王開誠(chéng),許志強(qiáng),赫海濤,王寶迪,廖靜瑜,路宏杰,張亞軍

(1.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司,北京 100000,2.深圳普達(dá)核工業(yè)數(shù)字測(cè)控有限公司,廣東 深圳 518120)

1 引 言

施工放樣是工程施工的關(guān)鍵基礎(chǔ)作業(yè),是將設(shè)計(jì)圖紙上建筑物的平面及高程坐標(biāo)采用一定的測(cè)量技術(shù)在實(shí)地標(biāo)定出來(lái),并作為其他施工活動(dòng)的依據(jù),其對(duì)工程施工質(zhì)量及進(jìn)度有著直接影響。準(zhǔn)確、周密的定位放線工作不但關(guān)系到一個(gè)工程是否能順利按圖施工,還為工程質(zhì)量提供重要的技術(shù)保證,為工程質(zhì)量檢查等工作提供方法和手段[1]。

當(dāng)前核電廠建安領(lǐng)域主要通過全站儀實(shí)現(xiàn)各設(shè)備設(shè)施安裝的定位點(diǎn)放樣,該方法主要通過架設(shè)全站儀測(cè)量反射棱鏡獲取當(dāng)前坐標(biāo)值,并與理論放樣值進(jìn)行偏差計(jì)算,再反復(fù)移動(dòng)反射棱鏡直至在理論放樣位置時(shí)進(jìn)行劃線,該方法施工效率較低,需要測(cè)量人員多次調(diào)整直至找到理論放樣位置;對(duì)人員技能水平依賴性較高,單點(diǎn)放樣時(shí)間往往取決于測(cè)量人員持反射棱鏡找點(diǎn)時(shí)間,現(xiàn)場(chǎng)放樣時(shí)間占據(jù)了設(shè)備安裝工期的大量時(shí)間,嚴(yán)重影響項(xiàng)目工程進(jìn)度和施工質(zhì)量。

施工放樣作為工程建設(shè)的基礎(chǔ),一直備受國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的關(guān)注,在施工放樣方法改進(jìn)方面近些年也有一定的研究。其中國(guó)內(nèi)學(xué)者李昂、熊文豪、彭輝等人在2022年提出基于BIM放樣機(jī)器人的快速施工放樣技術(shù)研究,他認(rèn)為基于BIM的放樣機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)BIM技術(shù)圖紙的三維化應(yīng)用,在施工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)BIM技術(shù)平臺(tái)構(gòu)建的三維虛擬模型進(jìn)行放線作業(yè)[2],相較傳統(tǒng)的全站儀放樣方式智能化程度更高,其現(xiàn)場(chǎng)放樣形式與全站儀類似,均為單點(diǎn)測(cè)量;另外國(guó)內(nèi)學(xué)者錢躍磊、關(guān)小果、李陽(yáng)等人提出了GNSS技術(shù)在工程放樣中的應(yīng)用研究,他們認(rèn)為在施工放樣中GNSS技術(shù)相較于全站儀雖然放樣精度不高,但該方法無(wú)需架站定向,操作方便、勞動(dòng)強(qiáng)度小,能全天24 h作業(yè),在施工效率方面有很大的提升[3]。

綜上分析,上述研究成果雖然對(duì)提高施工放樣效率方面有一定成效,但在提高效率同時(shí)保障測(cè)量精度的前提下,尚無(wú)法滿足核電廠快速施工放樣的需求。為了解決這一難題,本文主要提出了應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)核電廠快速施工放樣的方法,近些年三維激光投影技術(shù)得到飛速發(fā)展,其能夠以激光線條的方式將三維模型聚焦投影至工作面上,具有精度高、柔性化、易控制等特點(diǎn),在大型工件制造及裝配數(shù)字化定位中得到廣泛應(yīng)用[4]。本文通過分析三維激光投影技術(shù)特點(diǎn)和工作方法,以及在某核電項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用和對(duì)比分析,驗(yàn)證了其在核電廠施工快速放樣中的可行性,解決傳統(tǒng)放樣方法施工效率低、人力投入成本高等問題,對(duì)提高施工效率、保障核電建造質(zhì)量、推動(dòng)我國(guó)核電施工技術(shù)向智能化、數(shù)字化發(fā)展具有重要意義。

2 三維激光投影技術(shù)介紹

2.1 三維激光投影技術(shù)原理

三維激光投影系統(tǒng)采用機(jī)械掃描的設(shè)計(jì)思路,利用電流大小控制振鏡電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)振鏡的高速掃描。利用兩套獨(dú)立振鏡系統(tǒng)組合成二維掃描,具有較大的轉(zhuǎn)角范圍和大視場(chǎng)掃描[5]。

如圖1所示,在計(jì)算機(jī)通過數(shù)字板卡發(fā)出指令后驅(qū)動(dòng)電路將將驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出準(zhǔn)直激光束,入射到X軸反射鏡上,經(jīng)過X軸振鏡的偏轉(zhuǎn)掃描實(shí)現(xiàn)水平方向反射,激光束再入射至Y軸反射鏡上,經(jīng)過Y軸振鏡的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)俯仰方向反射,即可將激光束投影到工作面上,通過變換兩軸振鏡的夾角,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)待投影工作面的往復(fù)掃描,形成完整連續(xù)的三維激光束輪廓[6],從而完成投影工作面上的激光三維投影。

圖1 三維激光投影技術(shù)原理

2.2 三維激光投影設(shè)備

本次選用因凱自動(dòng)化技術(shù)有限公司提供的RayTracer高精度激光投影儀,該儀器主要由主機(jī)(激光器、準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置、聚焦裝置、高速二維振鏡及控制板卡等)、支撐三腳架、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)操控軟件等組成。能夠?qū)崿F(xiàn)精確可靠的遠(yuǎn)距離投影和高級(jí)軌跡控制,其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 RayTracer高精度激光投影儀技術(shù)參數(shù)

2.3 三維激光投影技術(shù)在核電廠施工放樣中應(yīng)用的可行性分析

為了分析三維激光掃描技術(shù)在核電廠施工放樣中應(yīng)用的可行性,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)主要施工專業(yè)的放樣精度和施工場(chǎng)景進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和和數(shù)據(jù)收集,并匯總?cè)绫?所示。

表2 核電廠主要專業(yè)施工放樣需求調(diào)研數(shù)據(jù)

從表2中可以看出,目前核電廠主要施工專業(yè)的放樣環(huán)境位于房間內(nèi),測(cè)量范圍最大為10 m,放樣精度最高為1 mm,而在放樣形式方面各個(gè)專業(yè)根據(jù)具體施工活動(dòng)有著各自的需求,其中管道、電氣、通風(fēng)方面需要設(shè)備就位的中心軸線,在預(yù)制加工方面需要先將加工尺寸形狀放樣出來(lái)才能進(jìn)行加工。但受制于全站儀的單點(diǎn)放樣方式,目前主要是通過全站儀放出關(guān)鍵點(diǎn)位,如直線兩端點(diǎn),再由施工人員進(jìn)行連線,形成設(shè)備中心軸線進(jìn)行安裝就位。

而從表1中可以看出三維激光投影系統(tǒng)測(cè)量精度為0.25 mm/5 m,投影距離最大為15 m,考慮到現(xiàn)場(chǎng)主要放樣場(chǎng)景和范圍,其放樣在10 m位置的精度則為0.5 mm,滿足其最大1 mm的精度要求。其次該系統(tǒng)支持CAD三維模型導(dǎo)入功能,可實(shí)現(xiàn)直線、圓周、三維線框等多種投影方式,相較于全站儀的放樣方式,三維激光投影技術(shù)能夠較好的滿足現(xiàn)場(chǎng)放樣需求。

3 三維激光投影技術(shù)在核電廠快速施工放樣中的應(yīng)用

3.1 總體實(shí)施思路

三維激光投影技術(shù)在核電廠快速施工放樣中的總體實(shí)施思路主要分為技術(shù)準(zhǔn)備階段、現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備階段、投影放樣階段和質(zhì)量檢查階段這4個(gè)主要方面。每個(gè)階段均有具體的工作內(nèi)容和詳細(xì)的實(shí)施思路[7],如圖2所示。

圖2 總體實(shí)施思路

3.2 技術(shù)準(zhǔn)備

在前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行放樣前,需要進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備工作。首先進(jìn)行圖紙資料的了解,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探勘,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和放樣需求確定放樣儀器、施工人員和主要施工方法,編制實(shí)施方案并進(jìn)行技術(shù)交底,確保施工人員在現(xiàn)場(chǎng)能夠安全、有效的完成放樣工作。

3.3 儀器現(xiàn)場(chǎng)定位

3.3.1 目標(biāo)定位點(diǎn)介紹

目標(biāo)定位點(diǎn)主要作用是用于三維激光投影系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)定位,由具有回光反射材料的反射膜制作而成,這種回光反射膜一面,由直徑大約 50 um 的玻璃微珠或微晶立方角體組成。如圖3所示,每個(gè)微珠具有貓眼或反射棱鏡功能,將反射光由入射光的方向反射回去[8],通過低強(qiáng)度曝光就可以產(chǎn)生高對(duì)比度標(biāo)志圖像,從而實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確而可靠的定位。而定位點(diǎn)的布設(shè)需要覆蓋整個(gè)投影范圍,在不同高度上呈空間立體式進(jìn)行布設(shè)。

圖3 目標(biāo)定位點(diǎn)反射示意圖

3.3.2 儀器現(xiàn)場(chǎng)定位

在使用三維激光投影系統(tǒng)進(jìn)行放樣前,該系統(tǒng)與投影工作面相對(duì)位置關(guān)系的確定是能否實(shí)現(xiàn)精確放樣的前提,即系統(tǒng)在進(jìn)行定位放樣之前應(yīng)先完成投影坐標(biāo)系與現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換工作,將投影坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化至現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)系之內(nèi)[9]。

其中,投影坐標(biāo)系是依托于現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)系而建立的,在投影工作面上布置若干個(gè)目標(biāo)定位點(diǎn)(通常為6個(gè)),這些目標(biāo)定位點(diǎn)通過其他測(cè)量系統(tǒng)(如全站儀、激光跟蹤儀、攝影測(cè)量系統(tǒng)等)測(cè)量出它們現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際坐標(biāo)信息。

在布設(shè)定位點(diǎn)并獲取其現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)信息后,三維激光投影系統(tǒng)通過控制二維振鏡使激光束準(zhǔn)確掃描到這些目標(biāo)定位點(diǎn),控制器分別記錄激光束掃描到各目標(biāo)定位點(diǎn)時(shí)X軸檢流計(jì)和Y軸檢流計(jì)的偏轉(zhuǎn)角度值水平角H、俯仰角V,利用坐標(biāo)系的平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣完成投影坐標(biāo)系和現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)系的變換,再通過計(jì)算得到二維振鏡偏轉(zhuǎn)角度值與現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)關(guān)系,最終確定投影系統(tǒng)與被投影工作面之間的精確位置關(guān)系,完成系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)定位工作[10]。圖4為儀器現(xiàn)場(chǎng)定位示意圖。

圖4 儀器現(xiàn)場(chǎng)定位示意圖

3.4 投影放樣階段

投影放樣階段主要包括放樣數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、放樣數(shù)據(jù)的選擇及現(xiàn)場(chǎng)投影這兩個(gè)步驟。

3.4.1 放樣數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

三維激光投影系統(tǒng)放樣根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求有兩種不同的數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式,其中放樣定位點(diǎn)、直線可進(jìn)行放樣程序編輯,導(dǎo)入放樣點(diǎn)坐標(biāo)信息進(jìn)行放樣;如需要放樣三維模型可直接將三維模型文件導(dǎo)入至軟件中,選取所需要放樣的圖形進(jìn)行投影即可。

(1)放樣程序編輯

在進(jìn)行定位點(diǎn)放樣時(shí),通常需要在TXT格式文本中進(jìn)行放樣程序編輯,輸入目標(biāo)定位點(diǎn)坐標(biāo)信息和放樣點(diǎn)信息,將該文件導(dǎo)入至軟件中即可進(jìn)行投影。

如圖5所示,目標(biāo)定位點(diǎn)“$*TARGET 1 436.036290 0.555807 184.700351 TGT_1”則為定位點(diǎn)1的坐標(biāo)信息,以點(diǎn)位編號(hào)X值坐標(biāo)、Y值坐標(biāo)、Z值坐標(biāo) TGT_1 格式依次編寫,中間用空間進(jìn)行間隔標(biāo)識(shí)。

圖5 放樣程序編輯及放樣點(diǎn)、直線導(dǎo)入

放樣點(diǎn)的編寫與目標(biāo)定位點(diǎn)基本一致,都是X、Y、Z坐標(biāo)的順序,放樣點(diǎn)是以線的方式進(jìn)行編輯。首先輸入首個(gè)點(diǎn),然后根據(jù)圖形順序進(jìn)行依次輸入。

(2)三維模型文件導(dǎo)入

三維激光投影系統(tǒng)支持STEP、IGES、SAT等三維格式文件導(dǎo)入,只需通過導(dǎo)入功能選擇對(duì)應(yīng)的格式即可完成三維模型導(dǎo)入工作,如圖6所示。

圖6 三維模型導(dǎo)入

3.4.2 放樣數(shù)據(jù)的選擇及投影

在完成放樣數(shù)據(jù)導(dǎo)入后,通過選擇投影數(shù)據(jù)(點(diǎn)、直線、三維模型等)即可完成投影操作,系統(tǒng)根據(jù)指令在投影工作面上投影出相應(yīng)的圖形。

其操作方法較為簡(jiǎn)便,通過操控軟件中的儀器-激光發(fā)射器-投影對(duì)象功能,選擇相應(yīng)的投影對(duì)象后即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速批量化放樣。如圖7所示,以本次投影為例,可一次性放樣4個(gè)支架的定位點(diǎn),且以直線方式進(jìn)行投影,施工工人可直接進(jìn)行劃線,大幅提升現(xiàn)場(chǎng)施工效率。表3為放樣數(shù)據(jù)。

表3 支架定位點(diǎn)三維激光投影系統(tǒng)放樣數(shù)據(jù)

圖7 現(xiàn)場(chǎng)支架定位點(diǎn)批量化放樣

3.5 質(zhì)量檢查

在工程施工中為了保障放樣質(zhì)量,通常會(huì)使用其他測(cè)量手段進(jìn)行復(fù)核,如圖8所示,如通過卷尺拉距墻尺寸反算、第三方點(diǎn)位檢查等,如要條件可以使用其他測(cè)量?jī)x器對(duì)放樣點(diǎn)進(jìn)行抽檢。為了驗(yàn)證三維激光放樣系統(tǒng)在實(shí)際放樣過程中可行性,本次采用目前工程主要測(cè)量?jī)x器全站儀對(duì)放樣點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè),表4為檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表4 支架定位點(diǎn)全站儀復(fù)查數(shù)據(jù)

圖8 支架定位點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)查

3.6 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

將三維激光投影系統(tǒng)放樣數(shù)據(jù)與全站儀復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,如表5所示,兩次數(shù)據(jù)最大偏差RMS(均方根)為0.36 mm,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工放樣1 mm的精度要求。

4 影響放樣精度的誤差分析

測(cè)量誤差是普遍存在的,且是可以積累的,這是受設(shè)備人員環(huán)境等因素影響的必然結(jié)果。在三維激光投影放樣過程中,若忽視微小偏差帶來(lái)的影響,則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性的誤差累積,必然影響整體測(cè)量精度。因此,需要采取各種方法手段來(lái)削弱誤差對(duì)系統(tǒng)性測(cè)量帶來(lái)的影響。

4.1 儀器誤差分析

儀器方面影響放樣精度的因素主要包括系統(tǒng)定位誤差和機(jī)械磨損誤差。其中系統(tǒng)定位誤差是施工放樣的主要誤差來(lái)源。三維激光投影系統(tǒng)在進(jìn)行定位時(shí)需要測(cè)量目標(biāo)定位點(diǎn),而其定位坐標(biāo)的準(zhǔn)確性取決于反射膜的好壞和定位反射膜安裝位置的好壞[11],以及兩次測(cè)量之間的儀器系統(tǒng)誤差也將造成系統(tǒng)定位誤差的產(chǎn)生,該誤差主要通過重復(fù)測(cè)量和目標(biāo)定位點(diǎn)的維護(hù)來(lái)進(jìn)行減弱。

而機(jī)械磨損老化誤差主要是由于激光器長(zhǎng)時(shí)間、高速旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)系統(tǒng)主軸帶來(lái)?yè)p傷,而主軸的機(jī)械磨損將導(dǎo)致激光器不能保持恒定的速度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)[11],從而對(duì)系統(tǒng)定位和投影放樣精度造成影響,該誤差是日積月累形成的,在使用過程中注意儀器保養(yǎng)可以延長(zhǎng)使用壽命。

4.2 環(huán)境影響分析

在放樣過程中所處環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)力、大氣折射、能見度等因素屬于不可控的因素,這些因素變化對(duì)測(cè)量結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在本應(yīng)用場(chǎng)景范圍下分析,其主要在室內(nèi)進(jìn)行投影放樣,主要環(huán)境誤差來(lái)源是架設(shè)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。即架設(shè)的基礎(chǔ)面發(fā)生震動(dòng)、沉降都將導(dǎo)致投影系統(tǒng)發(fā)生位移,從而導(dǎo)致投影放樣數(shù)據(jù)發(fā)生偏差。該誤差主要通過拉取警戒帶、禁止放樣區(qū)域較大的吊裝、切割作業(yè)等措施進(jìn)行規(guī)避。

4.3 人為因素影響分析

三維激光投影工作的開展主要依靠人員的操作進(jìn)行,人員的專業(yè)能力水平是存在差異性的,不同人員的測(cè)量操作方法會(huì)有一定的區(qū)別,不同的操作人員進(jìn)行操作也會(huì)造成誤差,可以通過加強(qiáng)操作人員的技能培訓(xùn),提高技術(shù)操作人員的熟練程度來(lái)降低人員操作的誤差[11]。

5 結(jié) 論

文中主要提出了應(yīng)用三維激光投影技術(shù)實(shí)現(xiàn)核電廠快速施工放樣的方法,通過可行性分析和在某核電項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。以及與目前主要放樣儀器全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析,可以得出相較于傳統(tǒng)放樣方法,三維激光投影技術(shù)可以一次投射出視場(chǎng)范圍內(nèi)的所有定位點(diǎn)和圖形,實(shí)現(xiàn)快速、批量化放樣,通過與全站儀的復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析來(lái)看,其最大偏差為0.36 mm,能夠較好的滿足現(xiàn)場(chǎng)施工放樣1 mm的精度要求。

三維激光投影技術(shù)作為一種新興的數(shù)字化定位技術(shù),能夠以數(shù)字激光線條形式一次投影成型的方式進(jìn)行智能放樣,相較于傳統(tǒng)施工放樣方式,大幅提高施工效率,保障施工質(zhì)量,在核電廠快速施工放樣中具有一定的應(yīng)用前景,在提高我國(guó)核電領(lǐng)域基礎(chǔ)施工智能技術(shù)裝備水平,推動(dòng)施工技術(shù)裝備向數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化與現(xiàn)場(chǎng)施工相融合方向發(fā)展具有重要意義。