三維激光掃描技術(shù)在幕墻施工中的應(yīng)用

卞濤 楊政寶 曹大偉

幕墻，顧名思義就是建筑物的一件外衣。幕墻是建筑物的靈魂，是建筑風(fēng)格水平的外在表現(xiàn)，幕墻不斷的更新?lián)Q代推動(dòng)了整個(gè)建筑業(yè)的迅速發(fā)展。正因如此，幕墻安裝要符合玻璃幕墻安裝施工質(zhì)量要求,主體結(jié)構(gòu)工程應(yīng)滿足幕墻安裝的基本條件,特別是主體結(jié)構(gòu)的垂直度和外表平整度及結(jié)構(gòu)的尺寸偏差,必須達(dá)到有關(guān)施工及驗(yàn)收規(guī)范的要求。本文就青島世界園藝博覽會(huì)植物館幕墻施工中的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行探討。

1 工程概況

青島世界園藝博覽會(huì)植物館工程位于青島市李滄區(qū)天水路北百果山森林公園內(nèi)，建筑總面積為12367平方米，建筑高度為35米，地下一層為鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，地上部分為鋼結(jié)構(gòu)，分為A、B、C、D四個(gè)館，本工程的幕墻形式為點(diǎn)支式玻璃幕墻，即采用鋼結(jié)構(gòu)作為玻璃的支撐受力體系,在鋼結(jié)構(gòu)上伸出點(diǎn)駁件用于固定玻璃幕墻。

2 測(cè)量方案的選擇

青島世界園藝博覽會(huì)植物館工程的設(shè)計(jì)理念源于樹葉，主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)易變形，故給幕墻施工帶來(lái)很大難度。為了保證幕墻能夠順利的施工，我們共制定了三種測(cè)量方案：近景攝影測(cè)量方案、三維激光掃描方案、免棱鏡測(cè)量方案。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐并綜合考慮施工工期和測(cè)量精度這兩個(gè)要素，發(fā)現(xiàn)近景攝影測(cè)量方案在測(cè)量精度上得不到保證，且三維激光掃描和免棱鏡測(cè)量任何一個(gè)單獨(dú)的方案都不能保證幕墻的施工進(jìn)度，因此最終制定了三維激光掃描技術(shù)和免棱鏡測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的測(cè)量方案。此方案分為控制網(wǎng)的布設(shè)、三維激光掃描、免棱鏡測(cè)量。免施工干擾和便于長(zhǎng)期保存。

本工程共分為A、B、C、D四個(gè)館，主體結(jié)構(gòu)都為鋼結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的踏勘在A、B、C、D四個(gè)場(chǎng)館的周圍布設(shè)高精度的施工控制網(wǎng)。

3 施工控制網(wǎng)的布設(shè)

施工控制網(wǎng)是在施工期間為測(cè)設(shè)工程建筑而服務(wù)的，其布設(shè)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)總圖和施工總圖，結(jié)合場(chǎng)區(qū)的條件統(tǒng)一考慮的。在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，既要考慮建筑工地的整體要求（絕對(duì)精度），又要考慮建筑物的局部要求（相對(duì)精度），且控制點(diǎn)之間要通視良好，使用方便，盡量避

3.1 導(dǎo)線測(cè)量

首先在A、B、C、D四個(gè)場(chǎng)館的周圍進(jìn)行踏勘，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和考慮到后期控制點(diǎn)的保護(hù)問(wèn)題，在四個(gè)場(chǎng)館的周圍布設(shè)了九個(gè)控制點(diǎn)。控制點(diǎn)選定后，用徠卡TS15全站儀利用測(cè)回法進(jìn)行四等導(dǎo)線測(cè)量。

3.2 水準(zhǔn)測(cè)量

在A、B、C、D四個(gè)場(chǎng)館周圍選定了九個(gè)控制點(diǎn)之間利用天寶DiNi12高精度電子水準(zhǔn)儀的進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量。

導(dǎo)線測(cè)量的精度

水準(zhǔn)測(cè)量的精度

3.3 平差計(jì)算

在A、B、C、D四個(gè)場(chǎng)館布設(shè)的9個(gè)控制點(diǎn)中有兩個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn)（已知點(diǎn)的坐標(biāo)為青島地方坐標(biāo)系下的坐標(biāo)）。導(dǎo)線測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量完畢后，將外業(yè)的測(cè)量數(shù)據(jù)根據(jù)最小二乘原理分別進(jìn)行平差。平差結(jié)束后得到9個(gè)控制點(diǎn)在青島地方坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，即施工控制網(wǎng)布設(shè)完畢。

4 三維激光掃描儀對(duì)四個(gè)場(chǎng)館掃描

本工程用的掃描儀為FARO的Focus3D激光掃描儀，其垂直掃描視野為305°、水平掃描視野為360°、垂直步長(zhǎng)：0.009°(360°含40,960三維像素)、水平步長(zhǎng)：0.009°(360°含40,960三維像素)、最大垂直掃描速度：5,820rpm或97Hz、測(cè)距誤差：10米和25米時(shí)為±2mm。

4.1 標(biāo)靶的三維坐標(biāo)測(cè)量

為了將各測(cè)站的三維激光掃描數(shù)據(jù)拼接整合成全區(qū)域的三維點(diǎn)云，對(duì)每一測(cè)站掃描時(shí)，布設(shè)不少于3個(gè)標(biāo)靶，標(biāo)靶布設(shè)完畢后，在相應(yīng)位置的控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀利用免棱鏡法測(cè)量出所有標(biāo)靶在施工坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)坐，從而直接得到每一測(cè)站點(diǎn)云在場(chǎng)地施工坐標(biāo)系下的相對(duì)位置。

4.2 分站掃描

考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的通視和三維激光掃描儀的覆蓋狀況，布設(shè)不同的測(cè)站以實(shí)現(xiàn)對(duì)A、B、C、D四個(gè)場(chǎng)館三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，在選擇測(cè)站時(shí)遵循的原則為掃描覆蓋面積最大和掃描精度最高。具體的分站數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)A、B、C、D四個(gè)場(chǎng)館的占地面積和跨度而定。

分站掃描示意圖

4.3 分站數(shù)據(jù)的拼接

待分站掃描結(jié)束后，要將所有分站掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。分站掃描數(shù)據(jù)的拼接是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)直徑的標(biāo)靶球來(lái)完成的，即在分站掃描時(shí)要在掃描的視角范圍內(nèi)布設(shè)用于與下一站進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接的標(biāo)靶球（相鄰測(cè)站之間的標(biāo)靶球在兩測(cè)站未掃描完畢時(shí)不允許移動(dòng)）。用三維激光掃描儀自帶的數(shù)據(jù)后處理軟件將所有的分站掃描數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)靶球進(jìn)行拼接處理，拼接完畢后將所有數(shù)據(jù)整合成一個(gè)整體

4.4 三維激光掃描數(shù)據(jù)的處理

激光掃描數(shù)據(jù)的主要處理包括：坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云裁剪及噪聲點(diǎn)的提出、點(diǎn)云坐標(biāo)的拾取、點(diǎn)云坐標(biāo)導(dǎo)出。

4.4.1 坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

三維激光掃描儀每一次掃描的數(shù)據(jù)都是使用的它自身所設(shè)定的工程坐標(biāo)系統(tǒng)。為了檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)主體的變形和保證幕墻工程的施工，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成施工坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。本工程點(diǎn)云坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換通過(guò)前期測(cè)設(shè)標(biāo)靶紙?jiān)谑┕ぷ鴺?biāo)系下的坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即通過(guò)標(biāo)靶紙?jiān)谑┕ぷ鴺?biāo)系下的坐標(biāo)和在三維激光掃描儀自身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)用七參數(shù)法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

4.4.2 點(diǎn)云裁剪以及噪聲點(diǎn)剔除

在對(duì)四個(gè)場(chǎng)館進(jìn)行掃描時(shí)往往存在施工人員、車輛機(jī)械等遮擋物，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中測(cè)掃描體表面形成空洞，造成數(shù)據(jù)缺失。同時(shí)對(duì)場(chǎng)館的某一個(gè)面進(jìn)行掃描時(shí)，激光往往會(huì)通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)之間的空隙對(duì)其他地方進(jìn)行掃描形成冗余數(shù)據(jù)。剔除冗余數(shù)據(jù)，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，提取掃描物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大導(dǎo)致后期處理困難，根據(jù)建模精度要求，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。在進(jìn)行重采樣處理過(guò)程中，數(shù)據(jù)將因平均而降低。本次擬采用2*2對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，將大大減小數(shù)據(jù)冗余度，且保證了數(shù)據(jù)的完整性，并且能夠滿足本工程的施工精度要求。

4.4.3 點(diǎn)云坐標(biāo)的拾取和導(dǎo)出

在大量的掃描數(shù)據(jù)中將有用的點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記并拾取，然后將拾取的所有點(diǎn)直接輸出到CAD中進(jìn)行建模。

5 鋼結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)和玻璃提料

四個(gè)場(chǎng)館掃描結(jié)束后，將輸出的CAD模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比以觀測(cè)鋼結(jié)構(gòu)的變形，同時(shí)利用拾取出來(lái)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和CAD模型去完成A、B、C、D四個(gè)場(chǎng)館玻璃幕墻的下料工作。通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)掃描來(lái)完成玻璃的下料工作，保證了本工程幕墻工作的順利施工。通過(guò)將三維激光掃描技術(shù)引用到幕墻的施工測(cè)量中來(lái)并與免棱鏡測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，使得青島世界園藝博覽會(huì)植物館工程的工期得以保證。同時(shí)也為本工程的幕墻順利施工做出了巨大的貢獻(xiàn)。

三維激光掃描儀掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)在眾多方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在本次工程中其與免棱鏡測(cè)量方法的結(jié)合第一次在幕墻施工測(cè)量的應(yīng)用取得了成功，為今后提高幕墻的施工測(cè)量精度和改進(jìn)幕墻的測(cè)量方法奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也體現(xiàn)了幕墻施工與現(xiàn)代高科技測(cè)量技術(shù)緊密結(jié)合的必要性和重要性,也為園區(qū)數(shù)字化做出了相應(yīng)的貢獻(xiàn)。

[1]GB50026-93.《工程測(cè)量規(guī)范》

[2]李青岳,陳永奇.工程測(cè)量學(xué).北京:測(cè)繪出版社,1984.

[3]陳龍飛,金其坤.工程測(cè)量.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1990.