杜理強 鄒海濤 童宇超 許華姣

(1.中鐵建工集團有限公司，北京 100160； 2.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團有限公司，紹興 312030)

引言

在鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)日新月異的時代背景下，越來越多的鋼結(jié)構(gòu)建筑向高度更高、跨度更大和造型更獨特的方向發(fā)展。建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加給鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工和安裝帶來巨大挑戰(zhàn)。為滿足鋼結(jié)構(gòu)高質(zhì)量、高技術(shù)水準的建設(shè)要求，亟需一種高精度、高效率的測量技術(shù)，貫穿鋼結(jié)構(gòu)建造全過程，保證鋼結(jié)構(gòu)的高品質(zhì)建造。

三維激光掃描技術(shù)相對于傳統(tǒng)技術(shù)在精度、速度和整體性上都有巨大的優(yōu)勢。已成為橋隧工程施工監(jiān)測和質(zhì)量檢測方面，空間數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)手段。目前，在建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用主要在加工精度的檢測方面，應(yīng)用于空間鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的實例較少[1]。

本文詳細介紹了杭州西站鋼屋蓋基于三維激光掃描的建造全過程變形監(jiān)測，對工廠制造階段的構(gòu)件、節(jié)點，現(xiàn)場安裝階段的拼裝、吊裝單元和提升分區(qū)以及成形后的整體結(jié)構(gòu)進行各階段、多場景、全方位的監(jiān)測，詳細描述了實施細則和數(shù)據(jù)處理方法。掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)作為鋼結(jié)構(gòu)分項工程驗收依據(jù)，并將成形數(shù)據(jù)傳遞至下一道工序，指導(dǎo)屋面和精裝修的安裝，是對三維激光掃描在建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用的積極探索，可供同類項目參考。

1 工程概況

杭州西站是中國大型鐵路樞紐之一，站房平面尺寸約450m×217m?？偨ㄖ娣e達50余萬m2，工程總用鋼量約5.6萬t。其中，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)總長326m，寬245m，投影面積約79 870m2，總重量約1.1萬t。屋蓋主體結(jié)構(gòu)中間采光頂區(qū)域采用雙向桁架，最大跨度78m，其余區(qū)域采用四角錐網(wǎng)架； 采光頂桁架延伸至支承柱頂，形成網(wǎng)架內(nèi)“暗桁架”連接，如圖1所示。

圖1 站房結(jié)構(gòu)整體軸測圖

杭州西站屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用“分區(qū)旋轉(zhuǎn)+整體提升”的施工方法，鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架部分在空中旋轉(zhuǎn)4°至設(shè)計姿態(tài)，與中央采光頂桁架完成對接后，整體提升至設(shè)計位形。旋轉(zhuǎn)提升網(wǎng)架面積達到2.7萬m2，單區(qū)旋轉(zhuǎn)提升重量約3 000t，如圖2所示。

圖2 屋蓋旋轉(zhuǎn)提升就位航拍圖

2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，是一種先進的全自動高精度點云立體掃描技術(shù)，通過高速激光掃描測量的方法獲取空間點云數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀高速測量記錄被測物體表面密集點的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息[1]，能夠快速復(fù)建出被測結(jié)構(gòu)的三維模型和各種圖件數(shù)據(jù)。三維激光掃描系統(tǒng)可以獲取結(jié)構(gòu)三維的數(shù)據(jù)點，打破了傳統(tǒng)的單點測量對結(jié)構(gòu)表達的局部性和片面性[2]。

三維激光掃描為非接觸式測量，不受現(xiàn)場掃描環(huán)境和時間的約束[3]。數(shù)據(jù)采樣率高，以每秒數(shù)十萬點的采樣率，快速獲取高精度海量點云數(shù)據(jù)，測量效率高，覆蓋面廣。數(shù)據(jù)化采集，兼容性強，所采集的數(shù)據(jù)均為數(shù)字信號，在后期處理和共享時十分便捷。

杭州西站屋蓋鋼結(jié)構(gòu)整體為雙曲造型，采用“分區(qū)旋轉(zhuǎn)+整體提升”的施工方法。傳統(tǒng)的單點測量結(jié)果無法對旋轉(zhuǎn)提升的過程姿態(tài)進行有效評價； 結(jié)構(gòu)成型后的位形通過局部點位的測量結(jié)果難以表達。因此，本項目采用三維激光掃描技術(shù)，進行構(gòu)件加工、現(xiàn)場拼裝、旋轉(zhuǎn)提升至結(jié)構(gòu)卸載成形的建造全過程三維掃描監(jiān)測，保證項目高質(zhì)量、高技術(shù)水準建造。

本項目選用MetraSCAN210和FARO S150三維掃描儀。MetraSCAN210精度可達0.085mm，結(jié)合攝影測量系統(tǒng)可完成構(gòu)件的掃描檢測和虛擬預(yù)拼裝，如圖3所示。FARO S150測距范圍0.6-150m，測距誤差±1mm，采樣率可達數(shù)十萬點/秒，能快速獲取高精度海量點云數(shù)據(jù)。

圖3 現(xiàn)場三維激光掃描監(jiān)測

3 建造全過程變形監(jiān)測方案

3.1 工廠加工階段

在工廠加工階段采用工業(yè)級三維掃描儀進行大型復(fù)雜異形鋼構(gòu)件偏差分析和修正。通過工業(yè)級三維掃描儀逆像生成關(guān)鍵部位的三維Test模型，結(jié)合高精密拍照定位系統(tǒng)對復(fù)雜構(gòu)件進行定位，大幅提高測量效率和精度，如圖4 所示。掃描完成后與計算機軟件中的Reference模型進行的擬合分析，形成三維的色差偏差圖中[4]。對于超偏部位，除了標(biāo)注偏差值的同時，也可以進行任意面的剖切，將三維的色差偏差顯示在二維視圖上，可直觀地看出偏差大小和方向，快速指導(dǎo)工廠進行超偏構(gòu)件的修正。

圖4 工廠構(gòu)件三維掃描

根據(jù)現(xiàn)場安裝順序，依次將實際構(gòu)件掃描得到的數(shù)字化模型導(dǎo)入到計算機中，在計算機虛擬環(huán)境中模擬構(gòu)件實體預(yù)拼裝過程，分析實際加工的構(gòu)件在現(xiàn)場安裝過程可能出現(xiàn)錯邊和牛腿偏差等問題，并判斷是否滿足《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收標(biāo)準》的相關(guān)要求，對不滿足標(biāo)準要求的，在工廠加工階段提供切實可行的偏差構(gòu)件調(diào)整方案，偏差分析技術(shù)流程如圖5所示。與傳統(tǒng)實體預(yù)拼裝相比，大幅提高施工效率，減少資源投入，不需要大量的拼裝場地[5-6]。

圖5 復(fù)雜異形鋼構(gòu)件的偏差分析技術(shù)流程

3.2 現(xiàn)場施工階段

三維激光掃描技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)施工階段質(zhì)量管理的應(yīng)用主要是通過掃描儀器對結(jié)構(gòu)的重點監(jiān)控部位和關(guān)鍵施工階段進行掃描，也可對關(guān)鍵施工階段進行模擬施工，為質(zhì)量監(jiān)控和驗收工作提供良好的數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)檢測信息實時共享。通過掃描儀器對結(jié)構(gòu)進行掃描，將得出的點云數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)拼接、去噪、去除外點、特征提取與簡化等處理，與設(shè)計圖紙建模得到的BIM模型進行比較，得到施工階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)[7]，其應(yīng)用框架如圖6所示。

圖6 三維激光掃描施工階段應(yīng)用框架

現(xiàn)場施工階段的掃描工作開始前，需進行現(xiàn)場踏勘，根據(jù)項目現(xiàn)場布置、結(jié)構(gòu)特征等確定掃描的站點數(shù)量、標(biāo)靶球位置和黑白標(biāo)靶布置[8]。標(biāo)靶球的放置要使相鄰站點之間的掃描至少有三個共用標(biāo)靶球用于不同站點的點云配準，在結(jié)構(gòu)特定位置放置標(biāo)靶紙，對后續(xù)基準面進行控制，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場三維掃描點布置

三維激光掃描儀對被測結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時，掃描站點到被測對象之間要求沒有遮擋，兩者之間的距離在掃描半徑內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)能最大限度地被掃描到。點云掃描完畢，每站進行標(biāo)靶掃描，標(biāo)靶掃描分為兩部分：第一部分為掃描后期用于對站站之間數(shù)據(jù)進行拼接的標(biāo)靶球，原則上保證站站之間有兩個公共標(biāo)靶球； 第二部分為掃描現(xiàn)場布置的黑白標(biāo)靶，通過全站儀獲取黑白標(biāo)靶在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，如圖8所示，用于后期點云數(shù)據(jù)的定位。同時，通過標(biāo)靶點位之間的距離與全站儀數(shù)據(jù)進行對比，驗證三維掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

圖8 標(biāo)靶紙和標(biāo)靶球布置

拼裝階段掃描完成后，合并所有的點云數(shù)據(jù)，并檢查每次掃描的質(zhì)量與精度，清除其他多余的掃描數(shù)據(jù)，若點云數(shù)據(jù)需要定位還需在給模型賦予坐標(biāo)并檢查坐標(biāo)之間的精度，生成最終所需要的點云模型，如圖9所示。

圖9 地面拼裝階段點云模型

網(wǎng)架提升區(qū)脫胎完成后進行旋轉(zhuǎn)提升，選取結(jié)構(gòu)特征區(qū)域進行四級掃描分析?？紤]到掃描的便利性和結(jié)構(gòu)施工特點，選取中央桁架區(qū)端部作為掃描特征區(qū)域，該區(qū)域提升過程中線位移最大，掃描結(jié)果更易分析。分別在結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)1°、2°、3°和旋轉(zhuǎn)就位四個狀態(tài)下進行三維掃描，獲取提升施工特定階段結(jié)構(gòu)位形變化。預(yù)先處理好四個狀態(tài)下特征區(qū)域的深化模型，將掃描后結(jié)構(gòu)測量區(qū)域的點云數(shù)據(jù)與深化模型擬合，進行偏差分析。將數(shù)據(jù)結(jié)果與全站儀測量結(jié)果及有限元分析結(jié)果進行對比，判斷結(jié)構(gòu)姿態(tài)是否與施工仿真預(yù)設(shè)姿態(tài)一致。若出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)大于不同步仿真得出的容許偏差最大值的情況，則通過調(diào)節(jié)提升吊點使其回歸至理論位形。

3.3 結(jié)構(gòu)成形態(tài)

結(jié)構(gòu)卸載完成后進行整體掃描，由于掃描儀受振動影響明顯，若掃描結(jié)構(gòu)上弦，風(fēng)振和現(xiàn)場施工造成的結(jié)構(gòu)振動會影響掃描效率和質(zhì)量； 考慮到下弦節(jié)點位移分布與上弦基本一致，在結(jié)構(gòu)成形之后掃描結(jié)構(gòu)下弦，作為屋面和吊頂施工的依據(jù)。結(jié)構(gòu)下弦高度最高在24m左右，設(shè)置掃描半徑50m，總計掃描36站，掃描用時約9小時。獲取成形態(tài)三維點云數(shù)據(jù)，如圖10所示，經(jīng)Sence軟件降噪和外點去除，處理后的點云文件導(dǎo)入Navisworks，并在軟件中將BIM模型與點云數(shù)據(jù)擬合，對于已經(jīng)提升就位的構(gòu)件，需要設(shè)置多個標(biāo)靶紙進行空間定位，得到模型后可自動擬合[9-10]，在軟件中直接與BIM模型進行對比分析。

圖10 成形態(tài)結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)

4 監(jiān)測結(jié)果分析

工廠加工階段對鑄鋼節(jié)點和候車層梁柱節(jié)點通過三維掃描進行偏差分析，如圖11所示，根據(jù)分析結(jié)果可以看出，鑄鋼節(jié)點采用鑄造工藝，節(jié)點精度相對較高，支管端口偏差在2mm以內(nèi)，桿件圓角部分最大偏差在5mm以內(nèi)。候車層梁柱節(jié)點端口偏差控制在4mm以內(nèi)，滿足現(xiàn)場鋼筋搭接和對接精度要求。

圖11 節(jié)點尺寸偏差分析結(jié)果

選取采光頂桁架進行虛擬預(yù)拼裝，桁架構(gòu)件工廠加工完成后采用三維掃描獲取對接端口模型，在計算機中模擬實體預(yù)拼裝過程，分析端口偏差數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場拼裝可能存在的錯邊、扭轉(zhuǎn)等偏差進行模擬，如圖12所示。對不滿足相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準要求的構(gòu)件在工廠進行調(diào)整，大大提高了現(xiàn)場拼裝精度和施工效率。經(jīng)虛擬預(yù)拼裝分析，桁架端口最大錯口值在1.5mm以內(nèi)，滿足《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收標(biāo)準》的相關(guān)要求。

圖12 桁架虛擬預(yù)拼裝分析

現(xiàn)場拼裝階段對網(wǎng)架提升區(qū)與桁架提升區(qū)拼接區(qū)域進行三維激光掃描，根據(jù)現(xiàn)場的實際考察情況，采取多站點掃描方式，掃描模式選擇室外長距離掃描，單次掃描時間九分鐘。以2區(qū)為例，總計掃描11站，掃描總時長一個半小時，選取2區(qū)的分析結(jié)果進行說明，如圖13所示。

圖13 掃描分區(qū)布置圖

從對比分析圖中可知，2區(qū)管口最大整體偏差31mm，出現(xiàn)在8號管口，豎直方向偏差18.6mm，水平方向偏差17.8mm，Z方向偏差18.6mm。滿足現(xiàn)場的拼裝驗收要求，如圖14所示。

圖14 2區(qū)結(jié)構(gòu)拼裝精度

根據(jù)杭州西站屋蓋結(jié)構(gòu)布置和施工特點，選取中央桁架區(qū)端部作為施工過程掃描的特征區(qū)域。為驗證三維激光掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，同時采用全站儀對掃描特征區(qū)域關(guān)鍵點進行測量，并與三維激光掃描分析數(shù)據(jù)及施工仿真數(shù)據(jù)進行對比。

根據(jù)圖15可以看出，各階段三維激光掃描分析得到的測點水平位移和全站儀測量結(jié)果基本一致，兩組數(shù)據(jù)的標(biāo)準差也基本相同，實測結(jié)果與理論計算數(shù)值相比誤差普遍在9%左右。說明三維激光掃描分析得到的數(shù)據(jù)準確，波動性小，滿足現(xiàn)場監(jiān)測的精度和穩(wěn)定性要求。

圖15 四級監(jiān)測測點豎向位移統(tǒng)計

屋蓋提升至設(shè)計位形、卸載完成后對結(jié)構(gòu)下弦層進行整體掃描。將結(jié)構(gòu)成形態(tài)點云數(shù)據(jù)與BIM整體模型擬合，如圖16 所示，分析屋蓋成形態(tài)偏差。將偏差分析結(jié)果與施工仿真結(jié)果對比，施工仿真考慮旋轉(zhuǎn)提升施工過程中的變形累計，荷載考慮結(jié)構(gòu)自重和施工活載。

圖16 結(jié)構(gòu)成形態(tài)位移監(jiān)測結(jié)果云圖

根據(jù)掃描結(jié)果可知，完工成型后屋蓋偏差大部分在-20至55mm，最大偏差99mm，出現(xiàn)在采光頂桁架局部區(qū)域。施工仿真結(jié)果云圖如圖17 所示，從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)整體偏差在-10至52mm，最大偏差為78mm，同樣出現(xiàn)在采光頂桁架位置。對比三維激光掃描分析結(jié)果和施工仿真數(shù)據(jù)，屋蓋結(jié)構(gòu)成形態(tài)位形與仿真結(jié)構(gòu)基本一致，實測最大偏差出現(xiàn)位置相同，偏差數(shù)值比仿真結(jié)果大21mm。屋蓋結(jié)構(gòu)整體偏差滿足《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準》和《鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》的相關(guān)要求。

圖17 結(jié)構(gòu)成形態(tài)位移仿真云圖

5 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)相對于傳統(tǒng)技術(shù)在精度、速度和整體性監(jiān)測上都有巨大的優(yōu)勢。在杭州西站進行了鋼結(jié)構(gòu)建造全過程的變形監(jiān)測，涵蓋加工、拼裝、提升和結(jié)構(gòu)成形態(tài)的點云數(shù)據(jù)與監(jiān)測結(jié)果。與全站儀的測量結(jié)果進行了對比，證明三維激光掃描得到的數(shù)據(jù)精度與穩(wěn)定性均滿足現(xiàn)場監(jiān)測的要求，可作為大型空間鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測新手段進行推廣應(yīng)用，后續(xù)可在點云數(shù)據(jù)處理上開展進一步研究。