三維激光掃描技術(shù)在特異型建筑構(gòu)件檢測中的應(yīng)用探討

摘要：為提高特異型建筑構(gòu)件檢測精度，引入三維激光掃描技術(shù)，開展對構(gòu)件檢測方法的設(shè)計研究。通過利用三維激光掃描技術(shù)，對構(gòu)件數(shù)據(jù)進行采集，對特異型建筑主結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)進行點云處理。結(jié)合特異型建筑構(gòu)件TIN模型與設(shè)計模型比對，實現(xiàn)對構(gòu)件的檢測。通過對比方式得出，新的檢測方法在實際應(yīng)用中，檢測誤差得到有效控制，進而促進檢測精度的提升，為特異型建筑建設(shè)質(zhì)量和水平提升提供技術(shù)條件。

關(guān)鍵詞：三維掃描；構(gòu)件；建筑；特異型；激光

0" "引言

相比普通結(jié)構(gòu)建筑，大型異構(gòu)結(jié)構(gòu)建筑具有形狀奇特、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大、構(gòu)件形態(tài)不規(guī)范等特點，使用傳統(tǒng)的檢測手段進行特異型建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的測量，不僅任務(wù)量大、效率低下、測量精度存在偏差，還會使設(shè)計的構(gòu)件出現(xiàn)無法滿足建筑建設(shè)周期需要的問題[1]。針對此項問題，市場衍生了針對建筑構(gòu)件檢測的三維激光掃描技術(shù)，下述將基于此項技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計特異型建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的檢測方法。

1" "三維激光掃描技術(shù)在特異型建筑構(gòu)件檢測中應(yīng)用

1.1" "基于三維激光掃描技術(shù)的構(gòu)件數(shù)據(jù)采集

為實現(xiàn)對特異型建筑構(gòu)件的檢測，首先需要獲取到建筑構(gòu)件的基本參數(shù)信息[2]。基于特異型建筑構(gòu)件的特點，采用三維激光掃描技術(shù)中的外業(yè)掃描與曲面建模相結(jié)合的方式，實現(xiàn)構(gòu)件數(shù)據(jù)的采集[3]。將基于外業(yè)掃描與曲面建模的構(gòu)件數(shù)據(jù)采集的基本流程設(shè)計如圖1所示。

按照圖1所示的流程，在進行外業(yè)掃描的過程中，針對不同掃描段，需要確保其首尾存在25%的重疊度，對于不同掃描區(qū)域的邊界連接位置，需要確保完全重疊掃描，以此方便后續(xù)模型的拼接[4]。在每一個觀測角度上，都應(yīng)當確保構(gòu)件各項數(shù)據(jù)信息的完整性。

在實際外業(yè)掃描過程中，若遇到結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜或存在嚴重遮蔽的結(jié)構(gòu)，可適當將掃描的行間距設(shè)置更密。針對特異型建筑構(gòu)件，為確保點云完整，從豎直方向上的三個不同高度位置，設(shè)置9個不同角度，并進行外業(yè)掃描，以覆蓋構(gòu)件的所有表面。在完成外業(yè)掃描后，引入Nubers曲面函數(shù)，利用這一函數(shù)實現(xiàn)對特異型建筑構(gòu)件曲面模型的建立。Nubers曲面函數(shù)的表達式如下：

（1）

式（1）中：u和v均代表參數(shù)；S（u，v）代表特異型建筑構(gòu)件Nubers曲面多項式矢量函數(shù)；w代表構(gòu)件與頂點之間的關(guān)聯(lián)權(quán)重；d代表構(gòu)件的控制頂點；Si，p（u）代表參數(shù)u方向p次的規(guī)范構(gòu)件函數(shù)；Nj，p（u）代表參數(shù)v方向q次的規(guī)范構(gòu)件函數(shù)。

通過上述曲面方程可以在后續(xù)建模時，通過調(diào)整構(gòu)件頂點和權(quán)重的方式，實現(xiàn)對曲面形狀的自由改變[5]。在獲取構(gòu)件數(shù)據(jù)時，將已知目標構(gòu)件Nubers曲面沿著外表面相切方向平移，并將其與外表面曲面相交，進而得到所需的曲線。這一過程可通過圖2所示內(nèi)容表示。

最后，在得到曲線上的各個坐標點后，得到構(gòu)件設(shè)計所需離散點的采樣坐標，完成整個構(gòu)件數(shù)據(jù)采集過程。

1.2" "特異型建筑主結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)點云處理

在完成對構(gòu)件數(shù)據(jù)的采集后，需要對數(shù)據(jù)當中主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)的點云數(shù)據(jù)進行處理[6]。圖3為特異型建筑構(gòu)件常見結(jié)構(gòu)示意圖。

通過擬合的方式，得出構(gòu)件端口平面，并進一步提取出交線，得到構(gòu)件的邊界線和與其他構(gòu)件之間相連接的交點。將上述得到的特征點進行提取，并分別返回到相應(yīng)的點云當中[7]。將獲取到的數(shù)據(jù)與設(shè)計階段的特征點數(shù)據(jù)進行匹配，并將設(shè)計點三維坐標導(dǎo)入到點云處理軟件當中，將實際點云擬合的標志點進行拼接匹配處理[8]。在進行點云數(shù)據(jù)處理時，為確保最終檢測的精度，要求點云數(shù)據(jù)處理需要符合表1列出的三項指標。

按照表1中的指標，完成對點云數(shù)據(jù)的處理。拼接點云數(shù)據(jù)時，由于獲取到的點云數(shù)據(jù)是多視角數(shù)據(jù)，因此點云數(shù)據(jù)的空間轉(zhuǎn)換與空間匹配是必需的，具體而言，其處理時應(yīng)當滿足下述目標函數(shù)：

（2）

式（2）中：f（R，T）代表目標函數(shù)；R代表平移變換矩陣；T代表旋轉(zhuǎn)變換矩陣；ai和bi代表需要對齊拼接的點云數(shù)據(jù)。由于檢測環(huán)境無法保證理想，因此在檢測過程中，周圍噪聲會影響 精度。針對這一問題，針對獲取到的點云數(shù)據(jù)還需要進行噪聲處理，假設(shè)P代表經(jīng)過噪聲處理后的點云數(shù)據(jù)，則其表達式為：

（3）

式（3）中：G（x，y，z）代表特異型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的理想點云數(shù)據(jù)；G'（x，y，z）代表典型特異結(jié)構(gòu)部件因表面粗糙度、波紋等原因而產(chǎn)生的偏離值；e（x，y，z）代表因計量自身而引起的確定性誤差；e'（x，y，z）代表因測量中有電、熱、電等因素引起的隨機測量誤差。在經(jīng)過上述處理后，點云數(shù)據(jù)的精度大幅度提升，為后續(xù)檢測提供有利條件。

1.3" "特異型建筑構(gòu)件TIN模型與設(shè)計模型比對檢測

在完成對點云數(shù)據(jù)的處理以及構(gòu)件的特征點匹配后，將掃描獲得的點云數(shù)據(jù)和設(shè)計數(shù)據(jù)統(tǒng)一在一個坐標系當中。在這一坐標系內(nèi)，對兩種由相應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)件的模型進行對比，以此判斷特異型建筑構(gòu)件實際建設(shè)情況 是否與設(shè)計要求一致，達到檢測目的。

為方便對比，將特異型建筑構(gòu)件模型建立在三角網(wǎng)當中，構(gòu)件一個特異型建筑構(gòu)件TIN模型。在建模時，要求將不相干的表面數(shù)據(jù)去除，例如邊緣雜物數(shù)據(jù)等。通過三角網(wǎng)對模型的優(yōu)化，將實際采樣的大氣的構(gòu)件點云數(shù)據(jù)與設(shè)計參數(shù)疊加，并通過獲取斷面的方式，實現(xiàn)對比檢測。通過檢測結(jié)果可直觀得出構(gòu)件加工實際情況與設(shè)計結(jié)構(gòu)之間存在的誤差，以此實現(xiàn)對建筑構(gòu)件的檢測。

2" "實驗

三維激光掃描技術(shù)在市場內(nèi)的應(yīng)用日漸成熟，現(xiàn)階段此項技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)的檢測手段，此項技術(shù)可實現(xiàn)檢測的非接觸，并可利用其自身極高的采樣頻率，獲取建筑工程現(xiàn)場大量的點云數(shù)據(jù)，再通過對點云數(shù)據(jù)的合成、處理、拼接，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的高精度檢測。

本文主要利用三維激光掃描技術(shù)，對某地區(qū)政府投資建設(shè)的大型公共建筑項目進行構(gòu)件檢測，通過將此方法檢測結(jié)果與傳統(tǒng)方法檢測結(jié)果的對比，以證實此次設(shè)計的方法在應(yīng)用中的可行性。

本次檢驗的公共建筑為體育場建筑，以建筑中的一項極限體育運動設(shè)施為例設(shè)計實驗。建筑主體結(jié)構(gòu)是一個呈現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)的雙曲面賽道，此賽道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型獨特，空間形式多變，使用傳統(tǒng)的技術(shù)手段進行構(gòu)件的檢測，不僅會存在定位困難的問題，還會出現(xiàn)檢測結(jié)果與平滑曲面不適配的問題。因此，決定使用三維激光掃描技術(shù)，對此建筑的支撐構(gòu)件進行檢測。

檢測步驟如下：提取建筑設(shè)計信息，建立主體結(jié)構(gòu)的表面模型；使用三維激光掃描儀器，進行支撐構(gòu)件所在空間位置的定位，定位后掃描其表面，獲取結(jié)構(gòu)的特征點；使用找平系統(tǒng)。對表面數(shù)據(jù)進行處理，得到表面點云數(shù)據(jù)集合；將點云數(shù)據(jù)與設(shè)計結(jié)構(gòu)模型進行比對，確保結(jié)構(gòu)適配后，參照模型的等比例計算公式，輸出構(gòu)件外觀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對構(gòu)件的檢測。上述內(nèi)容中，所選用的三維激光掃描儀器應(yīng)符合表2所示標準。

根據(jù)設(shè)計圖紙內(nèi)容與實際檢測要求，已知該結(jié)構(gòu)的底部支撐結(jié)構(gòu)屬于鋼結(jié)構(gòu)。在施工前，需要對此構(gòu)件進行掃描測量，并明確掃描測量結(jié)果的精度將直接對工程施工后的質(zhì)量造成影響。

在安裝施工前，采用三維激光掃描儀器，在建筑結(jié)構(gòu)安裝施工現(xiàn)場進行實地檢測，將實地檢測結(jié)果與設(shè)計的支撐構(gòu)件模型進行匹配與對比檢測。此次檢測設(shè)計點云數(shù)據(jù)之間的采樣間隔為3 mm，掃描作業(yè)時長為5min。完成掃描后，將采集的樣本數(shù)據(jù)使用Trimble進行點云處理。將處理后的數(shù)據(jù)在模型中進行拼接，得到如圖4所示的檢測成果。

根據(jù)圖4可知，此項技術(shù)可以實現(xiàn)對檢測對象實體結(jié)構(gòu)的逐步描述，為此可按照此種設(shè)計方式，對結(jié)構(gòu)支撐位置進行點云數(shù)據(jù)的提取與建模。

檢測過程中，使用RealWorks軟件，將結(jié)構(gòu)底部支撐構(gòu)件與實體結(jié)構(gòu)坐標系統(tǒng)進行匹配，將匹配后測量結(jié)果與水準儀現(xiàn)場實測的結(jié)果進行對比（以支撐構(gòu)件中三段構(gòu)件為例），對比結(jié)果見表3。

使用傳統(tǒng)方法對此構(gòu)件進行檢測，將本文方法檢測結(jié)果的誤差與傳統(tǒng)方法檢測結(jié)果的誤差進行對比如表4所示。

3" "實驗結(jié)論

通過上述研究，得到如下幾點結(jié)論：

根據(jù)表3中的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，三段構(gòu)件的檢測結(jié)果誤差均在±10mm范圍內(nèi)，盡管誤差值較小，但相關(guān)工作的實施仍需要進一步改進，盡量在后期測量中降低測量誤差。根據(jù)表4中的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，本文方法檢測結(jié)果的誤差最大值為5.645mm，最小值為1.258mm；傳統(tǒng)方法檢測結(jié)果的誤差最大值為15.654mm，最小值為4.987mm。對比兩個方法的測量誤差可知，本文方法的誤差顯然小于傳統(tǒng)方法的誤差，說明本文方法對于結(jié)構(gòu)件的檢測精度更高。

參考文獻

[1] 羅昆，祝雯，劉碧燕，等.裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件灌漿連接質(zhì)量檢測技術(shù)綜述[J].廣東建材，2022，38（5）：37-41.

[2] 劉正帥，李勇，任淑廷，等.構(gòu)件損傷脈沖調(diào)制渦流檢測探頭新構(gòu)型及性能綜合分析[J].電子測量與儀器學(xué)報，2021，35（9）：170-178.

[3] 耿豪劼，劉榮桂，蔡東升，等.沖擊回波法檢測混凝土構(gòu)件內(nèi)部缺陷大小研究[J].混凝土，2021（11）：150-154+160.

[4] 凡麗梅，董方旭，段劍，等.快速無損檢測技術(shù)在復(fù)合材料構(gòu)件中應(yīng)用與發(fā)展[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，35（4）：32-38.

[5] 宋雄彬，廖興升，譚學(xué)民，等.基于相控陣超聲成像法的裝配式鋼筋混凝土構(gòu)件缺陷檢測技術(shù)應(yīng)用研究[J].廣州建筑，2022，50（1）：38-43.

[6] 楊興宇，張海輝，劉劍均，等.承插型盤扣式鋼管支架構(gòu)件力學(xué)性能檢測依據(jù)分析探討[J].廣東土木與建筑，2021，28（8）：132-134.

[7] 林珊珊，康達，李新華，等.典型缺陷構(gòu)件的計算機射線照相檢測與常規(guī)射線檢測對比[J].無損檢測，2021，43（11）：23-26+57.

[8 張玉燕，張朋楊，楊若然，等.基于超聲檢測的構(gòu)件層間粘接缺陷識別方法[J].測控技術(shù)，2021，40（10）：57-62+68.