基于三維激光掃描的鋼套箱圍堰加工誤差檢測

摘" 要：隨著基礎設施建設的不斷發展，鋼套箱圍堰作為重要的臨時結構，其加工質量直接影響工程的安全和穩定。目前，傳統的工廠加工誤差檢測方法存在精度不足、檢測效率低和數據處理復雜等問題。該文提出一種基于三維激光掃描技術的鋼套箱圍堰加工誤差檢測方法。該方法通過高精度點云數據與設計CAD模型對比，準確計算各結構點的偏差值。結果顯示，該方法能有效識別和量化加工誤差，顯著提高檢測精度和效率，為工程質量控制和結構優化提供科學依據。

關鍵詞：鋼套箱圍堰；三維激光掃描；加工誤差；檢測方法；工程質量

中圖分類號：TP319" " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2025）09-0132-04

Abstract： With the continuous development of infrastructure construction， steel-boxed cofferdam is an important temporary structure， and its processing quality directly affects the safety and stability of the project. At present， traditional factory processing error detection methods have problems such as insufficient accuracy， low detection efficiency and complex data processing. This paper proposes a method for detecting processing errors of steel box cofferdams based on three-dimensional laser scanning technology. This method accurately calculates the deviation value of each structural point by comparing high-precision point cloud data with the design CAD model. The results show that this method can effectively identify and quantify processing errors， significantly improve testing accuracy and efficiency， and provide a scientific basis for engineering quality control and structural optimization.

Keywords： steel-jacketed cofferdam; three-dimensional laser scanning; processing error; testing method; engineering quality

炮孔填塞是爆破施工過程中的一個關鍵環節，主要作用是保證炮孔內炸藥充分反應，延長爆生氣體作用時間，降低體積巖石炸藥的消耗量。周志強對填塞物的作用機理和發展進行研究，論證了填塞物在工程爆破中的重要作用；郭云龍等通過模擬分析了無填塞、填塞聚氨酯和填塞炮泥3種工況下填塞材料對巖石爆破效果的影響規律指出：填塞聚氨酯時巖石受到的壓力峰值是無填塞的1.9倍，壓力波峰與波谷的間隔時間是無填塞時的3倍，填塞炮泥時巖石受到的壓力峰值是無填塞的1.67倍，壓力波峰與波谷的間隔時間是無填塞的1.5倍。

早在公元前25年，羅馬建筑師Polio Vitruvius就已記錄人們用圍堰來保護水中建筑免受高速水流的影響[1]。發展至今，現代圍堰多以鋼套箱為主，它由鋼套箱、連接件和支撐體系組成。被廣泛用于圍堰、碼頭、橋梁、沉管隧道和其他項目。鋼套箱圍堰是工程建設中至關重要的臨時結構，其加工精度直接關系到工程的安全和穩定。然而，目前用于檢測工廠加工誤差的傳統方法，如人工測量和目視檢查，存在精度不足、檢測效率低、數據處理復雜等問題，這些方法可能無法有效識別所有偏差，導致潛在的結構問題和增加的成本。在這種背景下，先進技術為解決這些問題提供了新的可能性。本文提出了一種基于三維激光掃描技術的鋼套箱圍堰加工誤差檢測方法，并將其用于哈爾濱松花江特大橋項目。通過獲取高精度的點云數據，并將其與CAD設計模型進行對比，這一方法克服了傳統檢測方法的缺陷，提升了測量精度、檢測效率，并簡化了數據處理過程。本研究旨在展示三維激光掃描技術在準確識別和量化鋼套箱圍堰加工誤差方面的有效性。結果表明，該技術在提高工廠加工過程中的質量控制和優化結構性能方面具有巨大的潛力，為工程建設提供了科學依據和實用支持。

1" 研究背景

1.1" 三維激光掃描

三維激光掃描是一種非接觸式測量技術，通過發射激光束并捕捉反射信號，能夠快速、準確地獲取物體或環境的三維數據[2]。激光掃描儀能夠以高密度點云的形式記錄目標的幾何信息，這些點云數據可以進一步處理和分析，以生成高精度的三維模型。三維激光掃描在建筑、工程、考古和影視制作等領域廣泛應用，因其高效性和精確性，尤其適用于復雜結構的測量和評估。

在工程建設領域，三維激光掃描被廣泛應用于質量控制、結構健康監測和施工進度管理等方面。通過對施工現場的掃描，可以實時檢測和評估施工精度，確保工程按設計要求進行。此外，三維激光掃描還可以用于生成數字化檔案，為后續維護和改造提供數據支持。

1.2" 鋼套箱圍堰加工誤差

鋼套箱圍堰是一種常用于水下施工的臨時結構，用以圍隔水體，提供干燥的工作環境，以便進行基礎工程施工[3]。鋼套箱圍堰的結構復雜，由多個鋼板和鋼筋構件焊接而成，其加工精度直接關系到工程的安全性和施工效果[4]。

在實際施工中，由于材料特性、制造工藝和操作環境等因素的影響，鋼套箱圍堰在加工過程中可能會產生各種誤差[5]。這些誤差包括尺寸偏差、形狀偏差、焊接變形等，如果不及時檢測和校正，可能會影響圍堰的密封性和結構穩定性，進而影響整個工程的進度和質量[6]。

利用三維激光掃描技術，可以快速、準確地檢測鋼套箱圍堰的加工誤差[7]。通過掃描獲得的三維點云數據，可以與設計模型進行比對，識別和量化誤差，從而為誤差校正和質量控制提供依據。這種方法不僅提高了檢測效率，還大大減少了人為誤差，增強了工程質量的可控性。

2" 方法

2.1" 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術通過發射激光束并捕捉反射信號來獲取目標物體的三維數據。掃描儀會以高頻率發射激光脈沖，這些脈沖在碰到物體表面后反射回來。掃描儀根據激光脈沖的發射和接收時間差，計算出每個反射點與掃描儀之間的距離。通過多次發射和接收激光脈沖，掃描儀能夠獲取目標物體表面的高密度點云數據。點云數據包括每個點的空間坐標（x，y，z）和反射強度，這些數據可以用于構建目標物體的精確三維模型。通過適當的軟件處理，這些點云數據可以進行濾波、配準和建模，從而得到符合實際情況的三維模型。

2.2" 鋼套箱圍堰的測量方法

為了檢測鋼套箱圍堰的加工誤差，采用以下步驟進行三維激光掃描和數據處理。

1）設備選擇和設置：本研究所選設備為天寶X7三維激光掃描儀，如圖1所示，其掃描范圍為0.6～80 m，掃描誤差小于3 mm，而鋼套箱圍堰尺寸一般為10～30 m，根據GB 50205—2020《鋼結構工程施工及驗收規范》鋼套箱圍堰長、寬2個方向的長度允許誤差分別為±20 mm[8]，所以該設備能夠滿足工程實際運用的要求。對掃描儀進行校準，確保其在測量過程中的準確性。根據現場情況，確定掃描儀的布置位置和掃描路徑，確保能夠覆蓋整個圍堰結構。

2）掃描流程：將掃描儀布置在預定位置，進行多角度掃描，以確保能夠全面捕捉圍堰的表面數據，如圖2所示；掃描過程中，確保掃描儀穩定，避免因震動或位移導致的數據誤差；每次掃描完成后，檢查點云數據的完整性和質量，確保沒有遺漏或異常數據。

3）數據采集和預處理：將掃描儀采集的點云數據導入計算機，通過專業軟件進行初步處理，包括去除噪點、過濾無效數據等；對多次掃描得到的點云數據進行配準和合并，生成完整的圍堰三維模型。

2.3" 數據分析和處理

1）數據分析和處理：本研究所用點云處理軟件為Trimble Realworks，對點云數據進行精細處理，確保模型的精度；對點云數據進行坐標轉換，使其與設計模型對齊。

2）誤差檢測：將處理后的點云數據與設計模型進行比對，通過軟件計算每個點與設計模型的偏差，識別加工誤差；生成誤差分析報告，詳細記錄各部位的誤差值，并通過顏色編碼的誤差圖展示誤差分布情況。

3" 試驗結果

3.1" 數據處理

完成所有掃描后，將設備中的點云數據導出到計算機。導出數據時，確保所有掃描的數據文件完整無誤，并備份原始數據以防丟失。首先對導出的點云數據進行初步的數據清洗和去噪處理，該操作能將點云數據誤差降低約60%[9]。清洗過程主要是去除明顯的噪點和無效數據，如反射過強或過弱的點。去噪則是通過算法處理，減少數據中的隨機噪聲，提高數據的質量和準確性。經過初步處理后的點云數據更加清晰和可靠，為后續的分析和使用奠定基礎。

由于掃描過程涉及多個角度和位置的數據采集，因此需要將這些數據進行拼接和校準。使用預先布置的標志物（如已知位置的反射標記）作為參照點，將不同位置的點云數據進行對齊和拼接。拼接過程中，確保各數據集的連接點準確無誤，避免重疊或錯位。校準過程包括調整點云數據的相對位置和角度，使其與實際圍堰結構一致。通過這些步驟，形成一個完整、連續的圍堰三維點云模型，如圖3所示，為后續的誤差分析和結構評估提供可靠的基礎數據。

3.2" 誤差分析

誤差分析階段是將實際掃描的點云數據與設計的CAD模型進行對比，識別和計算加工誤差的關鍵步驟。首先，將在現場掃描獲得的點云數據導入到點云處理軟件Trimble Realworks中，同時導入工廠加工的CAD設計圖紙，這些圖紙包含了圍堰的理論尺寸和設計模型。使用軟件的對齊工具，將點云數據與CAD模型進行初步對齊，對齊過程中使用圍堰的關鍵結構點或標志物作為參考點，確保兩者在同一坐標系中。進行精細調整，使點云數據與CAD模型的關鍵特征（角點、邊緣和面）精確重合，確保后續誤差分析的準確性。然后，使用點云處理軟件的對比功能，逐點對比點云數據和CAD模型，軟件會計算每個點云點到CAD模型表面的距離，這些距離即為誤差值。對比分析的結果以灰度值編碼的方式展示誤差大小和分布情況，不同顏色表示不同的誤差范圍，如圖4所示，顏色灰度越深表示誤差越大，反之表示誤差越小，可以幫助快速識別誤差較大的區域。

在誤差計算過程中，通過點云處理軟件的誤差分析功能計算每個關鍵結構點的偏差值，這里分別選取圍堰上下4個角點作為關鍵結構點，即總計8個關鍵結構點，這些偏差值表示實際掃描數據與理論設計模型之間的距離差異。使用軟件生成每個關鍵點的偏差數據表，詳細列出各個點的具體誤差值，見表1。此外，還可以選擇統計誤差的最大值、最小值和平均值等數據，以全面了解誤差分布情況。

通過分析誤差分布圖和關鍵結構點偏差表，識別出加工誤差較大的部位，然后對這些部位進行進一步檢查和修正。這些信息為后續的調整和改進提供了數據支持。通過詳細的誤差分析步驟，可以準確識別和量化鋼套箱圍堰的加工誤差，為施工質量控制和結構優化提供科學依據。

4" 結束語

本文提出了一種方法，通過應用三維激光掃描技術，能夠準確獲取鋼套箱圍堰的實際尺寸數據，并與CAD設計模型進行精確對比。這一方法包括掃描設備的精細放置與參數設置、多角度數據采集以及詳細的誤差分析。結果表明，使用三維激光掃描技術不僅提高了數據采集的精度和效率，還為識別和量化加工誤差提供了科學可靠的依據。生成的誤差分布圖和關鍵結構點偏差表為施工質量控制和結構優化提供了重要的參考，有助于及時發現和糾正加工偏差，從而確保工程質量和安全性。未來，隨著技術的不斷進步，三維激光掃描技術將在更多領域中發揮更大的作用，為工程建設帶來更多的便利和保障。

參考文獻：

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