三維激光掃描技術在建筑變形監測中的應用

李紅勤

(廣西壯族自治區第四地質隊,廣西 南寧 530031)

0 引言

建筑工程的持續性與安全性受到結構變形的潛在影響,此種變形可能由多種原因引起,如自然老化、地質不穩定、環境因素或重載作用。尤其在超高層建筑物的工程管理中,變形監測是確保結構完整性和人員安全的關鍵環節[1]。傳統的監測方法,如水準測量、全站儀監測等,盡管已廣泛應用,但在數據收集的精確性和效率上存在限制。而三維激光掃描技術,憑借其高精度、高速度的數據采集能力,已成為工程測量領域的重要進展。該技術生成的高密度點云數據能夠構建出精確的三維模型,對建筑物的微小變形進行有效捕捉,進而實現結構健康監測的動態化和自動化。因此,本研究旨在探討三維激光掃描技術在超高層鋼結構變形監測中的實際應用,通過對廣西壯族自治區商務主樓鋼結構的監測案例分析,旨在概括出該技術在建筑變形監測領域內的應用流程與有效方法。

1 項目概況

本項目為廣西壯族自治區某商務主樓,該工程地處繁華商業區,緊鄰區域交通樞紐,具有顯著的地理優勢。商務主樓設計高度達到350 m,地下3層,地上68層,總建筑面積約為145 000 m2。建筑設計靈感源自于壯族文化的元素,其流暢的線條與現代商務的氣息相結合,意在成為廣西的新地標及經濟發展的象征。項目的主體鋼結構分布于核心筒及其外圍,總用鋼量約2.5萬t。地上主體結構體系為“外框勁性框架+勁性核心筒+伸臂桁架+腰桁架”,主塔樓鋼結構由“外框架+核心筒+桁架層+塔冠桅桿”四部分組成,以確保結構的穩定性與抗震性能。具體塔樓鋼結構體系見圖1。

在該商務主樓的鋼結構建設過程中,面臨著超高層建筑特有的挑戰,如巨大的結構自重、高度復雜的設計以及高空作業的安全性問題。同時鋼結構的精確安裝對于建筑物的整體質量和使用安全至關重要。因此,在竣工階段為了確保核心筒及框架結構的精準性,應對結構的水平和垂直變形進行嚴格監測和控制,確保建筑物完整性和安全性的重要步驟。

2 三維激光掃描技術在建筑變形監測中的應用

2.1 三維激光掃描技術變形監測流程

基于該商務主樓的實際情況,本次采用三維激光檢測技術,對該建筑的鋼框架主體進行變形監測。其監測流程如圖2所示。

從圖1中可以看出,本次將三維激光掃描技術在建筑變形監測中的應用分為了四個階段,即數據采集階段、數據處理階段、分析與應用階段。其中,數據采集階段包括現場數據采集與原始數據處理?，F場數據采集是利用三維激光掃描儀在現場進行數據采集,包括建筑物的三維形態和空間位置等信息。原始數據處理是將采集到的數據進行初步處理,包括數據的清洗、濾波等,以去除噪聲和不必要的信息。數據處理階段包括數據轉換、模型重建與數據融合[2]。數據轉換是將處理后的原始數據轉換為可以進行進一步分析的格式。模型重建是基于轉換后的數據,使用相關軟件(BIM技術)進行三維模型的重建[3]。數據融合是將掃描數據與其他建筑信息數據進行融合,以得到完整的監測數據。分析與應用階段即是將重建的三維模型導入到CAD軟件中,在CAD環境下,對建筑物的三維模型進行詳細分析,識別結構變形。并依據分析結果,制定相應的建筑變形監測與應對措施。

2.2 數據獲取

2.2.1 掃描前準備

在執行三維激光掃描前,首要任務是對施工現場進行詳細勘查以決定激光掃描設備的安放點,從而在保證掃描質量的前提下節約掃描所需時間與掃描數據體量,為數據后處理奠定良好基礎[4]。首先為了校準掃描設備并確保框架梁的彎曲度量準確無誤,必須在關鍵區域預先放置直徑為4.5 in(11.43 cm)的黑白標靶。此外,采用獨立的架設點進行掃描,設定基本分辨率為6.3 mm@10 m距離,而對于框架梁的詳細掃描則調整為更高分辨率的3.1 mm@10 m,以確保大約1 mm的點云密度,更精確地反映結構的實際狀況。在整個鋼結構框架上,每隔1.0 m～1.5 m均勻貼上P40型號的黑白標靶,以實現全面而均勻的現場掃描覆蓋[5]。相關的掃描現場布置見圖3。

2.2.2 掃描標靶

完成點云掃描后,緊接著對各測站的標靶進行掃描工作,這一環節分為三個主要部分:首先,掃描的第一部分包括那些用于后期數據拼接的標靶,確保每個測站間至少共享兩個標靶點以便于數據整合;其次,第二部分涉及到那些基于預先規劃的中線位置而設置的標靶,這些將在虛擬安裝階段用作定義控制基準;最后,第三部分的掃描集中于框架梁的側面和頂部標靶,這些標靶的坐標點用于計算框架梁的側向撓度,并通過標靶間的距離與全站儀測得數據的對比,來校驗掃描儀的測量精度[6]。

2.3 數據處理

2.3.1 數據導入

在三維激光掃描變形監測的數據處理過程中,數據導入利用專業軟件,如點云處理軟件和CAD插件,將上步掃描得到的原始點云數據被導入到處理平臺。同時數據導入步驟涉及將現場掃描得到的點云數據轉換成軟件可識別的格式,即RCP(Autodesk Recap)格式[7]。此類格式能夠保留空間點的位置信息及其對應的反射強度值,為后續的數據過濾與提取奠定基礎。并利用Cyclone-Register 模塊進行站站之間的數據自動拼接,生成專業的拼接報告并輸出。使用徠卡P40專用4.5in(11.43 cm),將站站之間整體拼接精度控制在±1.5 mm以下。

2.3.2 數據過濾與提取

本項目采用Leica Cyclone軟件執行數據清洗,去除由于設備誤差、環境因素或非監測對象(如過路人員和雜散物體)引入的噪點。應用幾何一致性過濾器和反射強度篩選,確保僅保留與建筑結構相關的點云數據。此外,該軟件輔助提取結構關鍵部位的幾何特征點,包括梁、柱和節點等。這些特征點的提取是基于建筑構件的形狀和空間布局,確保后續分析的準確性。得到的凈化和特征化點云數據隨后用于生成精確的三維模型,以及與BIM模型對照,完成建筑變形的詳盡分析。

2.4 建筑鋼框架主體水平方向變形監測

在施工過程如鋼材的切割、配對、焊接以及安裝等環節中,由于熱量和內應力的積累,構件會發生一種稱作旁彎的變形。旁彎監測是確保構件在水平方向上結構形態正確性的關鍵措施。在此工程項目中,施工團隊運用了三維激光掃描技術來跟蹤框架梁的形變,并收集了框架梁旁彎的詳細數據。為了驗證這些數據的精度,還采用了高精度的全站儀(Leica TCR1202+)進行了獨立測量,相關的數據和分析結果見圖4,表1。

從以上數據中可以看出,框架梁旁彎的數據整體趨勢保持一致,且所有的最大旁彎值均滿足工藝規定的不超過8 mm的標準,并出現在相同的測點位置。進一步地,將三維激光掃描儀和全站儀的測量結果進行對照分析,發現二者之間的差異維持在2 mm以內,并且數據具有較低的方差,說明測量結果穩定,波動性小。此結果充分證明了采用的監測變形技術的可靠性。

表1 框架梁旁彎數據分析

3 結語

三維激光掃描技術通過精確捕獲鋼框架主體的三維數據,為監測超高層建筑物的結構健康提供了一種快速、可靠的手段。同時通過結合先進的點云處理和CAD軟件,本研究不僅成功實施了對廣西壯族自治區某商務主樓的水平方向變形監測,而且為此類結構的未來監測提供了一個可復制的工作流程模板。可以說,本次研究成果對于工程領域的專業人員在保障結構安全性和延長建筑壽命方面具有較高的理論價值,有助于建筑變形監測技術的創新和發展。