三維激光掃描技術在鋼結構構件預拼裝中的應用

張玉磊，孔 磊，張 偉，周 鵬，王一峰（中建鋼構有限公司，上海 518040 )

1 構件現場實體預拼裝

在鋼結構制作中，構件現場實體預拼裝的方法是根據設計提供的構件實體模型進行胎架位置及胎架形式的設定，繪制胎架工藝布置圖，待所有構件全部加工合格完成后，再運輸到預拼裝場地，按照拼裝順序將構件依次吊上胎架。在這一過程中，需要對構件端口的各個控制點進行坐標系復核。復核無誤后將各榀桁架端口用連接板和栓釘進行試穿固定，檢查各個端口的對接縫和錯邊是否符合規范要求。如偏差較大，應做適當修改和調整，直至滿足復核要求。這種傳統的實體預拼裝，要求構件提前制作完成，否則會影響預拼裝周期。預拼過程中人員、材料、起重設備、場地等缺一不可，并且耗時耗力。

2 計算機模擬預拼裝

計算機模擬預拼裝原理是采用鋼結構三維深化設計軟件Tekla Structures 構建三維理論模型，對加工完成的實體構件進行各控制點三維坐標值測量，用測量數據在計算機中構造實測模型，并進行模擬拼裝，通過測量的模擬預拼裝與理論模型進行擬合比對，檢查拼裝干涉和分析拼裝精度，得到構件加工所需要修改的調整信息。

這種模擬拼裝方法必須在構件全部制作完成后，對每個構件控制點采用全站儀進行坐標數據收集，期間至少要安排2 人、1 臺測量設備投入測量工作，耗時耗力。雖然相對實體預拼裝工作量減小了不少，但后續數據處理信息反饋工作量增加，如構件偏差太大，則修改構件的時間也隨之加長，對構件加工周期是有影響的。典型構件三維理論模型，見圖1。

圖1 典型構件三維理論模型

3 三維數字模擬預拼裝

三維數字模擬預拼裝是利用三維激光掃描儀獲取鋼結構構件的數字模型，結合三維理論模型，通過 Cyclone、Qualify、CAD 等軟件協作，最終在計算機中完成預拼裝。

三維激光掃描形成的模型為點云模型。在掃描儀鏡頭橫向與縱向旋轉過程中，發出與接收激光束，記錄每道激光束所獲取點的數據，從而形成點云模型，并通過拼接、擬合、降噪、處理，形成所需構件的三維數字模型。

三維數字模擬預拼裝分為外業掃描與數據處理。外業掃描主要是通過三維激光掃描儀獲取點云數據，并利用點云數據進行逆向建模。預拼裝過程中，首先需要確定構件受控制的關鍵點。例如在機場的桁架中，螺栓孔的誤差需控制在2 mm 以內。在通過三維激光掃描儀進行外業掃描時，對這些需要注重的部位做特殊標記，將之作為測量特征點。將打印的標準標靶，粘貼于測量特征點位置，以便三維激光掃描儀更準確地獲取測量特征點。測量特征點的設置，見圖2 。

圖2 測量標記點

在三維數字模擬預拼裝的數據處理過程中，首先需要在CAD 模型中找出關鍵點坐標，接著利用 Cyclone 軟件，依次將所需預拼裝的構件掃描模型，按照關鍵點坐標所在的坐標系導入軟件中。這樣就在 Cyclone 中完成了三維數字模擬預拼裝。在完成的三維數字模擬預拼裝模型中，分析每兩個構件連接部位的偏差，考察其是否在允許范圍內。如果在允許范圍內，即完成了三維數字模擬預拼裝。

4 效益對比

以上述典型構件為例，從時間、勞動力與費用 3個方面，對三維數字模擬預拼裝與現場實體預拼裝的效益進行對比，見圖3、圖4、圖5?！澳M預拼裝”）除前期一次性設備投入外，在預拼裝過程中不再需要其他投入，對場地、起重設備無要求，并且降低了操作人員的數量，減少了拼裝時間。

圖3 時間對比

圖4 勞動力對比

圖5 費用對比

5 結 語

在鋼結構制作行業中使用三維激光掃描技術，可以快速準確地生成點云模型，形成所需構件的三維數字模型。結合計算機三維數字模擬預拼裝技術，可以在電腦中完成模擬拼裝，并及時反饋構件偏差信息，指導拼裝作業。三維數字模擬預拼裝技術可以大大提高施工生產效率，節約時間、勞動力和費用成本。