橋梁施工全過程中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

史永宏

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030021）

三維激光掃描技術(shù)是工程測(cè)量的一大突破，具有“復(fù)現(xiàn)”功能，能夠同時(shí)采集X，Y，Z三方向坐標(biāo)和坐標(biāo)點(diǎn)的RGB顏色信息。既可以根據(jù)二維CAD圖和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成模擬三維模型，又可以基于現(xiàn)場(chǎng)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成計(jì)算機(jī)三維效果圖，可實(shí)時(shí)查看實(shí)際施工與施工設(shè)計(jì)差別，從而有效避免各類不規(guī)范施工帶來的質(zhì)量隱患。目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為橋梁施工全過程中不可缺少的一部分，各企業(yè)成立專業(yè)化管理團(tuán)隊(duì)為整個(gè)施工保駕護(hù)航，然而，拱橋施工的步驟十分繁瑣，應(yīng)力分析要求高，各部件精度要求也非常高，三維激光掃描技術(shù)的運(yùn)用仍存在一些難點(diǎn)。為了解決現(xiàn)有的三維激光掃描難點(diǎn)，從三維激光掃描的基本工作流程入手，詳細(xì)闡述了發(fā)揮三維激光掃描作用的應(yīng)用要點(diǎn)。

1 橋梁施工內(nèi)容的概述

此項(xiàng)目是鋼管混凝土拱橋，全長(zhǎng)280.6m，寬16m，拱肋總高5.50m，總寬2.15m，拱上橫撐共計(jì)10道，全部采用K字型，間距30m。在施工過程中，拱肋采用“以直代曲”的分段鋼管組裝安置，每段鋼管全部在工廠拼接完成進(jìn)行現(xiàn)狀起吊安裝，而后，進(jìn)行橋板鋪設(shè)，完成拱橋兩端的對(duì)接。為了保障以上橋梁結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)尺寸、位置的一致性，需在施工全程進(jìn)行三維激光掃描定位，在監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行橋梁部件的位置偏移分析和應(yīng)力變化。整個(gè)過程以Robot和Revit兩個(gè)處理軟件為主，對(duì)施工各階段多次現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)化處理，從橋梁施工進(jìn)程和部件形變兩個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)為橋梁施工全過程提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息支持。

2 三維激光掃描技術(shù)的基本工作流程

三維激光掃描是繼GPS技術(shù)后的測(cè)量方式的重大創(chuàng)新，能夠精確判斷橋梁各部位的變形情況。靈活、簡(jiǎn)易的操作設(shè)備能夠收集到橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)位置的數(shù)據(jù)信息，形成位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)，再經(jīng)內(nèi)業(yè)軟件處理，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)，其基本工作流程如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)的基本工作流程

2.1 現(xiàn)場(chǎng)采集

現(xiàn)場(chǎng)采集處于數(shù)據(jù)產(chǎn)生階段，是對(duì)施工進(jìn)度中各個(gè)施工場(chǎng)景的統(tǒng)稱。在基坑和樁基施工階段，需要收集基坑抽水、鋼筋安裝等數(shù)據(jù)；在墩臺(tái)施工階段，收集墩臺(tái)身和墩臺(tái)冒的定位信息；在拱肋搭建和合攏施工階段，需要監(jiān)測(cè)整個(gè)搭建過程各部件形變；在橋面鋪設(shè)階段，收集好橋梁沉降數(shù)據(jù)。每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)都需要全面、準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)，否則便會(huì)影響到后期的信息處理判斷。

2.2 數(shù)據(jù)輸出與處理

掃描到的數(shù)據(jù)是帶有顏色信息的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，與全站儀、水準(zhǔn)儀所測(cè)數(shù)據(jù)相比，此數(shù)據(jù)包含的信更多，需采用配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。但是，原始數(shù)據(jù)量大、冗雜信息多、各場(chǎng)景起始坐標(biāo)不一致等問題，需要采用數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)去燥、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)等步驟才能進(jìn)入到智能化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于橋梁各個(gè)場(chǎng)景的部件尺寸、形狀差異化明顯，數(shù)據(jù)處理的方式存在著一定的差異，需要進(jìn)行分批處理。

2.3 生成三維模型

在Robot和Revit兩個(gè)內(nèi)業(yè)處理軟件的支撐下，三維激光掃描數(shù)據(jù)與施工設(shè)計(jì)的CAD圖便能夠疊加在一起，直觀顯示出實(shí)際施工與施工設(shè)計(jì)之間的差異。與以往的測(cè)量結(jié)果不同，多個(gè)場(chǎng)景的模擬還原能夠幫助施工管理者從施工進(jìn)度、施工工序、橋梁形變等方面看到施工存在的問題，及時(shí)做出施工調(diào)整，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)后期補(bǔ)救方法的不足。

2.4 模型分析應(yīng)用

模型分析應(yīng)用是發(fā)揮三維激光掃描技術(shù)價(jià)值的核心步驟。根據(jù)BIM處理技術(shù)的現(xiàn)有功能，可通過計(jì)算機(jī)處理得到橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)任意方向的截面圖；可得到時(shí)差序列上同一區(qū)域的施工變化來分析施工進(jìn)度；可得到時(shí)差序列上同一位置的橋梁形變，探索橋梁變形規(guī)律。這些處理成果都能夠快速實(shí)現(xiàn)，且精度比以往的傳統(tǒng)測(cè)量還要高出許多。

3 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)減低了測(cè)量從業(yè)人員的現(xiàn)場(chǎng)采集工作量，同時(shí)，增加了數(shù)據(jù)處理的工作量。為了能夠向橋梁施工管理者提供正確、高精度的處理結(jié)果，仍需要把握住三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，做好細(xì)節(jié)處理工作，分以下幾點(diǎn)進(jìn)行闡述：

3.1 施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置的應(yīng)用要點(diǎn)

橋梁施工雖然具有多個(gè)階段，每個(gè)階段都需要進(jìn)行觀測(cè)，但墩臺(tái)頂施工和拱肋安裝兩個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)往往因結(jié)構(gòu)連續(xù)體系的影響產(chǎn)生遮擋部分、遮擋點(diǎn)，給后期的三維模型擬合精度造成巨大影響，有必要做好施工現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)點(diǎn)布置。一是形成多截面交叉測(cè)點(diǎn)網(wǎng)。當(dāng)掃描對(duì)象周圍布滿輔助鋼管支架時(shí)，將其分為4～6個(gè)截面，并分上、中、下三個(gè)部分進(jìn)行掃描，避免出現(xiàn)大面積的露點(diǎn)；二是每次保留固定區(qū)域點(diǎn)，如：標(biāo)靶。多場(chǎng)景擬合形成時(shí)間序列圖時(shí)可根據(jù)固定區(qū)域點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)同空間的施工比較；三是提高掃描精度，采用分辨率為 1：1、質(zhì)量為 4×等參數(shù)，對(duì)測(cè)點(diǎn)25m距離內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行密集掃描，收集到各部件細(xì)節(jié)。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

一般而言，掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入配套軟件后進(jìn)行一鍵操作，得到精簡(jiǎn)后的數(shù)據(jù)結(jié)果，但橋梁施工的三維數(shù)據(jù)則需要根據(jù)具體施工現(xiàn)場(chǎng)選擇對(duì)應(yīng)的處理方法，避免數(shù)據(jù)稀疏度高而損失精度信息。一是基于標(biāo)靶進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。因標(biāo)靶在每次測(cè)量中都位置保持不動(dòng)，軟件便可根據(jù)多次中共有的標(biāo)靶坐標(biāo)完成坐標(biāo)系的統(tǒng)一；二是剔除數(shù)據(jù)噪聲。觀測(cè)到的施工人員、施工設(shè)備以及臨時(shí)施工材料都進(jìn)行目視解譯剔除，降低噪聲數(shù)據(jù)的干擾；三是根據(jù)施工部件分類簡(jiǎn)化。采用八叉樹算法，對(duì)部件形狀變化小的進(jìn)行高度精簡(jiǎn)，包括：橋板面、墩臺(tái)頂面；對(duì)形狀變化劇烈、結(jié)構(gòu)精細(xì)的部件進(jìn)行輕度簡(jiǎn)化，包括：拱肋分段鋼管、橫撐等。

3.3 BIM技術(shù)生成三維模型的應(yīng)用要點(diǎn)

主流的BIM技術(shù)軟件為Robot和Revit，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)擬合功能，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)自動(dòng)擬合。為了達(dá)到橋梁施工的精度要求，還需要選擇合適的擬合算法，否則會(huì)大大降低實(shí)用性能。一是深度去燥。通過過濾器設(shè)置距離、偏移角度、顏色信息差異等參數(shù)信息，在數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)區(qū)域選擇性去燥；二是數(shù)據(jù)擬合。將處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，以插值擬合的方式形成點(diǎn)云面，糾正空間性擬合偏差和明顯錯(cuò)誤；三是生成三維模型。以點(diǎn)云面積為基礎(chǔ)進(jìn)行“點(diǎn)”到“面”的轉(zhuǎn)化，通過預(yù)覽窗查看三維模擬效果，對(duì)其色彩、比例、顯示方式等參數(shù)進(jìn)行修改，以達(dá)到橋梁施工可視化要求。

4 結(jié)語

通過對(duì)鋼筋混凝土拱橋全過程中三維激光掃描的基本工作流程分析后，列出了各個(gè)步驟下的應(yīng)用要點(diǎn)。此方法能夠改變傳統(tǒng)測(cè)量“后知后覺”的監(jiān)測(cè)弊端，且速度快、測(cè)點(diǎn)多、三維模擬處理效果好，擴(kuò)大了測(cè)量工作的服務(wù)范疇，是未來橋梁工程測(cè)量的主要發(fā)展方向之一。