三維激光掃描技術在鋼結構數字模擬預拼裝方面的應用

高 騰 季 峰 王春林 王 巖

中建鋼構有限公司 江蘇 靖江 214532

鋼結構預拼裝是在現場安裝之前鋼構件檢驗的一項重要措施。據相關數據統計，鋼結構實體預拼裝雖然最接近現場安裝，但是需要消耗大量的人力、材料、設備以及相應大小的場地（圖1），占鋼構件制造總成本的10%～25%。然而常規的數字模擬預拼裝技術在彌補了不足的同時，也存在著不直觀、不精確等問題。本文引入三維激光掃描技術探索數字模擬預拼裝的新方法。

圖1 實體預拼裝現場作業

1 原理與分析

近年來，鋼結構模擬預拼裝中出現的數字模擬預拼裝的方法，其基本思路是通過對預拼裝的構件進行數碼相機拍照、全站儀測量等工作，將圖像、坐標等數據輸入計算機，與預先存入計算機的理論坐標值進行對比，對比的偏差就是構件預拼裝的誤差，再與實際工藝要求的構件拼裝可允許最大誤差進行對比。但是此種方法的結果不盡如人意，首先，一個工程的構件數量眾多，海量的定位點、特征點均需人工操作，工作量巨大；再者，所有的測量數據被輸入計算機，只是進行實測值與理論值的對比，真實的拼裝效果讓人質疑。

三維激光掃描技術應用于鋼結構數字模擬預拼裝的原理，是利用其能在短時間內測量出千萬級數量點云數據的技術優勢，從而快速復制出鋼構件的三維點云模型。將不同編號構件的點云模型導入計算機，再按照工藝設計的定位點建立模型坐標系，將不同坐標系狀態下構件的點云模型統一到同一坐標系中，自動實現數字模擬預拼裝。

2 作業流程

利用三維激光掃描進行數字模擬預拼裝的作業流程主要分為預拼裝方案的制訂、外業點云采集和內業模型處理三大部分。

2.1 預拼裝方案的制訂

根據實際工程量、構件結構情況、制作周期和掃描任務量等重要因素，制訂預拼裝方案。

在方案制訂過程中，要事先收集工藝設計CAD圖紙，單根構件至少獲取3個定位點的位置信息（圖2），并與車間生產確定單根構件的制作完成時間，把所獲信息按照構件編號在Excel中進行統計。然后將單根構件信息的Excel統計表，按照預拼裝單元進行分組分類。

圖2 構件定位點分布

2.2 外業點云采集

本文中外業點云采集的儀器為LEICA P40三維激光掃描儀，是一臺脈沖式三維激光掃描儀。

2.2.1 現場考察

現場考察要結合預拼裝方案、構件加工制作的圖紙，重點確定現場構件的定位點。掃描作業周圍環境應相對穩定，避免過多的振動、干擾，在構件周圍留出足夠的工作空間以便設站。測量過程中，構件不能發生相對移動。掃描作業一般發生在構件堆場，還需確認掃描作業周圍的安全情況。

2.2.2 設站方案

對于單根構件現場掃描，關鍵在于確保鋼構件定位點點云數據的采集，其次再確定測站與標靶的位置。測站應盡量設在能對構件觀察較為全面的位置并避免過多設站（圖3）。此部分方案的制訂多以現場草圖的形式在原始記錄上反映。圖3中設站方案2優于方案1。

圖3 設站方案

2.2.3 標靶放置

在預拼裝過程中，標靶分為拼接標靶和預拼裝標靶。兩者的位置的變化需要隨時反映在掃描方案的草圖中，以便后續出現異常情況時進行查證。

拼接標靶是兩站之間拼接的重要依據，應選擇穩定、方便觀測的地點設立標靶。2個標靶應拉開距離，以便提升拼接精度，如在測量過程中需要增加標靶，可在某一站位置獲取共用標靶后，再次獲取新增標靶，在下一站再次掃描新增標靶，確保兩站之間正常拼接，一般兩站之間的拼接標靶為2枚。

預拼裝標靶是在構件定位點上粘貼的紙標靶，其特征參數與拼接標靶相同，其與拼接標靶同步掃描但要分開命名，預拼裝標靶可以根據實際需要設置3～5枚。

2.2.4 參數設置

按照設站方案架設三維激光掃描儀，調整水平和水平補償，確保儀器在整個掃描作業過程中保持穩定狀態，并設置掃描精度、標靶類型、掃描范圍、拍照像素等參數。構件掃描距離一般都在10 m以內，可適當降低掃描精度、減少掃描范圍以提高掃描作業效率。

2.2.5 掃描（并拍照）

啟動掃描作業后儀器處于閉環系統，儀器會自動旋轉掃描并進行拍照，可通過設置進行局部精細掃描，構件掃描作業完成后再進行標靶的掃描，拍照可以用于建立三維模型的紋理映射。

2.3 內業模型處理

本文中內業模型處理軟件為Cyclone軟件，主要進行模型輸出、坐標系建立、模擬拼裝和分析比對四部分內容。

2.3.1 模型輸出

在Cyclone軟件中，利用拼接標靶自動將不同測站掃描得到的點云數據拼接成單根構件的完整點云模型，并用Unify功能自動優化去除重復冗余的點云數據。

在保證構件數據完整性的情況下，進行降噪處理，將與構件本體無關的點云數據刪除，再對構件的點云模型按照比例進行抽稀輸出，輸出的點云模型優先選擇PTX文件格式。

按照上述方法步驟，依次對掃描的構件點云數據進行處理輸出，輸出的點云模型要按照構件編號進行命名，并按照預拼裝內容需要進行分組存儲。

2.3.2 坐標系建立

按照預拼裝分組情況，依次在設計模型中找出預拼裝標靶（即構件制作定位點）坐標值并按順序輸入TXT文檔中，坐標點的命名要和預拼裝標靶保持一致。

2.3.3 模擬拼裝

在Cyclone軟件中，重新將分組完成的構件點云模型和與之對應的坐標值TXT文檔同步導入新建的Registration程序中，程序將會按照坐標值TXT文檔建立統一的坐標系，構件上坐標點會以最小綜合誤差自動坐落于坐標系中，從而自動完成模型的拼接，并給出參與拼接的全部預拼裝標靶點的誤差統計。當拼接的最大誤差出現異常時，應返回檢查預拼裝標靶的順序、位置。

2.3.4 分析比對

分析比對的平臺基于Geomagic Control 軟件對點云數據的分析處理功能，待測模型是由Cyclone軟件輸出的點云模型，參照模型是鋼結構預拼裝的CAD理論模型。

經過Cyclone軟件輸出的點云模型需要在Geomagic Control 軟件中進行二次處理。對導入Geomagic Control 的待測模型進行著色、二次降噪和排除體外孤點等操作，處理無序點云的法線信息，將點云數據移至統一的正確位置以彌補掃描儀的誤差，并刪除與大多數點存在明顯偏差的點，這樣點的排序會更加平滑規整。

在模型比對時，要將參照模型設置為數字擬合的標準模型，然后才能進行數字擬合參數的設置。參數需要根據預拼裝構件的尺寸大小、空間結構形式、拼裝精度要求等因素進行設置。測頭半徑決定比對的精細程度，主要的比較方法有對稱性分析、自動偏差校準、高精度對齊和微調試等。其中對稱性分析和自動偏差校準聯合使用較多，它可以三維立體分析預拼裝整體或局部的對稱性并自動進行校準，使得待測模型和理論模型能夠進行最大化的數字擬合（圖4）。圖4中，紅色部分為待測模型，黃色部分為參照模型。

圖4 點云模擬數字擬合效果圖

通過輸入上下偏差臨界值、色譜顏色段等參數，Geomagic Control軟件自動計算出平均偏差、標準偏差和RMS估計值等數據，繪制3D比較色譜分析圖（圖5），并自動生成3D比較分析報告。當從分析報告中查出預拼裝偏差超過設計及規范要求時，可以及時通知相關方面采取校正措施。

圖5 3D比較色譜分析圖

3 應用實例

以阿爾及爾機場項目桁架某軸6～9節預拼裝為例，該項目為大跨度鋼結構工程，構件結構復雜，連接點較多，并且縱橫交錯的圓管使掃描難度加大。

單根構件掃描測站為4站，4根構件掃描測站共計16站。構件掃描過程中存在振動、周圍操作空間不足等情況，使掃描精度略微受到影響。在每根構件上選取3個定位點作為預拼裝標靶點并粘貼紙標靶（圖6）。

圖6 預拼裝標靶

對現場掃描的點云數據進行處理，分別按照構件編號進行命名，再逐一進行拼接、優化、降噪和抽稀處理，最終輸出單根構件的點云模型（圖7），圖7中的D、E、F點即為所選取的預拼裝坐標點。

圖7 構件的點云模型

按照預拼裝標靶點坐標值TXT文檔建立統一坐標系完成模擬預拼裝（圖8），參與拼接的全部預拼裝標靶點最大拼接誤差為2 mm。

圖8 模擬預拼裝

此外，該工程還采用了將實體預拼裝和模擬預拼裝相結合的方式，充分比較分析構件的預拼裝情況。

4 結語

實踐證明，三維激光掃描技術應用于鋼結構數字模擬預拼裝，改善了常規模擬預拼裝數據采集信息量小、比對方法單一、測量精度不高、工作量大等問題；相比較鋼構件的實體預拼裝，其在節省時間、人工和機械設備使用方面的優勢更為突出。

與此同時，三維激光掃描技術的應用也存在著不足之處：一是在模擬預拼裝的過程中無法計算由于構件自身重力而產生的變形；二是測量設備價格偏高，前期投入較大。結合目前國內鋼結構領域的現實狀況，數字模擬預拼裝正處于改進發展階段，建議采用將實體預拼裝和模擬預拼裝相結合的方式進行，兩者在鋼結構工程的預拼裝中各占一定的比例，互相彌補，互相驗證。