基于激光掃描的公路鋼梁橋模擬預拼裝方法*

羅博仁,劉德強,吳游宇,余紹淮

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430056)

0 引言

鋼梁橋構件類型較多、形式復雜,且構件間的空間關聯(lián)性較強,因此,對構件間銜接的制造精度要求也很高。由于制造誤差難以避免,在橋梁施工現(xiàn)場架設鋼梁橋節(jié)段時若發(fā)現(xiàn)安裝精度不夠,將難以修正和調整,嚴重影響工期。所以,依據(jù)相關標準規(guī)范要求,鋼梁橋在架設前必須在制造廠或施工現(xiàn)場開展實體預拼工作,檢測制造精度,測試整體拼裝效果,以便及時修正,加快吊裝速度,確保一次性架設成功。

目前,實體預拼工作均是在專設的胎架上進行[1-5],該方式面臨以下問題:①對拼裝場地空間、設備要求高;②拼裝工作耗時長,需搭設大型胎架,測量、檢測時間長;③測量精度、效率有待提升;④整體經(jīng)濟性較差。

而現(xiàn)實中,受項目工期、場地等多方面因素制約,有時不具備實體預拼條件。因此,有必要考慮數(shù)字模擬預拼裝方式,即采用數(shù)字化技術手段,獲取鋼梁橋各節(jié)段真實、精細三維模型,在計算機端獲得鋼梁橋節(jié)段的制造精度,以模擬預拼裝取代實體預拼裝。傳統(tǒng)數(shù)字化模擬預拼裝通常采用全站儀[6-7]、數(shù)字攝影測量[8]的方法獲取鋼梁橋節(jié)段少量關鍵點三維坐標,通過分析、比對節(jié)段間關鍵點坐標匹配性實現(xiàn)模擬預拼裝,此類方法獲取的關鍵點數(shù)量較少,難以全面表征節(jié)段的整體情況。隨著三維激光掃描技術的發(fā)展和推廣,研究人員嘗試利用三維激光掃描技術獲取鋼梁橋節(jié)段表面完整點云[9-10],通過對點云的測量、比對、分析實現(xiàn)模擬預拼裝。

但從文獻所展示的工程應用實例中可看出,基于激光掃描的節(jié)段模擬預拼裝技術主要有以下難點。

1)節(jié)段完整高精度點云采集困難,需架設多個測站并將多測站點云數(shù)據(jù)拼接才能獲取節(jié)段完整點云,但拼接過程中極易造成誤差累積,從而降低數(shù)據(jù)精度。

2)節(jié)段精確建模困難,節(jié)段結構復雜,難以利用激光點云進行建模實現(xiàn)對節(jié)段的精準表達。

3)節(jié)段間匹配拼裝誤差獲取困難,當前節(jié)段模擬預拼裝僅利用點云與節(jié)段設計模型進行簡單比對、測量,自動化程度低、易引入人為誤差。

針對以上問題,本文依托武漢市某人行鋼梁橋項目,基于三維激光掃描技術,從節(jié)段完整掃描、高精度建模、模擬預拼裝精度分析,給出以上問題的工程解決方案,驗證本項目技術可行性。本文技術流程如圖1所示。

圖1 技術流程

1 工程概況

武漢市某公路鋼梁橋全寬5.0m,凈寬4m,全長216m,路基段49m,上部結構采用連續(xù)鋼箱梁。選取上部結構鋼箱梁中連續(xù)3段鋼箱梁進行試驗驗證,依次進行節(jié)段的激光點云數(shù)據(jù)采集、預處理、建模,基于節(jié)段三維模型測量梁寬、梁高、鋼板厚度等參數(shù),并對多節(jié)段進行模擬拼裝,檢驗節(jié)段間接口焊縫間隙、對接縫錯邊量等參數(shù),驗證本項目技術可行性。

2 鋼梁橋節(jié)段掃描與數(shù)據(jù)預處理方法

節(jié)段完整、精確掃描是模擬預拼裝的基礎。但由于鋼梁橋節(jié)段結構復雜,內(nèi)部各種板、肋交錯,相互間遮擋較嚴重,必須架設多個測站才能實現(xiàn)對節(jié)段完整覆蓋掃描。而且施工現(xiàn)場環(huán)境復雜,掃描過程極易受環(huán)境干擾。由于以上原因,導致單節(jié)段點云數(shù)據(jù)掃描、多節(jié)段點云數(shù)據(jù)拼接過程中極易出現(xiàn)誤差累積,而大幅度降低數(shù)據(jù)精度。本文采用如下方法實現(xiàn)節(jié)段完整、精確掃描。

對于單個鋼箱梁節(jié)段,利用地面式激光掃描儀需掃描4個測站,測站布設在節(jié)段四角,測站位置與節(jié)段最近點距離應≤5m,若節(jié)段體積較大,可在測站1,2間與測站3,4間各增加1個測站。依次將地面式激光掃描儀架設在測站1～4處對鋼梁橋節(jié)段進行掃描,并在掃描范圍內(nèi)布設≥6個球形靶標。通過調整地面式激光掃描儀的掃描范圍,確保每一測站至少能掃描到4個球形靶標[11]。

本文采用Faro Focus地面式激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集,該型號掃描儀精度為10m處測距精度±1mm。 每根鋼箱梁共設6個測站,布設10個球形靶標,設置掃描分辨率為5m距離處約4mm。鋼箱梁節(jié)段掃描方法如圖2所示。

掃描獲取的原始數(shù)據(jù)包含大量環(huán)境雜點且點云數(shù)據(jù)過于密集,不利于后續(xù)輕量化建模,需刪除環(huán)境雜點,并對節(jié)段點云進行降采樣以減少點云數(shù)據(jù)量。節(jié)段點云降采樣需結合鋼箱梁節(jié)段形態(tài)特征,對于板肋結構復雜部位需盡量多保留點,對于結構簡單、特征較少部位(如頂、底板)可保留較少點。

本文采用如下算法實現(xiàn)點云自適應降采樣[12]。

1)對鋼梁橋節(jié)段點云,采用邊長為10cm的空間三維網(wǎng)格將鋼梁橋節(jié)段點云劃分成塊,如果塊內(nèi)點云數(shù)量<2 000個,則不進行后續(xù)計算。

2)將每塊點云以1cm的空間三維網(wǎng)格劃分為體素,每塊三維網(wǎng)格包含10×10×10=1 000個體素。如果體素內(nèi)激光點>20個,則記為有效體素,且參與后續(xù)計算,否則不參與后續(xù)計算。記錄當前塊內(nèi)有效體素數(shù)量為m。

圖3a所示為刪除環(huán)境點之后共有220萬個點,圖3b所示為進行自適應降采樣后共有110萬個點(受限于圖片顯示效果,難以從以上圖片觀察點云局部變化),點云數(shù)量大幅度減少,但細節(jié)特征并未損失。

圖3 掃描數(shù)據(jù)預處理

3 鋼梁橋節(jié)段點云拼接、建模方法

3.1 多測站點云數(shù)據(jù)拼接方法

單測站僅掃描覆蓋節(jié)段局部,需將多測站點云進行拼接融合才能得到節(jié)段完整點云。多測站點云數(shù)據(jù)拼接是利用球形靶標作為公共點,采用兩兩拼接方式完成。對于兩測站點云,選取≥4個公共球形靶標,擬合球形靶標球心坐標,利用球心坐標計算兩測站點云坐標轉換參數(shù),實現(xiàn)兩測站點云拼接融合。其計算公式為:

式中:[xc1yc1zc1]T為測站1中球形靶標b1,b2,b3,b4的球心坐標;[xc2yc2zc2]T為測站2中球形靶標b1,b2,b3,b4的球心坐標;εx,εy,εz為旋轉參數(shù);t1,t2,t3為平移參數(shù)。鋼箱梁A多測站掃描點云以及點云融合結果如圖4,5所示。

圖4 測站1～6點云

圖5 6測站拼接后完整點云

3.2 節(jié)段點云建模方法

激光掃描獲取了離散無序的三維點,需對節(jié)段點云進行建模封裝生成三維模型,才能替代節(jié)段實體進行模擬拼裝。

本文采用Geomagic軟件進行建模封裝,構建NURBS曲面模型[13],由曲線和曲面定義、恢復構件輪廓特征。在保證建模精度的基礎上,使得模型表面光滑、過渡自然。

最終構建的3個連續(xù)節(jié)段三維模型如圖6所示(圖中顯示尺寸不同是由于縮放比例差異),由圖可看出,鋼箱梁細節(jié)特征均得到完整展現(xiàn)。

圖6 3個連續(xù)節(jié)段建模結果

4 鋼梁橋節(jié)段模擬預拼裝及精度分析方法

在模擬拼裝前,首先需檢驗單節(jié)段的制造精度,本文通過對比模型測量值、實體測量值、設計值,實現(xiàn)對制造精度的檢驗,同時論證節(jié)段建模精度。

分別用鋼卷尺測量3根鋼箱梁的高度、頂板寬度、橫隔鋼板厚度,并在三維模型上測量3根鋼箱梁的高度、頂板寬度、橫隔鋼板厚度,對二者進行對比,其結果如表1所示。

表1 鋼箱梁相關參數(shù)測量值與設計值對比

由表1可知,共測量9組數(shù)據(jù),只有1組測量誤差達到3mm,證明本文激光掃描測量數(shù)據(jù)的精確性,即表明利用鋼箱梁節(jié)段三維模型模擬預拼裝可反饋實體拼裝真實情況,精度滿足一般規(guī)范要求。

鋼梁橋節(jié)段拼接主要有焊接、螺栓連接等連接方式。本文參照實體預拼裝作業(yè)流程,選取拼接參考點、參考線,將不同的節(jié)段三維模型轉換到統(tǒng)一坐標系中,實現(xiàn)模擬預拼裝。本文利用AutoDesk Inventor軟件對3個連續(xù)節(jié)段三維模型進行模擬預拼裝,其拼裝整體效果如圖7所示。

圖7 3段鋼箱梁模型拼裝結果

模擬預拼裝精度檢查的主要內(nèi)容包括拼裝碰撞、對接縫間隙和錯邊量,其中最關鍵的是拼裝碰撞。依據(jù)橋梁現(xiàn)場施工經(jīng)驗,若在高空架設過程中發(fā)現(xiàn)較多拼裝碰撞,節(jié)段調整修正的難度更大。

拼裝碰撞檢查可利用Inventor軟件的干涉分析模塊,自動提取、定位拼裝后節(jié)段間碰撞部位。本文共檢測到2處碰撞。利用Inventor軟件的透視觀察工具,可發(fā)現(xiàn)碰撞發(fā)生在鋼箱梁A,B連接處的中央橫隔板處及鋼箱梁B,C連接處的頂板左側。對接縫間隙、錯邊量數(shù)據(jù)通過觀察、測量獲取,利用Inventor軟件的可視化測量工具,逐一檢查對接縫,尤其是發(fā)生拼裝碰撞的對接縫。檢查過程中未發(fā)現(xiàn)有對接縫間隙、錯邊量>5mm的部位(見圖8)。

圖8 拼接碰撞檢測與定位(碰撞位于右圖中紅色區(qū)域)

相比于實體拼裝,模擬預拼裝最大的優(yōu)勢在于檢測過程十分便捷。受限于節(jié)段的結構特點,在實體拼裝過程中,內(nèi)部拼裝截面難以測量,而模擬預拼裝則完全克服這一難點。

5 結語

本文研究了鋼梁橋數(shù)字化模擬預拼裝技術,從點云數(shù)據(jù)預處理、節(jié)段三維建模、精度分析方法等方面對傳統(tǒng)模擬預拼裝技術方案所面臨的痛點問題提出解決方案,具有較強的技術先進性與實用性。本文所述模擬預拼裝技術僅僅是對鋼箱梁節(jié)段在特定環(huán)境下的靜態(tài)模擬。

在大型鋼箱梁現(xiàn)場架設中,受多方面因素影響,鋼箱梁存在動態(tài)變形,如溫度引起的熱脹冷縮、風力引起的對準誤差和吊裝過程中由于鋼箱梁自重較大產(chǎn)生的彎曲變形等。這些因素導致現(xiàn)場吊裝時鋼箱梁的真實狀態(tài)與靜態(tài)掃描得到的模型數(shù)據(jù)有一定差異,甚至會造成模擬預拼裝中檢測到節(jié)段間匹配情況良好,但在吊裝過程中出現(xiàn)匹配安裝困難的情況。

以上引起動態(tài)變形的不利因素中,部分因素可削弱其影響。例如,①風力影響 可選擇在無風天氣進行吊裝;②溫度影響 可限定模擬預拼裝與現(xiàn)場吊裝處于同一日內(nèi)時間段,且時間間隔不宜太久。但這些限制手段會干擾鋼箱梁的架設進程。另外,吊裝過程中因自重產(chǎn)生的彎曲變形則難以控制,而大型鋼箱梁的吊裝變形可能>10cm。

因此,精準模擬鋼箱梁吊裝動態(tài)變形情況才是模擬預拼裝技術的難點,在模擬預拼裝過程中引入溫度、風力、吊裝形變等變量也是本技術進一步研究的重點。