超大空間雙曲面大吊頂測量及三維掃描技術應用

李志瑞 陳 華 于秀斌 鄢全科 封 銳

中國建筑第八工程局有限公司 上海 201204

復雜的雙曲面漸變分布吊頂系統，具有多造型拼接、超高安裝難度大的特點，測量放線點多、面廣、精度要求高。為保證雙曲安裝的效果，測量工作是實現設計的第一步，也是最重要的基礎工作[1-3]。本文以杭州蕭山國際機場三期工程航站樓大吊頂為背景，對復雜雙曲吊頂的測量方法及三維掃描應用進行總結，可為類似工程提供借鑒。

1 項目背景

1.1設計理念

杭州蕭山國際機場三期工程航站樓空間高大寬闊，整體設計以荷葉、荷花為藍本，豎向柱采用荷葉造型，大吊頂采用菱形肌理單元分塊，象形寓意“接天蓮葉、出水芙蓉”；大吊頂的設計除去荷花谷、荷葉柱的獨特造型外，根據整體建筑的特點與柱網分布，進行了整體天花造型的分割，形成主次有序的天花節奏，以富于流暢感的布局形態，凸出中國文化中的傳承與啟發，讓人們感受到杭州這座城市獨特的中國文化氣質（圖1）。

圖1 航站樓室內設計效果圖

1.2難點分析

1）前期結構、網架采用分區施工模式，航站樓共7個提升分區，根據提升分區大吊頂劃分為2個施工標段，在不同單位且各施工區域不同期的情況下，如何保證安裝效果統一是總承包管理統籌協調的重點，標段劃分如圖2所示。

圖2 航站樓網架提升分區

2）航站樓屋面系統為網架體系，施工采用整體提升方案，地面預拼裝調整平面位置后整體提升，提升后再插入鋼柱與封邊桁架進行焊接，卸載后難免存在結構偏差。而吊頂及荷葉柱為復雜的雙曲飾面板，結構與飾面的空間有限，施工前應進行結構復核，根據實際情況進行龍骨、板塊下單是保證雙曲效果的關鍵工作。

2 控制測量方案

2.1控制測量體系

為保證大空間雙曲造型測量的整體性，本著整體控制局部、步步有檢核的原則，項目平面控制網分三級測設：首級控制網為總控制網，二級控制網為航站樓出發層總控制網，三級控制網為軸線控制網。

首級控制網的建立以測繪院提供的控制點為基準，采用GPS靜態布網進行敷設；二級控制網依據首級平面控制點，采用全站儀導線測量進行引測；三級控制網采用直角坐標法和極坐標法測設軸線控制點。GPS靜態測量、直角坐標和極坐標測量的應用已較為廣泛，本文不再對一級、三級控制網贅述，而大空間測量的起算控制測量方法應用不盡相同，大多未有較嚴謹的測量程序，下文將對二級控制網的測設展開說明。

2.2二級導線控制測量方案

根據首級控制網基準點坐標，進行二級平面控制網閉合導線布設（閉合導線等級標準二級），二級控制網平面如圖3所示。

圖3 二級控制網平面布置示意

采用徠卡TCR1201型全站儀進行角度測量（盤左盤右2測回取平均值）、距離測量（前后測回取平均值），由控制點按照順時針方向，依次測量方向角、距離。

數據采集完后進行內業計算，觀測數據取平均值后采用“四舍五入逢五無后則留雙”的原則進行數值修約。通過已知點坐標、觀測角及水平距離進行坐標正算，推導出控制點的坐標。為了減少坐標正算手工計算的難度，本項目利用Excel編輯內置函數和邏輯計算功能，設計了閉合導線計算表進行平差計算。

3 三維掃描方案

三維激光掃描是利用激光測距原理，由激光發射器發射出激光，再由接收器接收物體表面反射回的激光信號，利用時間計數器計算發射和接收激光的時間差，通過計算迅速獲取物體表面大量密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息。三維掃描測量工藝如下：站點布置→目標建筑三維掃描→點云數據處理→誤差分析→模型確定→數據結果整理保存。

3.1三維掃描站點布置

三維掃描的目標建筑比較復雜，無法通過一次掃描工作便得到整體的三維數據，必須從不同的站點進行數據采集，從而將得到的數據進行拼接，得到完整的物體表面模型。根據圖紙以及現場實地勘察，得到以下站點布置方式，見表1。

表1 三維掃描布點間距

3.2三維掃描的實施

根據大吊頂施工的精度要求，三維掃描選擇FOCUSS 150機型實施掃描作業，作業實施如圖4所示。

圖4 三維掃描現場實施

3.3點云處理

在三維掃描測量過程中，存在一系列因素，影響測量點云結果的準確性，因此在進行建模工作之前需對點云進行相應的處理工作，點云處理的主要方法有噪聲點剔除、數據精簡、數據平滑處理和數據對齊等。

噪聲點剔除：三維掃描測量過程中，受測量方式、被測量物體的材料性質及其他外界干擾因素，數據會產生較大的誤差，需通過噪聲點剔除篩選有效點云。

數據精簡：三維掃描測量結果點云十分密集，數量龐大，因此需在保證測量精度的前提下，對測量數據進行精簡。原則是：在掃描曲率變化較大的區域保持較多的數據點，在掃描曲率變化較小的區域，減少數據點。

數據平滑處理：點云中存在的部分隨機誤差會影響后續曲面的構建，在構建曲面之前，需對點云數據進行平滑處理，常用方法為平均值處理。

數據對齊：在測量不同區域時，測量位置對應的坐標系并不相同，所以需要把不同測量區域的坐標系統進行統一并消除相應重疊部分。

3.4建立最終模型

根據拼接好的點云模型，優化抽稀5 mm×5 mm間隔，刪除非施工區域范圍，最后將處理完成的點云模型與理論鋼結構模型進行碰撞檢測。根據點云處理完成后的結果與理論模型對比，發現其中的碰撞，確認空間是否滿足施工需求。根據模型調整相應的施工參數，如圖5所示。

圖5 荷葉柱模型調整分析

4 大吊頂施工測量方案

本項目大吊頂雙曲板細縫處拼接要求2 mm，對施工的安裝要求極高，因此，大吊頂施工過程從配件系統安裝到主龍骨、弧形副龍骨、吊裝盤和鋁板的安裝，全站儀全程跟蹤定位及檢測，實時用Rhino軟件提取數據，在現場標示出來，指導工人安裝。

計算工作由儀器在現場自動完成，并在顯示屏上顯示相應坐標（也可自動記錄在電子手簿內），因而杜絕了人工計算出錯的問題，同時提高了效率。

在現場放樣時，按照三維坐標法的原理，其測量放樣方法如圖6所示。一般是在一個控制點上架設全站儀，設置好各項儀器參數，以固定點為后視方向進行定向，完成測站設置后，依次在待測結構輪廓點處立鏡，全站儀照準相應輪廓點處的反射棱鏡或反射貼片進行測量，儀器立即顯示出各點的三維坐標。

圖6 全站儀三維放樣示意

5 結語

1）采用整體控制測量的方式，為大空間吊頂系統安裝提供統一且精準的起算依據，保證了分段、分期施工的統一性。

2）應用三維掃描技術，對結構誤差進行分析，調整模型及基層龍骨尺寸，消除了結構誤差帶來的安裝難度。

3）采用精密施工測量，對大吊頂系統安裝過程進行三維坐標定位，保證了飾面層的空間定位精度。