三維激光掃描技術在大型復雜鋼結構高空對接中的應用*

李文德，黃韜睿，徐 輝

(1.中國鐵建國際集團有限公司，北京 100039； 2.精工國際鋼結構有限公司，上海 201100)

0 引言

隨著大眾對建筑外形審美的不斷提高和節能環保意識的增強，鋼結構形式的公共建筑在國內外得到了廣泛推廣，其規模越來越大，結構形式也越來越復雜，傳統的卷尺測量及全站儀測量等方法已不能滿足復雜空間鋼結構對精度控制的要求[1]。

三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度點云立體掃描技術，是繼GNSS之后又一項革命性測繪新技術。該技術主要利用激光測距原理，即通過海量捕捉被測物體表面點的三維坐標、紋理、反射率等信息，獲取其線、面、體三維數據，然后根據獲得的測量數據構造出目標物的三維模型[2]。它是獲取空間數據和空間狀態的重要手段，可用于鋼結構的變形檢測、構件尺寸檢查、結構單元數字化預拼裝及逆向工程等方面。

1 工程概況

卡塔爾盧賽爾體育場項目為2022年世界杯主體育場。體育場內部看臺部分為混凝土結構，屋頂為大跨度索膜結構，外側幕墻及屋面支承體系為鋼結構，屋面投影為圓形，直徑約309m，最低處結構標高約61.000m，最高處結構標高約76.000m，整體呈馬鞍形。主體鋼結構由支承屋面索膜結構的受壓環及支承受壓環和幕墻桁架的V形柱(簡稱“V柱”)組成。地面拼裝時，將受壓環分為24榀吊裝單體、V柱分為48榀吊裝單體。吊裝施工時，先吊裝V柱，其與球鉸支座和臨時支撐塔相連，通過臨時支撐塔上的位形調節機構對V柱的位形進行調節就位后，再吊裝受壓環與V柱對接。本文選取的高空對接單元為受壓環與V柱。結構如圖1所示。

圖1 盧賽爾體育場結構示意

2 高空對接測量方案選擇

2.1 高空對接測量難點

1)受壓環體形巨大，結構復雜。受壓環由4根主弦桿構成箱形立體桁架，上下弦面內為“米”字形網格，整體幾何形狀與屋面馬鞍面保持一致。單榀受壓環由上百根桿件組成，以首榀吊裝段受壓環為例，長約46m，寬約18m，高約10m，重約425t，最大桿件截面為管外徑1 600mm，壁厚50mm。受壓環如圖2所示。

圖2 受壓環

2)對接口數量多。首榀吊裝段受壓環坐落在4榀V柱上，對接口多達16個，對接口截面均為箱形且都傾斜，最大尺寸為900mm×1 500mm，板厚為28mm。受壓環與V柱對接口如圖3所示。

圖3 受壓環與V柱對接口

3)對接口空間位置高。所有對接口均為高空對接，高度距地面可達66m，定位測量困難。

4)精度要求高。本工程鋼結構使用歐洲標準，對接口錯邊不可超過3mm，項目規范要求單點3個方向綜合偏差不可超過±25mm，拉索耳板索孔位置3個方向綜合偏差不可超過±20mm。受壓環是連接屋面索膜結構和V柱的構件，其安裝精度直接影響屋面索膜結構能否順利安裝。V柱是該項目主要的豎向傳力結構，為受壓環以及幕墻側壁結構提供支承，其位形精度將直接影響幕墻是否能夠順利安裝。

5)測量環境差。對接施工區域臨時操作平臺、腳手架多，視線阻擋較多，通過傳統測量方式來提前判斷對接誤差及落位過程的碰撞問題難度大。腳手架及操作平臺如圖4所示。

圖4 腳手架及操作平臺

2.2 全站儀測量的局限性及誤差分析

項目前期使用全站儀對已吊裝的V柱進行測量，將反射貼片放置于頂端對接口3個邊中點的正下方100mm處，為保證測量精度，對同一個點進行了多次多時段測量。以編號為4L的V柱為例，頂端對接口的全站儀測量數據如表1所示。

表1 V柱頂端對接口測量數據 mm

受壓環合龍溫度為(25±5)℃，為降低溫度影響，避開當地中午的高溫時刻，在早、晚溫度約25℃時進行3次測量。通過測量數據對比，最大誤差達15mm。精度無法達到項目規范要求。

為解決測距遠、偏角大、測量人員主觀誤差的問題，考慮使用觀測棱鏡代替反射片作為測量靶標，使用全站儀的自動追蹤功能來提高測量精度。此類型觀測棱鏡一般通過磁力吸附在鋼結構上固定，但是對接口處受其他工作擾動較大，磁力吸附的穩定性不足。如果采用焊接固定，又有可能受焊接變形影響，且后期拆除恢復的工作量較大。初步進行成本測算，本項目若48榀V柱及24榀受壓環全部安裝棱鏡，約需386萬元人民幣。綜合考慮之下，最終決定使用三維激光掃描技術對已安裝的V柱和地面拼裝好的受壓環進行掃描建模，通過虛擬對接，預判可能產生的對接偏差，在高空對接前及時調整。

3 三維激光掃描技術應用

3.1 設備選用

本項目選用FARO S150三維掃描儀作為現場掃描設備，有效測距為0.6～150m，距離精度為±1mm， 像素為165M，環境防護等級為IP54級。

3.2 三維激光掃描流程

根據本項目受壓環和V柱對接口的特點，分別制定2套掃描方案： ①針對已吊裝就位的V柱對接口掃描測量； ②針對未吊裝的受壓環整體掃描。2種方案均采用多站點組合掃描的方式進行。三維激光掃描流程如圖5所示。

圖5 三維激光掃描流程

數據采集環節是整個測量過程中最為重要的環節，需提前根據被測物體的體積、尺寸和所處環境來規劃站點掃描路徑。多站點掃描路徑規劃的好與壞將直接影響測量結果，注意事項如下[3]。

1)轉站點之間的距離不宜過遠，需保證相對較高的數據重疊度。

2)被測靶標需清晰可見，且保證各站點靶標的連續性，方便掃描數據預處理時的點位合并。

3)掃描儀站點需盡可能靠近被測物體，避開遮擋物，測量精度要求較高的，掃描儀與被測物之間的距離不宜超過50m。

通過相關軟件對點云數據預處理后導出點云模型，并在軟件中將BIM理論模型與點云模型擬合，本項目擬合采用以下方式： ①手動擬合 此擬合方式適合無空間坐標控制的被測物體，通過軟件算法及配準原則，利用特征面進行點云模型與BIM理論模型的手動擬合； ②坐標擬合 此擬合方式適合在有項目整體坐標系控制的被測物體上，無須手動調整相對位置，即可自動匹配點云模型與BIM理論模型的擬合。

通過分析軟件對擬合后的點云模型和BIM理論模型進行偏差分析，可提前判斷偏差范圍，為后續制定調整策略提供依據。

3.3 V柱對接口掃描

V柱坐落于混凝土柱上，桁架的內外弦通過腹桿形成半新月形、彎曲的三角形桁架格構柱，在環向，一系列的新月形彎曲桁架斜向布置，形成連續的V形框架系統。本文選取的V柱長約46m，頂部內外弦對接口距離約15m[4]。

項目前期未引入三維激光掃描，通過在測量點放置貼片使用全站儀進行測量。由于V柱與受壓環對接口距離地面較高，導致測量時距離遠且仰角大，測量數據準確性較差，且無法評估對接口的扭轉情況[5]。

后期使用三維激光掃描技術，若將三維激光掃描儀放置于柱底地面，掃描儀與V柱對接口距離約為66m，且遮擋較多，掃描數據精度較低。經過多次實地考察測試比選，最終確定在掃描V柱對接口時，將三維激光掃描儀架設在V柱的臨時支撐架塔頂，此時掃描儀距離V柱頂點約6m，滿足精度要求，同時為減少溫度影響，確保數據的準確性，掃描時間設置為20min。V柱對接口三維激光掃描點如圖6所示。

圖6 V柱對接口三維激光掃描

就位后的V柱已在項目整體坐標系內，其掃描結果分析時采用坐標擬合的方式。三維激光掃描前在柱身放置像測貼紙，使用全站儀測出像測點坐標。由于每次僅需測量相鄰2榀V柱的像測點坐標，架站位置較靈活，有效降低了全站儀測量距離遠、偏角大的問題，同時為了進一步提高準確度，每次掃描時設置8個像測貼紙，后續通過三維坐標復核的方法選取準確度最高的4個像測點[6]。

利用獲取的4個像測點坐標將合成好的點云模型轉換到整體坐標系內即可得到擬合結果。此方法可快速擬合分析出偏差結果，以編號為4L的V柱為例，分析結果如圖7、表2所示。

圖7 V柱對接口掃描點編號

表2 掃描得到的結果 mm

3.4 未吊裝受壓環掃描

本項目受壓環體形巨大，整體幾何形狀與屋面馬鞍面保持一致，是承載幕墻、連接屋面索膜結構和V柱的構件，受壓環共分為24段逐個吊裝，總重約6 200t。以首榀受壓環為例，為保證掃描控制精度，根據受壓環地面拼裝形態，至少需設置18個掃描點位，掃描點位布置如圖8所示。

圖8 受壓環掃描點位布置

這樣的點位布置可確保關鍵控制點位的特征面精度，且點云密度較高。通過軟件對多個點位掃描進行合成驗證，清理無用點云模型，設定配準原則，將清理干凈后的點云模型再與BIM理論模型進行比對，擬合方式為手動擬合，通過計算機算法模擬出最佳匹配位置。

3.5 受壓環與V柱模擬對接

分別獲得V柱和受壓環的實體掃描模型之后，將兩個模型在軟件中進行模擬對接。受壓環的主要功能是連接和支承屋面索膜結構，因此拉索耳板索孔位置的精度需要優先保證。模擬對接時，首先要將拉索耳板對位在理論位置上，然后再在精度允許的范圍內(±20mm)調整與V柱的16個對接口對接，盡量減小偏差[7]。以首榀受壓環為例，其與V柱模擬對接結果如圖9所示。

圖9 受壓環與V柱模擬對接結果

根據模擬對接的評估結果，編制V柱位形調整方案與受壓環管口修整方案，在受壓環起吊之前于地面完成受壓環管口的修整，避免高空作業帶來的安全風險。在實際的吊裝對接過程中，實際情況與模擬對接的結果基本吻合，受壓環與V柱的16個對接口全部在3mm的允許錯邊范圍內，順利對接。同時，3個耳板索孔的精度也都在±20mm的允許誤差范圍內，圓滿完成首段受壓環的安裝。

4 三維激光掃描技術優缺點

結合三維激光掃描技術在本項目中的應用，將其與項目初期所用的傳統全站儀測量方法進行對比，歸納總結出如下優缺點。

4.1 優點

1)受環境因素影響小 三維激光掃描采用非接觸掃描目標的方式，無需反射片或棱鏡，被測物無須表面處理，不受掃描環境時間和空間的約束。對于大型復雜結構及人員難以到達的情況，具有傳統測量方式難以比擬的技術優勢，可完成一些費力、高危險部位的測量，克服了傳統測量方法測距遠、偏角大、反射片或棱鏡定位不準的難題。

2)掃描結果精度高 儀器采樣率可達每秒數十萬點，可快速獲取高精度海量點云數據，使用計算機算法代替人工目視判別，避免了人為誤差，數據精度可達毫米級，保證了后期的安裝精度。

3)精簡現場工作 全站儀測量時測量員需要長時間在現場工作，先測量再對照圖紙最終確認偏差。三維激光掃描時操作人員僅需要放置靶標、像測貼紙和設置儀器，后續掃描工作可由儀器自動完成，且后期的數據處理和分析結果可在室內完成，降低了現場工作強度。

4)分析結果更直觀 三維激光掃描最終得到的擬合結果具有可視化、數字化的特征，技術人員可以利用圖像、視頻及模型等方式對操作人員進行交底，可以更直觀地指導現場施工。

4.2 缺點

1)三維激光掃描設備成本較高，需要專業人員操作，不便于現場高頻次使用。

2)三維激光掃描儀在工作時需要有穩定的工作平臺，且儀器與被測物之間距離不宜大于掃描儀標稱工作半徑的40%。

3)掃描數據后期處理及模型擬合所需時間較長。

5 結語

本文通過實際案例，證明了三維激光掃描技術可以應用在大型復雜鋼結構高空對接施工中，其掃描精度可以滿足測量要求，擬合分析結果可為現場決策提供數據支持。這項應用是鋼結構現場施工領域的創新性突破，為后續建筑施工現場測量工作提供了參考依據，同時隨著BIM技術在建筑業的發展，三維激光掃描技術將會更廣泛地應用在鋼結構制作及安裝中，順應裝配式施工全面推進的時代背景。