)被廣泛地應(yīng)用于建筑行業(yè)，具有縮短項(xiàng)目工期、降低項(xiàng)目成本和減少建筑垃圾等特點(diǎn)[1]。目前，中國(guó)每年新建建筑超過(guò)30億 m2，占世界新建建筑總量的一半，2020年新開(kāi)工裝配式建筑占新建建筑總量的20.5%，較19年增長(zhǎng)了50%?？梢?jiàn)，隨著勞動(dòng)力成本的上升，尤其在新冠肺炎疫情的大背景下，裝配式施工在縮短工期和減少勞動(dòng)力方面加速顯示出其優(yōu)勢(shì)。此外，建標(biāo)規(guī)〔2020〕8號(hào)《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門(mén)關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見(jiàn)》中強(qiáng)調(diào)，建筑業(yè)需逐步加快信息技術(shù)融合發(fā)展，以促進(jìn)工業(yè)建設(shè)和基于BIM的建筑工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配和生命周期管理。將BIM技術(shù)與裝配式施工相結(jié)合，是將來(lái)建筑行業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

裝配式施工過(guò)程中的人為因素（搬運(yùn)、運(yùn)輸和裝配）可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件彎曲和翹曲，從而降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和施工質(zhì)量。如果施工操作誤差過(guò)大，其中預(yù)制組件可能會(huì)偏離原始幾何結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致構(gòu)件間不匹配，致使項(xiàng)目延遲、中斷、浪費(fèi)和返工。為了解決裝配式施工的這些問(wèn)題，應(yīng)該有一種方法來(lái)提高預(yù)制和裝配過(guò)程中的精度，提高吊裝過(guò)程中的可控性。而三維重建技術(shù)與實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的結(jié)合則有可能實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)。

三維重建技術(shù)是通過(guò)一定技術(shù)手段，如傾斜攝影、貼近攝影、激光掃描等方式，捕獲現(xiàn)實(shí)對(duì)象的三維幾何、紋理信息，并使其在數(shù)字環(huán)境下重建模型對(duì)象。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于游戲場(chǎng)景建模、員工培訓(xùn)、文化遺址的電子備份以及建筑行業(yè)。而實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)是檢測(cè)目標(biāo)當(dāng)前地理位置的技術(shù)之一，它可以實(shí)時(shí)跟蹤、監(jiān)控構(gòu)件，施工機(jī)械以及工作人員[2]。因此，在裝配式項(xiàng)目的施工過(guò)程中，可以通過(guò)定期拍攝施工現(xiàn)場(chǎng)的照片來(lái)更新三維重建模型，借助實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，將施工進(jìn)度和構(gòu)件的移動(dòng)軌跡在最精確的數(shù)字環(huán)境模型中顯示，提高裝配精度及過(guò)程可控性。

1 研究方法

1.1 研究目的

本項(xiàng)目旨在研究裝配式構(gòu)件工程項(xiàng)目中，應(yīng)用三維重建和實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)技術(shù)的可行性，并進(jìn)一步研究其準(zhǔn)確性、效率和效果。為達(dá)到這一目的，指定以下目標(biāo)：對(duì)本文研究領(lǐng)域內(nèi)所涵蓋的內(nèi)容進(jìn)行文獻(xiàn)回顧；提出一種在BIM平臺(tái)上集成三維重建和實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的方法；對(duì)一個(gè)模塊化項(xiàng)目進(jìn)行案例研究，應(yīng)用所提出的方法，研究提高項(xiàng)目實(shí)施精度，減少施工誤差；調(diào)查所提出方法的可行性，并總結(jié)本文的貢獻(xiàn)和局限性以及未來(lái)的研究方向。

1.2 研究思路

為了驗(yàn)證三維重建技術(shù)與實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的聯(lián)合實(shí)施是否能夠有效、準(zhǔn)確地處理裝配式構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)施工問(wèn)題，本文將進(jìn)行模擬、試驗(yàn)、測(cè)試和分析，并在蘇州的一個(gè)裝配式施工項(xiàng)目上進(jìn)行實(shí)踐，以監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件是否變形以及是否有人為失誤。具體包括以下主要步驟：對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行三維重建；通過(guò)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)監(jiān)控組件的現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)路徑；分析三維重建和實(shí)時(shí)定位在精確定位裝配式構(gòu)件中的可行性和準(zhǔn)確性（圖1）。

圖1 研究思路

1.3 三維重建

本項(xiàng)目采用Reality Capture（RC）1.2作為圖像處理軟件創(chuàng)建三維重建模型，這是一款通過(guò)拍照或激光掃描創(chuàng)建實(shí)測(cè)對(duì)象的軟件。其中，該軟件執(zhí)行圖像三維重建的過(guò)程，主要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、特征點(diǎn)計(jì)算和三維模型創(chuàng)建3個(gè)階段。首先，技術(shù)人員需要掃描測(cè)量對(duì)象以獲取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，通常在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)在圖像捕獲過(guò)程中根據(jù)需要賦予相應(yīng)的真實(shí)或相對(duì)坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)。其次，計(jì)算是運(yùn)用運(yùn)動(dòng)中恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法（Structure from Motion，SfM）提取特征點(diǎn)，RC將檢索所有圖像并匹配圖像間的特征點(diǎn)生成稀疏點(diǎn)云，隨后根據(jù)需要框定重建區(qū)域，去除模型中不需要的部分。最后，執(zhí)行模型重建任務(wù)，將稀疏點(diǎn)云通過(guò)多視角系統(tǒng)算法（Multi-view System，MVS）重建為密集點(diǎn)云，并基于密集點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)格模型，計(jì)算紋理完成最終模型。RC的輸出可作為BIM設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)，用于反映施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。

1.4 實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)

本項(xiàng)目所采用的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)是超寬帶技術(shù)，可用于精確監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件的使用狀態(tài)和移動(dòng)路徑。與其他波傳導(dǎo)定位技術(shù)（藍(lán)牙、射頻識(shí)別、紫蜂、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)）相比，超寬帶具有最高的定位精度（10～30 cm）和最長(zhǎng)的傳輸距離（80 m），以及相對(duì)可接受的功耗和優(yōu)良的抗干擾性，更適合于施工現(xiàn)場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境。基于超寬帶技術(shù)的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、基站和終端計(jì)算機(jī)組成?；咀x取從各種標(biāo)簽發(fā)送來(lái)的信號(hào)，基于這些信號(hào)，使用多點(diǎn)定位算法計(jì)算標(biāo)簽的位置，如到達(dá)時(shí)差（TDOA）、到達(dá)時(shí)間（TOA）和到達(dá)角（AOA）[3]。一些研究致力于利用不同測(cè)距算法組合的混合方法，如TOA與AOA的結(jié)合以提升定位精度。

為了跟蹤并記錄現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制構(gòu)件的起吊活動(dòng)，需監(jiān)控其移動(dòng)過(guò)程中的三維路徑。因此，需至少實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制構(gòu)件的臨時(shí)存放處以及構(gòu)件提升和移動(dòng)時(shí)的軌跡記錄。因其極限精度約10 cm，并不滿(mǎn)足構(gòu)件安裝精度要求，所以構(gòu)件安裝處不考慮監(jiān)控。

預(yù)先構(gòu)建的場(chǎng)地三維模型應(yīng)包含所有可能的碰撞區(qū)域，并按照實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)要求的格式導(dǎo)入模型。最后通過(guò)軟件中記錄的構(gòu)件三維運(yùn)動(dòng)軌跡圖，以及相應(yīng)的三維坐標(biāo)隨時(shí)間的變化，分析運(yùn)動(dòng)路徑的合理性，避免碰撞的發(fā)生，并可作為后續(xù)優(yōu)化吊裝方案的依據(jù)。

2 案例分析

2.1 項(xiàng)目概況

案例應(yīng)用位于蘇州市，是由蘇州二建建筑集團(tuán)有限公司承建的一個(gè)住宅樓項(xiàng)目。該項(xiàng)目包括10棟住宅樓以及1個(gè)地下車(chē)庫(kù)。采用鋁模與爬架施工工藝，并采用了大量預(yù)制墻板與樓板構(gòu)件。

本文對(duì)8號(hào)住宅樓建造過(guò)程中的預(yù)制樓板吊裝過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)并討論。目標(biāo)建筑是一個(gè)建筑面積為14 013.86 m2的26層框架剪力墻結(jié)構(gòu)。當(dāng)預(yù)制墻板進(jìn)場(chǎng)安裝時(shí)，樓梯主要結(jié)構(gòu)已建造完成，目標(biāo)的信號(hào)輻射發(fā)射需要穿透多層墻板及樓板。所以，本文主要測(cè)量預(yù)制樓板吊裝過(guò)程中，面對(duì)復(fù)雜的施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，本套系統(tǒng)的可行性。

2.2 三維重建

三維重建的范圍應(yīng)覆蓋預(yù)制樓板吊裝過(guò)程中可能的碰撞區(qū)域以及構(gòu)件安裝處。8號(hào)樓位于整個(gè)住宅項(xiàng)目的角落，所以吊裝過(guò)程中的主要碰撞來(lái)自8號(hào)樓本身，故對(duì)8號(hào)樓及周?chē)鷧^(qū)域進(jìn)行三維重建。數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于重建目標(biāo)已建成一座9層建筑，因此需使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行攝影。本案例采用DJI Phantom 4 RTK，這是一款行業(yè)級(jí)測(cè)繪無(wú)人機(jī)，配備實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)（RTK）系統(tǒng)用以提供精確的GPS定位。機(jī)載1英寸（約2.54 cm）傳感器的2 048萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)，可支持高精度成像。飛行高度設(shè)置為75 m，采用系統(tǒng)自帶的規(guī)劃軟件自動(dòng)進(jìn)行傾斜攝影，可從不同角度拍攝重建對(duì)象，以盡可能多地覆蓋建筑物信息。數(shù)據(jù)采集完成后導(dǎo)入RC進(jìn)行重建運(yùn)算。建筑立面精度一般不會(huì)超過(guò)5 cm，頂部精度小于1 cm。案例周邊情況及重建模型如圖2所示。

圖2 案例周邊情況及三維重建模型

2.3 實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)

使用基于超寬帶技術(shù)的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行觀測(cè)，主要包括以下幾個(gè)步驟：建立環(huán)境模型以及對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系，安裝基站并采集基站坐標(biāo)，安裝定位標(biāo)簽，監(jiān)控并記錄標(biāo)簽的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。其中，環(huán)境模型則由三維重建模型導(dǎo)入獲得，并根據(jù)需要對(duì)齊坐標(biāo)系，其建筑物外輪廓的精度基本可滿(mǎn)足觀測(cè)要求，結(jié)果如圖3所示。

圖3 在實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)中的建筑物模型

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍應(yīng)覆蓋：預(yù)制樓板的臨時(shí)存放處，即8號(hào)樓遠(yuǎn)離馬路的內(nèi)側(cè)空地；預(yù)制樓板安裝處，即8號(hào)樓頂部；以及預(yù)制樓板提升和移動(dòng)時(shí)的區(qū)域?？紤]到盡可能減少遮擋以提升信號(hào)質(zhì)量，所以將絕大部分的基站布置在8號(hào)樓以及隔壁樓棟不同高度的樓層，少部分基站布置在地面，構(gòu)建盡可能多的信號(hào)接收三角。布置完畢后需確定基站坐標(biāo)。

定位標(biāo)簽則布置在預(yù)制樓板的四角，即中心。為后續(xù)測(cè)試標(biāo)簽定位精度做準(zhǔn)備，測(cè)量了5個(gè)標(biāo)簽的相對(duì)位置關(guān)系。最后，基站及標(biāo)簽的位置布置情況如圖4所示。

圖4 基于超寬帶技術(shù)的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)基站及標(biāo)簽的位置布置情況

完成上述相關(guān)的準(zhǔn)備工作后，便可以開(kāi)始吊裝預(yù)制樓板，并在吊裝過(guò)程中記錄相應(yīng)的定位標(biāo)簽坐標(biāo)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳。

2.4 可行性分析

最終，監(jiān)控的原始實(shí)時(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)標(biāo)簽追蹤動(dòng)態(tài)圖如圖5、圖6所示。

圖5 監(jiān)控的原始實(shí)時(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)

圖6 定位標(biāo)簽實(shí)時(shí)坐標(biāo)記錄及動(dòng)態(tài)展示

5個(gè)定位標(biāo)簽坐標(biāo)隨時(shí)間變化，間隔的記錄時(shí)間在5 s左右。其中綠色標(biāo)記為無(wú)效數(shù)據(jù)，其定位較上一個(gè)時(shí)間階段無(wú)變化，即信號(hào)傳輸出現(xiàn)丟失。如圖5所示，3：53—4：17為靜止?fàn)顟B(tài)，4：17—5：17為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，后續(xù)基本超過(guò)監(jiān)控范圍?？紤]到中間的標(biāo)簽遮擋嚴(yán)重，信號(hào)損失很?chē)?yán)重，所以不予考慮?，F(xiàn)對(duì)連續(xù)標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，加密時(shí)間間隔，并通過(guò)評(píng)估各標(biāo)簽的相對(duì)位置距離與真實(shí)距離進(jìn)行誤差估計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)簽平均誤差

靜態(tài)平均誤差約0.16 m，由于是相對(duì)靜態(tài)誤差，絕對(duì)靜態(tài)誤差應(yīng)該會(huì)更低，結(jié)果基本符合超寬帶定位系統(tǒng)的常規(guī)精度。對(duì)于動(dòng)態(tài)誤差，因標(biāo)簽移動(dòng)時(shí)具有1～3 s不等的信號(hào)延遲[3]，所以動(dòng)態(tài)誤差除了自身標(biāo)簽的誤差，還疊加了各個(gè)標(biāo)簽因信號(hào)延遲不均等引起的相對(duì)誤差，實(shí)際的絕對(duì)位置誤差也應(yīng)該更低。

從動(dòng)態(tài)展示圖中看，信號(hào)的跟蹤過(guò)程相對(duì)直觀，可視化效果好?？梢曰诔瑢拵Фㄎ幌到y(tǒng)，通過(guò)對(duì)標(biāo)簽設(shè)置半徑大于1 m的垂直圓柱體，作為碰撞警報(bào)區(qū)，用于監(jiān)控可能的碰撞。

2.5 提升路徑分析

提升路徑分為三部分，Z軸移動(dòng)路徑、塔式起重機(jī)起重臂旋轉(zhuǎn)路徑和起重臂上吊鉤移動(dòng)的路徑。為了便于分析計(jì)算，建立以塔式起重機(jī)為中心點(diǎn)的極坐標(biāo)系統(tǒng)（預(yù)制樓板初始位置為角度0），Z軸取預(yù)制樓板初始位置為0。

根據(jù)目標(biāo)在Z軸上的距離變化（圖7），觀察到的預(yù)制樓板被高速提升到大約50 m的高度（時(shí)間為4：59），然后減慢速度繼續(xù)提升至63 m。在4：41和4：59時(shí)有2個(gè)拐點(diǎn)。第1個(gè)時(shí)間應(yīng)該是預(yù)制構(gòu)件開(kāi)始增加轉(zhuǎn)角的時(shí)間，第2個(gè)拐點(diǎn)可能是預(yù)制構(gòu)件接近建筑物，這時(shí)減速以小心避免可能的碰撞。

根據(jù)極坐標(biāo)系中標(biāo)簽極角變化（圖8），觀察到的預(yù)制樓板在其高度達(dá)到30 m左右（時(shí)間為4：41）時(shí)，不會(huì)隨著極徑的變化而移動(dòng)。然后，起重機(jī)將構(gòu)件以一個(gè)平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)速度移動(dòng)到指定位置。

圖8 標(biāo)簽在極坐標(biāo)下極角變化

根據(jù)極坐標(biāo)系中標(biāo)簽極徑變化（圖9），在提升的初始階段，觀察到構(gòu)件的極徑?jīng)]有變化，即塔式起重機(jī)的起重臂上吊鉤起始位置在初期保持約為28.5 m。之后，當(dāng)預(yù)制構(gòu)件的高度達(dá)到約30 m時(shí)，時(shí)間為4：41，起重吊鉤開(kāi)始向外移動(dòng)了8 m，將預(yù)制構(gòu)件移動(dòng)到指定位置。隨后，向外移動(dòng)的速度放慢，以降低事故風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)闃?gòu)件即將接近建筑物。

圖9 標(biāo)簽在極坐標(biāo)下極徑變化

通過(guò)對(duì)構(gòu)件移動(dòng)的捕捉，可以模擬和分析相同類(lèi)型構(gòu)件的后續(xù)放置和移動(dòng)，以尋求更合理的吊裝路徑。該分析可為管理者制定類(lèi)似活動(dòng)的時(shí)間表，并提供可靠有效的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種將三維重建與實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)相結(jié)合的方法，對(duì)裝配式建設(shè)項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行定位和監(jiān)測(cè)。該方法已在蘇州的一個(gè)裝配式施工項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)踐，用于監(jiān)控并收集預(yù)制板從地面到建筑頂部提升過(guò)程的路徑坐標(biāo)。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算，當(dāng)目標(biāo)位于觀測(cè)系統(tǒng)的非盲區(qū)時(shí)，平均相對(duì)誤差為59 cm，靜態(tài)相對(duì)誤差為16.5 cm，基本符合UWB實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的精度要求，運(yùn)動(dòng)相對(duì)誤差為75 cm。盡管施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)由于信號(hào)遮擋以及信號(hào)延遲不均等一系列原因，導(dǎo)致誤差遠(yuǎn)大于靜態(tài)相對(duì)誤差，但當(dāng)合理設(shè)置預(yù)警閾值時(shí)，這種情況是可以接受的。同時(shí)本文也討論了一種極坐標(biāo)路徑分析方法，為相關(guān)管理者提供了后續(xù)優(yōu)化吊裝的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和一定的實(shí)施可行性。