三維激光掃描技術在裝配式鋼結構住宅項目過程中的應用

裘常卿

(上海建工二建集團有限公司 上海 200090)

近年來裝配式建筑得到了大力推廣,2020年底住宅類建筑的新開工面積中裝配式建筑的占比超過70%。在提高裝配化率環境背景下,裝配式鋼結構的優勢和未來已逐步顯現,部分省份2022年目標滲透率達到10%。據測算2025 年住宅鋼結構用量相比2019年的增量有望達1 741萬t,為行業產量增速每年平均貢獻3.3%左右,裝配式鋼結構住宅將成為裝配式建筑下一階段的重要市場。而如何提升鋼結構住宅的建造施工質量,值得我們研究和探索。

三維激光掃描和BIM 技術作為建筑行業信息化施工的重要支撐手段,已經在很多工程中有了實施案例。對鋼結構住宅的鋼柱、鋼梁體系的實際安裝情況進行高精度掃描,與理論值進行比較和分析,掌握實際安裝精度偏差情況,為后續調整提供數據支持。

1 三維激光掃描技術簡介

1.1 特點及應用價值

三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數據,獲取高精度高分辨率的數字模型。其原理是利用高速的激光波進行掃描測距,大面積、高分辨率地快速連續地獲取被測對象表面的三維坐標、反射率、RGB顏色等空間點位信息。再將如此大量、密集的點信息快速復現出1∶1還原的真彩色三維點云模型,為后續的數據分析等工作提供準確依據。

1.2 特點及應用價值

由于施工現場環境普遍復雜,如果采用傳統的測繪手段,由人工使用檢測儀器來統計構件偏差數據,導致現場測量勘察工作量巨大,耗時費力,宜受環境影響因素較大,精度較低,且可能出現人為操作失誤。而三維激光掃描技術具有快速性、效率高、高精度、自動化等特點,可完美復制各類項目的現場實景,上述特點有利于后期進行方案的調整和優化[1]。

1.3 項目運用思路

①施工現場往往施工工序繁瑣,施工環境復雜,鋼結構構件數量眾多。應當在全面考察勘驗施工現場及掌握施工工況后,選取適合三維掃描的站點初步位置和數量,保證測站點的能夠覆蓋到全部被測物體或結構;②將各測站點的實測數據進行處理與拼接,得到完整的現場實際模型;③將實測模型與理論BIM建模進行對比分析,根據結果或者偏差值大小決定現場是否進行調整以及調整量取值。

2 上海東航金葉苑鋼結構住宅項目應用實踐

2.1 項目簡介

東航金葉苑3#地塊項目位于上海市徐匯區,主要由地上37棟裝配式鋼結構住宅(3棟8層和34棟4層)和整體一層地下室組成,項目總建筑面積約154 831 m2,其中地上建筑面積約82 238 m2,地下建筑面積約72 593 m2,項目總用鋼量約13 000 t,鋼構件數量34 938件。

2.2 項目重難點

①項目體量較大,鋼結構單體多,施工周期短、安裝量大且堆放及施工場地要求高,工序協調難度大;②鋼結構深化單位深化進度緩慢;③鋼結構施工質量要求嚴格,安裝精度要求高。

3 三維激光掃描技術實施方案

3.1 工作流程

三維激光掃描檢測工作應在鋼結構施工開始前1個月啟動,對掃描任務的需求、基礎資料的交接等工作進行確認。現場考察勘驗后編制項目三維激光掃描方案,報各方確認后進入后續人員材料準備及現場實施階段(見圖1)。

圖1 工作流程圖

3.2 掃描設備選擇及人員配備

3.2.1 設備選擇

根據項目現場施工工況、掃描對象、掃描精度等要求,三維激光掃描儀選用Faro350 輔助Lecia TCA2003 全站儀進行外業掃描作業。所采用的相位式大空間三維激光掃描儀擁有每秒近百萬點的測量速度以及350 m 超長測繪范圍,在相位式掃描儀中性能優越[2]。選用點云處理及檢測軟件Scene、數據分析軟件Revit和Geomagic,進行內業數據處理和對比分析(見表1)。

表1 掃描配置列表

3.2.2 人員配置

為了能更好地實施施工現場三維掃描工作,組建項目鋼結構三維掃描小組(見表2),以確保相關工作的準確實施,控制和保障鋼結構施工的精準度,提高施工測量效率。

表2 掃描配置列表

3.3 進度計劃控制

結合項目鋼結構分節深化和安裝情況,每棟樓鋼結構安裝三維掃描檢測選擇按照分節順序依次進行實施。每次三維激光掃描檢測工作,計劃在每節鋼柱和鋼梁安裝完成后2日內完成外業數據采集工作;外業工作完成后,次日提交初步掃描分析報告,3日內完成全部內業數據處理工作并形成完整的三維激光掃描檢測分析報告[3]。

3.4 外業數據采集

3.4.1 數據采集流程現場考察勘驗→編制掃描方案→準備工作→測站及掃描參數設置→現場各站點掃描→數據檢查。

3.4.2 現場考察勘驗

對施工現場進行認真而細致的考察勘驗,熟悉場地情況,掌握正在施工中的各施工工序情況,便于后續針對性的編制架設方案以及掃描工作的現場高效開展[4]。

3.4.3 測站設置

(1)以1#樓為例,為了完整獲取鋼結構構件的各個測量面數據,設置多角度測站點掃描,根據繪制的測站點位平面布置圖(見圖2)中的測點點位依次進行測繪工作,1#樓內部掃描保證每個鋼梁、鋼柱可見位置掃描完整,并保證兩兩測站之間有40%～60%的重疊率;

圖2 1#樓測站點位平面布置圖

(2)多測站掃描時為提高后續數據拼接精度和作業效率,相鄰兩站之間至少保證4個公共參考目標,通過相鄰兩站之間布設公共專用參考球標靶和專用平面參考標靶,來提高整個三維掃描數據拼接的精度;

(3)在實施過程中如遇架設困難、障礙物阻擋等情況,可做適當調整。

3.4.4 外業掃描計劃

表3 外業掃描計劃表

3.5 內業數據處理

外業測量結束后,將數據導入專用點云處理的軟件Scene中進行處理。內業數據處理主要由三維數據拼接、數據去噪、數據上色、數據刪選、表面平滑、表面TIN 模型構建等工作內容組成,最后建立鋼柱和鋼梁的立體模型,與深化設計圖紙和模型對比進行特征點坐標數據提取、斷面分析等。

3.5.1 數據拼接

由于鋼結構單體較多,構件較密集,場地狹小,需要將多次掃描的點云數據進行拼接才可以得到鋼結構的完整點云數據,并統一到同一坐標系下。根據事先布設的掃描參考標靶進行匹配,在后期處理軟件Scene中進行配準,不同測站獲取的點云數據會自動配準到控制網內的坐標系統下(見圖3)。

圖3 未封裝前的點云模型

3.5.2 數據刪選

在內業數據整理過程中,周圍建筑、圍墻、道路、樹木等經過配準的多站數據在很大程度上存在重疊,造成數據冗余。在不損失精度的前提下,需要對數據進行縮減,將與目標無關的點云數據刪除。因此數據配準之后進行冗余處理,處理過程中刪除圍墻、房屋、樹木和地面等,減少數據存儲量,以節約內存空間,提高數據處理速度[5]。

3.5.3 數據去噪

外業掃描過程中,不僅儀器內部可能造成一定的噪聲,同時外界環境中的車輛、人、飛起的塵土和周圍的樹木等都會給掃描的目標物的點云數據產生一定的影響。

在拼接模型的精度達到要求后,需要對多余的點云進行濾波處理。通過Scene軟件特殊計算方式,將相位式掃描儀的數據優化處理,自動去除不合理的噪點。還可以通過人工的方式剔除掃描過程中的行人、汽車等人為噪聲數據,獲取干凈清晰的整體掃描點云數據(見圖4)。

圖4 掃描數據分割去噪過程圖

3.5.4 真彩色點云數據

根據局域坐標系對準,將三維激光點云與掃描過程中拍攝的現場彩色照片重合,獲取鋼結構的三維彩色點云數據(見圖5)。

圖5 掃描數據點云多色彩圖

3.5.5 數據網格查看及基礎功能分析

通過以上三維海量點云的處理,可以完整、直觀地反映鋼結構的現場安裝情況;可以方便查看、量測局部結構的距離、角度、面積及體積分析;可以生成斷面圖、投影圖、等值線圖,為后續數據分析提供基礎數據。

3.6 掃描結果數據對比及分析

通過點云處理軟件Scene和Revit軟件進行數據基本功能處理后,將深化設計Tekla模型與三維激光掃描的點云數據進行數據匹配。進入三維檢測軟件Geomagic,將模型設置為基準數據,點云設置為測試數據。再進入軟件Geomagic對比分析界面進行空間對比分析,精確檢測出鋼結構安裝情況與深化設計Tekla模型的偏差。

如果在導入之前就將模型的坐標系與點云的坐標系統一,即可開始對比計算;如果沒有統一坐標,需要選取建筑4個角點的鋼柱作為對齊基準,分別選取點云和模型上4 根鋼柱底端側面,形成平面對應關系,選取點云和模型上底層樓板位置作為高程對齊基準形成高程對應關系,之后即可開始對比計算。包括定位偏差、構件變形、柱子傾斜度等(見圖6、圖7)。

圖6 檢測對比圖

圖7 鋼柱偏差對比圖

3.7 實施效果及后處理措施

通過現場掃描數據與BIM 模型的對比,1#樓安裝偏差最大的鋼柱均出現在5 層位置,構件編號為1-3GZ22-1、1-3GZ22-2、1-3GZ22-9、1-3GZ11-11(見表4),大部分采取三維激光控制措施后的鋼結構按精度符合要求。

表4 鋼柱偏差統計表

對個別精度偏差較大的點,可通過模型快速定位,第一時間通知現場進行調整。最終整個項目鋼結構安裝精度滿足業主及設計要求。

3.8 內、外業工作質量控制要點

3.8.1 內業工作質量控制

內業平差計算時需嚴格執行規范要求,減少現場環境干擾、氣象條件造成的誤差。外業采集的數據分塊拼接后再全部融合,能夠獲取更加精確的點云數據。

3.8.2 外業工作質量控制

外業測繪需嚴格執行規范要求,控制減少現場環境干擾、氣象條件造成的誤差是控制測量實施中的重點問題。科學合理地架設掃描儀測站點位,對采集高質量三維數據、提高測量精度、全面反映場景細節有著十分重要的意義。為了使點云的絕對坐標滿足精度要求,現場需要盡可能的多布設控制點。

為消減BIM 模型建立誤差與保證實際施工中的測量分析的準確性,必須建立統一的掃描測量控制網。

4 針對有意向使用項目的建議

應用三維激光掃描技術能夠在施工精度、效率和經濟性三方面發揮一定作用。三維激光掃描技術可以較為完整的復制施工現場的復雜環境,形成高精度的實測模型,及時發現構件安裝偏差并及時調整,避免返工造成的工期延誤和經濟損失。與傳統測量方法相比,三維激光掃描技術在復雜的施工現場可以準確、高效、安全地進行復核、監測工作,大幅減少人工測量成本及降低測量誤差,讓數據結果更具說服力。將三維激光掃描數據與BIM 模型有效地結合,快速發現安裝尺寸偏差,便于后續調整。在實際施工中取得了理想的效果,可為其他類似項目提供參考。