三維激光掃描技術(shù)在施工精準(zhǔn)控制中的應(yīng)用與研究
——以裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑為例

許良梅，王友光，田朋飛，姚翔

（1.巢湖市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 合肥 238000；2.安徽富煌鋼構(gòu)股份有限公司，安徽 合肥 238076）

1 引言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼構(gòu)件采用工廠制作，墻板、疊合板、樓梯及陽(yáng)臺(tái)板等采用工廠預(yù)制，其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工安裝精度要求非常高，通常達(dá)到毫米精度。當(dāng)制作或施工安裝達(dá)不到相關(guān)精度要求時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致建筑外觀滿足不了美觀要求，嚴(yán)重者甚至?xí)绊懡ㄖY(jié)構(gòu)質(zhì)量安全。為使結(jié)構(gòu)安裝精度滿足設(shè)計(jì)要求，施工過(guò)程中常常需要多次反復(fù)測(cè)量、糾偏，該工序往往會(huì)浪費(fèi)很多人力物力?？焖佟⒕珳?zhǔn)的施工安裝成了困擾裝配式建筑發(fā)展的難題之一，急需一種精準(zhǔn)、快速、大范圍的檢測(cè)方法來(lái)提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工安裝效率，從而發(fā)揮出裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑綠色、環(huán)保、節(jié)能、快速裝配等優(yōu)勢(shì)。而三維激光掃描技術(shù)利用激光測(cè)距原理，以每秒數(shù)百萬(wàn)的測(cè)量速度，快速獲取物體表面點(diǎn)的三位坐標(biāo)值、反射率和紋理等信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件云計(jì)算處理，可以快速構(gòu)建被測(cè)物體的點(diǎn)、線、面以及三維模型，經(jīng)過(guò)軟件快速與實(shí)際模型分析對(duì)比處理，生成準(zhǔn)確的精度偏差分析報(bào)告及點(diǎn)云圖。

2 工作流程圖

三維激光掃描技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工精準(zhǔn)控制及糾偏修正的應(yīng)用工作流程如下圖（圖1）：

圖1 工作流程圖

3 應(yīng)用工程

阜陽(yáng)市抱龍安置區(qū)一期工程，總建筑面積約27萬(wàn)m2，整體工程以裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑實(shí)施建造，住宅結(jié)構(gòu)采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系，商業(yè)結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系。住宅部分采用的技術(shù)體系為：框架支撐+預(yù)制混凝土保溫夾芯外掛墻板+ALC內(nèi)墻條板（局部砌體）+預(yù)制疊合板、預(yù)制樓梯、標(biāo)準(zhǔn)化戶型應(yīng)用比例達(dá)75%，水電集成設(shè)計(jì)、裝配率達(dá)72%。施工工期緊、體量大、裝配化程度高，施工難度在于在快速施工的同時(shí)確保安裝精度控制，安裝后定位復(fù)核難度極大。

4 設(shè)備簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目采用Trimble TX8掃描儀，其以360°×317°的視場(chǎng)和每秒1,000,000點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取速度，在整個(gè)120m測(cè)程內(nèi)都能夠保持高測(cè)量精度且測(cè)程可擴(kuò)展至340m，目標(biāo)球拼接可使精度控制在1mm以內(nèi)。滿足裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑精準(zhǔn)、快速、大范圍測(cè)量和及時(shí)糾偏的需求。

5 實(shí)施過(guò)程

5.1 掃描儀站點(diǎn)架設(shè)及數(shù)據(jù)采集過(guò)程

①現(xiàn)場(chǎng)查勘：在準(zhǔn)備掃描之前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境做一個(gè)調(diào)查，為后面的設(shè)站做準(zhǔn)備；

②設(shè)置靶球：由于項(xiàng)目要求的精度較高，同時(shí)也為了提高外業(yè)的工作相率，保證點(diǎn)云拼接精度，我們可以采用靶球拼接的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；

③設(shè)站：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行一個(gè)比較合理的設(shè)站，提高點(diǎn)云采集的完整度；

④設(shè)置參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)采集：架設(shè)好儀器之后，我們需要對(duì)儀器進(jìn)行一些參數(shù)的設(shè)計(jì)，設(shè)置掃描等級(jí)，即可開(kāi)始掃描采集工作。

圖2 三維掃描儀現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

5.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程

①點(diǎn)云拼接

三維點(diǎn)云處理/分析/制作軟件系統(tǒng)，此軟件可完成多站點(diǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)匹配與配準(zhǔn)，且可以自動(dòng)生成配準(zhǔn)報(bào)告，利用TRW的自動(dòng)提取目標(biāo)配準(zhǔn)的功能，即可完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，不需要過(guò)多的人為干預(yù)，拼接完成以后會(huì)導(dǎo)出拼接報(bào)告。

②數(shù)據(jù)編輯

由于掃描的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)屬于海量數(shù)據(jù)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用不多，我們一般會(huì)把點(diǎn)云進(jìn)行取樣，根據(jù)項(xiàng)目三維檢測(cè)的實(shí)際情況，建議取樣點(diǎn)云間距，取樣完成以后我們刪除不需要的雜點(diǎn)即可得到純凈的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

③導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)

5.3 軟件云計(jì)算對(duì)比過(guò)程

①導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)和模型

導(dǎo)入已經(jīng)預(yù)處理完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以及相對(duì)應(yīng)區(qū)域的模型數(shù)據(jù)。

②點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型對(duì)比。

③注釋并輸出報(bào)告。

根據(jù)項(xiàng)目要求提供具體的帶有注釋的報(bào)告。在對(duì)需要檢測(cè)的物體標(biāo)完注釋后，我們可以一鍵導(dǎo)出報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括每一建筑物的3D偏差值、偏差分布圖表、標(biāo)準(zhǔn)偏差圖表、三維視圖、注釋視圖、整體偏差表等。

5.4 編制糾偏數(shù)值表

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)構(gòu)件偏差情況給予有針對(duì)性修正。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)三維激光掃描儀對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工安裝精度的復(fù)核檢查，具有傳統(tǒng)方法不具備的精準(zhǔn)、快速、大范圍的優(yōu)勢(shì)，能及時(shí)的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工糾偏；三維激光掃描能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描，尤其對(duì)快速施工的項(xiàng)目、大體量項(xiàng)目、大跨度復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)項(xiàng)目都能直接快速、精確的測(cè)量其構(gòu)件的安裝精度，直接快速的生成對(duì)比參數(shù)值，及時(shí)用于指導(dǎo)施工，更能發(fā)揮出裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑綠色、環(huán)保、節(jié)能、快速裝配等優(yōu)勢(shì)。