三維激光掃描技術在大跨度機庫屋蓋鋼結構施工過程中的應用

王 磊 李建功 李 濤 杜 欽 張化超 白晉合

北京建工集團有限責任公司 北京 100055

1 工程概況

北京大興國際機場南航1號機庫屋蓋跨度405 m，進深100 m。屋蓋采用由平面桁架及單層斜放四角錐網架構成的組合結構體系，支承體系由箱形混凝土柱、四肢鋼管混凝土柱、雙肢格構鋼柱及柱間支撐組成。桁架體系由沿進深方向設置的4道45°斜向桁架及沿大門開口邊設置的下沉式大門桁架、沿結構縱向設置的一字形桁架構成（圖1）。大門桁架截面總高度11.5 m，下沉3.0 m；上弦中心標高38.50 m，下弦中心標高27.00 m；斜桁架及一字形桁架截面高度8.5 m，上弦中心標高38.50 m，下弦中心標高30.00 m。在上述桁架基礎上布置單層斜放四角錐網架，厚度4.25 m，基本網格尺寸6.0 m 6.0 m，上弦中心標高38.50 m，下弦中心標高34.25 m。

圖1 機庫鋼屋蓋示意

這種新型的“W”形斜桁架＋網架的組合結構形式較以往機庫結構形式減重近1 500 t，但同時也增加了施工測量的難度和工作量。對于由多達20余種規格的20 000多根桿件和大量多角度交會復雜節點構成的新型大跨度組合屋蓋施工，選擇技術先進且安全高效的施工方案是重點，應用先進有效的技術措施來保證鋼構件的精準安裝是關鍵。

結合工程實際情況，針對上述問題，項目采取地面組裝、整體提升[1]方案，鋼結構整體提升總質量約7 340 t，其中門頭桁架質量約2 600 t，大廳網架質量約3 800 t，檁條質量約640 t，馬道質量約300 t。在提升過程中必須保證同步，采取液壓同步提升并加強過程監測。同時，為控制鋼屋蓋在提升過程中的變形，需要經過工況驗算，合理布置提升點位置，并進行鋼網架臨時加固。

本工程鋼結構網架施工的重、難點為：在地面拼裝及整體提升過程中，必須對網架平面位置及三維空間位置進行精準定位，保證鋼網架在整體提升及荷載逐步增加過程中產生的變形量滿足設計和規范要求；必須選用先進的測量方法、高精度的測量設備進行鋼網架施工全過程的測量定位，從而提高拼裝精度，保證整體網架結構的精準安裝和安裝完成后整體結構變形值符合要求。

2 測量方案選擇

傳統測量方式[2]為接觸式測量，由于以下原因，在本工程難以實現：

1）屋蓋跨度405 m，進深100 m，采用傳統測量方式需投入大量人力、物力，測量周期長，難以滿足現場高效施工要求。

2）桁架截面總高度11.50 m，斜桁架及一字形桁架截面高度8.50 m，四角錐網架厚度4.25 m，傳統測量方法的操作空間要求難以滿足。網架提升過程中無法采用傳統測量方法進行結構變形監測。

3）桁架、網架拼裝高度高，提升完成后距地面30 m以上，且網架平面尺寸405 m 100 m，采用傳統測量方法需多種輔助測量措施，人力投入大、工效低，測量人員高空作業的安全風險較高。

4）傳統測量方法為接觸式測量，影響測量精度的因素多，且單位時間內施測的測量特征點數量有限，難以實現覆蓋大量結構特征點的高效實時監控測量。

考慮到以上因素，結合本工程實際情況，決定采用三維激光掃描技術進行網架拼裝、提升全過程測量控制及網架提升完成后結構整體三維空間結構掃描分析，以保證整體網架結構安裝的精準度。本工程實施三維激光掃描技術存在以下必備條件：

1）在設計階段即結合BIM軟件進行建模、設計，在屋蓋鋼結構施工前，針對網架各桿件、節點進行深化設計并形成BIM模型[3]，為施工階段提供完整的BIM模型參照。

2）采用便攜式計算機輔助三維測量設備系統及軟件，在線計算機輔助三維坐標測量，創建虛擬模型對現有模型進行評估。

3）采用針對三維激光掃描儀研發的專業點云管理軟件，通過軟件特殊的計算方式，將掃描儀數據優化處理，自動去除不合理的噪聲點。自動識別掃描過程中的參考球，實現全自動數據拼接。通過與全站儀和GPS大地坐標控制點數據以及標靶點數據的結合，實現真實坐標轉換，以平差方式提高大范圍數據拼接精度。

4）全站儀在免棱鏡狀態下的測量精度不如棱鏡測量，棱鏡測量精度可以達到1 mm，三維激光掃描儀標靶識別精度為1 mm，如果能結合兩者，即可將2 mm的精度提高到1 mm。因此，本工程將傳統紙質標靶改為特制棱鏡球以提高精度。

5）本工程網架結構復雜，截面高度4.25～11.50 m，提升完成后整體標高27.00～38.50 m。如何解決地面拼裝、鋼結構提升及提升完成后高空監測問題是測量工作的難點。為此，采用自主研制的磁吸式支架來解決空中測量問題。

3 測量實施

3.1 測量設備選擇

1）掃描儀。選用Focus 3DX 350s掃描儀（圖2）。

2）自制棱鏡球。本工程采用自制棱鏡球，將棱鏡與三維激光掃描儀標靶結合在一起，制作成精度1 mm的特制棱鏡球（圖3）。

圖2 Focus 3DX 350s掃描儀

圖3 自制棱鏡球

3）磁吸式支架。本工程采用自制磁吸式支架進行網架內、提升中以及提升完成后的空中監測。磁吸式支架可以固定在鋼結構網架桿件上（圖4），有效解決空中復雜網架結構內測量儀器的安置問題，節約了人力、物力，且使用安全、便捷。

圖4 磁吸式支架

3.2 三維激光掃描

3.2.1 全站儀測量控制點布設

機庫大廳內部周圍布置3個控制點作為永久監測點，利用高精度工程測量全站儀[4]建立局部坐標控制網，統一坐標系，并測量該坐標系下的每一個標靶坐標。結合掃描儀特制棱鏡球獲取多個標靶點坐標，對掃描儀局部坐標進行控制；特制棱鏡球與掃描標靶擺放形成坐標控制網，對機庫大廳整體掃描點云坐標進行控制。

3.2.2 掃描站點布設

掃描開始前，根據現場環境規劃掃描站點和標靶點分布圖，使掃描設站以及標靶點分布盡量均勻，掃描站點之間要有30%的重復區域。對于重點掃描區域，應多角度、多方位架設站點，保證掃描數據90%以上的完整性。

3.2.3 標靶布設

參考球布設在2次掃描測站中間，2站之間至少有3個可視參考球。參考球之間應有一定的高度差，參考球到儀器的距離根據掃描儀分辨率設置有所不同，具體如下：1/1掃描分辨率對應參考球擺放75 m，1/2掃描分辨率對應參考球擺放45 m，1/4掃描分辨率對應參考球擺放25 m，1/5掃描分辨率對應參考球擺放20 m，1/8掃描分辨率對應參考球擺放12 m。以上數據針對FARO掃描儀標準參考球直徑14.5 cm。棱鏡球直徑10 cm，應在以上數據的基礎上削減30%。標靶布設[5]與掃描儀視角方向成垂直角度，距離控制在10 m以內。對于機庫屋蓋鋼結構網架掃描，我們采用1/4掃描分辨率3倍倍率設置[6]來進行高精度數據掃描測量。

3.2.4 掃描數據

儀器準備完畢后，首先建立工程掃描文件夾，記錄掃描時間，查看掃描儀的水平傾角儀以確保掃描儀器盡量水平放置。每站均需檢查水平傾角儀并整平，根據現場情況及后期處理結果需求設定分辨率及質量。

按鍵掃描之前，應先撤出掃描區域范圍內的施工人員。掃描后，檢查數據并查看掃描結果是否正常，參考球以及棱鏡球是否在測量范圍之內。無誤后，將儀器搬動至下一站，以推進方式擺放參考球，確保與下一次測站之間至少有3個公共參考球，再布設相應標靶。重復上述移站步驟，完成掃描工作。

3.3 數據處理分析

3.3.1 單次測量的三維數據處理

1）將數據導入FARO SCENE[7]軟件，并建立工程項目文件。

2）數據拼接，剔除掃描噪聲及遮擋，導入全站儀坐標數據。

3）數據整合，迭代計算減少拼接誤差，控制整體拼接精度≤3 mm。

4）將掃描儀采集影像數據與點云數據自動疊加，對正掃描數據方向（使用全站儀進行坐標控制時跳過此步），創建硬盤點云數據。

5）創建BOX裁剪框，提取被測主體三維掃描通用數據，創建工作區webshare數據包。

6）將導出的掃描數據統一，三角網化，建立三角網mesh模型，剔除噪聲，修補模型，根據曲率簡化模型，保留模型外形尺寸及細節。

7）將符合軟件要求的三角網模型導入設計軟件，根據三角網數據進行模型拓撲建模。

8）將拓撲模型與原始高精度掃描三角網進行比對分析，控制整體模型公差達到要求，對沒有達到要求的部分進行二次修改，同時根據要求進行模型細化。

9）將最終建立的網架模型在檢測軟件中對比平面圖進行尺寸檢核，出具檢測報告，滿足要求后，導出通用IGES或Stp通用格式模型。

3.3.2 所有測量的三維數據處理

將所有網架模型以及高精度三角網模型統一至一個工程文件內，進行虛擬裝配分析，撰寫裝配分析檢測報告，制作點云漫游視頻及模型虛擬現實程序。

3.4 結果驗證

將利用全站儀測量的特征點三維坐標與掃描的點云數據相同點位坐標進行對比，驗證方法的準確性。

4 結語

與傳統測量方法相比，三維激光掃描技術在大跨度復雜鋼結構工程施工過程中可以準確、高效、安全地進行測量、監測工作。將三維激光掃描數據與BIM模型有效地結合，快速得出構件實際空間位置與BIM模型之間的尺寸偏差，使參建各方更加形象地了解鋼網架在拼裝、提升及卸荷后各桿件的具體位置及變化，方便施工偏差的監控調整。三維激光掃描技術為今后類似的鋼結構網架工程提供了一種新型的測量、監測方式。