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1、三维扫描技术在钢结构施工中的应用 林冲 何小东 邓再筠 冯超林 中国建筑第八工程局有限公司广西分公司 摘 要： BIM (建筑信息模型) 能将传统的二维 CAD 图纸转化为三维的建筑信息模型, 可用于指导施工, 三维扫描技术能拾取实体模型地点云数据, 形成三维模型, 通过二者之间的额对比, 可以检测图纸模型与实际施工之间的误差, 及时发现施工出现的问题。关键词： BIM; 三维扫描; 钢结构; 1 工程概况本工程屋顶均采用钢结构:主楼中心区屋顶为双向双曲拱壳结构体系, 各指廊采用单向平面拱壳结构体系。基本柱网区格为 9m9m, 但随着建筑平面的弧形变化, 会相应有过度调整。在中央区, 由于建筑
2、专业的大空间尺度要求, 柱网会出现 18m18m、9m12m 的大跨度区格。屋顶钢结构为了形成建筑屋面波浪起伏的造型及天窗采光要求, 采用拱壳结构, 拱壳构件跟随屋顶曲面变换, 保证结构与建筑造型的完美统一。2 采用三维扫描技术的原因本工程钢结构的施工特点: (1) 平面及空间双曲支撑拱, 截面为梯形箱体, 由大到小成渐变形式, 结构体系复杂。屋面壳体外形为空间波浪形状, 杆件测量定位麻烦, 构件数量多, 截面规格多, 结构安装施工难度大。按照总工期计划, 钢结构屋盖总工期约为 122 天, 如何在限定的施工工期内保证钢结构构件安装的准确性是钢结构安装的重点; (2) 钢屋盖跨度大, 变形大,
3、 不同区域结构变形规律有异。大跨度钢屋盖施工在外界条件作用的影响下, 结构变形、应力控制是重点。单层壳体屋盖投影面积大, 受温度影响变形大, 对接接点多, 对结构分段及安装精度要求高; (3) 钢结构无吊顶, 除了作为结构支撑外还兼做装饰功能, 钢结构施工完成后的外观将会是各个单位关注的重点。本工程钢结构施工难度大, 精度要求高, 质量要求严格。而三维扫描技术能实时拾取实体模型的空间坐标并形成点云数据, 通过与 BIM 模型的对比分析, 及时了解现场钢结构的施工情况, 对存在定位偏差、变形过大的构件及时采取补救措施。同时, 分析的结果能及时发现实际施工结构与设计图纸的变化, 提前深化设计后续施
4、工专业, 减少作业返工, 降低成本和缩短工期。3 三维扫描技术原理及特点三维扫描技术的关键仪器是三维激光扫描仪, 其工作原理与全站仪 (测距测角原理) 相似, 采用非接触式, 通过发射高速激光获取到物体表面的距离、水平角、竖直角及反射强度, 自动计算并存储得到点云数据。其中地面三维激光扫描仪对物体采集到的点云数据是以扫描坐标系为基准的, 扫描坐标系定义为:激光束发射处为坐标原点, 扫描仪的理论竖直轴 (水平时的天顶方向) 为 Z 轴, 扫描仪水平转动轴的零方向为 X 轴, 而 Y 轴与 X 轴、Z 轴构成右手坐标系。其定位原理如图 1 所示:图 1 定位原理 下载原图其中 S 为原点到被测点的
5、距离, 为扫描仪测得的水平角, 为扫描仪测得的竖直角。那么其单点在扫描坐标系中的坐标就可表示为2:与传统测量方法相比, 三维扫描技术有如下特点: (1) 数据获取的速度快, 实时性强; (2) 数据获取全面, 精度高; (3) 全天候作业, 不受光线的影响, 主动性强; (4) 数据表达清楚明了, 表达简单;4 三维扫描技术应用4.1 仪器简介三维扫描技术的核心是三维激光扫描仪, 它是获取实体模型三维数据的主要工具。综合考虑各个因素, 本工程采用了徕卡 HDS Scan Station C10 三维激光扫描仪。该仪器功能特点如下: (1) 全中文机载界面; (2) 全彩色触摸屏:界面直观易懂,
6、 视觉效果好, 便于操作, 使用效率高; (3) 360270 扫描视场角:超大视场角可以减少扫描盲区, 记录信息更详细更完整, 减少测站数量; (4) 可见绿光:操作人员可全程监控可视扫描扫描; (5) 扫描距离 300m:距离较远, 减少搬站次数, 提高工作效率; (6) 每秒 50000 点扫描速:高速采集数据可大大缩短扫描时间, 缩短外业时间; (7) 可选择式扫描范围:人工自定义控制扫描密度, 合理分配扫描内容。提升数据采集速度。4.2 外业数据获取使用三维激光扫描仪进行实体扫描前, 需要准备两部分工作: (1) 控制网布设。需要考虑控制点之间的通视性和控制网的几何图形, 同时结合实
7、地情况合理的选点; (2) 扫描站点布。既要保证完全采集所需要的数据, 还要和联立控制网, 以便整体距离影像配准及坐标转换。由于本工程外观形状复杂, 在扫描时易受到遮挡导致获取的点云数据存在盲区, 因此需要先进行现场勘察, 确定最佳扫描路线, 尽量保证扫描区域有较多的公共部分, 以减少点云缺失。且应考虑工作环境以及测站之间的控制标靶的可见度, 初步设置好测站数目和位置, 确定每一站的扫描范围和标靶布设。为了保证点云数据的完整性, 本工程在目标建筑内外设置 S1-S28 共 28 个测站, 相邻测站间在共同的扫描范围内均匀布设 3 个及其以上的控制标靶, 标靶应注意不设在同一直线上, 通过控制标
8、靶基本上可以完成所有测站点云数据的配准与拼接。仪器整平后, 作业人员应避免挪动仪器, 扫描过程由仪器内置软件进行驱动, 采用无线操控设备设置好参数后自动进行扫描。4.3 内业数据分析本工程采用的数据分析软件是徕卡 Cyclone 专业点云后期处理软件, 其有如下功能特点: (1) 包含若干个功能模块, 可控制仪器扫描, 自动去噪, 自动拼接, 自动建模, 并可生成各种结果, 同时支持 Scripting 脚本运行功能以及模型库管理功能; (2) 自动进行点云拼接, 并生成拼接报告, 拼接可靠, 精度有保障;可使用标靶、特征点、已知点方式进行拼接, 灵活方便。5 结束语本工程利用三维扫描技术, 在钢结构卸载前后进行了结构扫描, 得到了结构在卸载前后的点云数据。通过与 BIM 技术的结合, 项目部将点云模型与 BIM 模型进行了对比, 经分析, 误差与第三方检测一致。随着三维扫描技术的日益成熟, 因其出色的测量精度和测量效率, 其必将得到广泛的应用。参考文献1杜春梅.三维激光扫描技术的研究D.陕西科技大学, 2010. 2朱磊, 王健, 毕京学.三维激光扫描技术在变形监测中的应用J.北京测绘, 2014, (5) :78-82. 3李超.徕卡三维激光扫描技术在钢结构检测中的应用J.测绘通报, 2013, (3) :116-117.
