三维激光测量技术在大型复杂钢结构工程施工中的应用

三维激光测量技术在大型复杂钢结构工程施工中的应用

李鹏超 ,康雷超 ,杨占涛 ,曹意翔 ,唐胜华

陕西建工机械施工集团有限公司  陕西西安  710032

摘要：随着装配式建筑的迅速发展，钢结构在工程建设中得到了普遍应用，并且受现阶段工程建设要求，钢结构的结构形式也日益复杂，这就对钢结构施工提出了更高的要求和标准。以往的工程测量方法，已经无法满足当下钢结构施工测量的精度和时效性要求。而三维激光测量技术的出现，就为复杂钢结构施工提供了更为高效准确的测量方法，通过应用激光测距，能够更加高效准确的完成对待测物体表面三维坐标的测量，收集被测物线、面、体等各方面的信息数据，然后将测量数据与设计模型进行对比，评估尺寸偏差，确保钢结构施工的精度。因此文章就以某大型复杂钢结构工程为例探讨了三维激光技术的具体应用，以供参考。

关键词：三维激光扫描技术；复杂钢结构；应用

1三维激光扫描仪技术概述

三维激光扫描技术可以利用高速激光扫描的方式，迅速完成对相关物体表面三维坐标空间点位信息的扫描，从而得到高分辨率信息数据，整个过程实现的关键在于空间点阵扫描技术。根据探测器与被扫描物体间的距离，可以将其化为远、中、近距离三种扫描，三者精度不同，所适用的范围也存在差异。一般情况下大型建模多采用中远距离激光扫描，小型物体建模则采用近距离激光扫描，在精度方面，近距离激光扫描的精度更高[1]。将三维激光扫描技术应用于钢结构施工中，能够准确迅速地生成对应的点云模型，并与三维数字模拟预拼装技术相结合，模拟整个钢结构安装过程，并实时反映钢结构安装中的偏差，提高拼装效率，确保钢结构拼装质量，并有效节约机械台班、劳动资源、时间以及其他隐形支出。

2三维激光扫描技术在应用中的关键技术流程

将三维激光测量技术与建筑信息模型（BIM）相结合，能够更好实现对复杂钢结构工程预制的验证，在现阶段工程建设中得到了广泛应用。首先在施工中，需要经过现场勘察对复杂钢结构的结构形式进行初步掌控，然后再进行三维激光扫描设备的选择和配置。常用的有地面三维激光扫描仪，使用便携式扫描仪及激光跟踪仪隐蔽盲区特征量测。对于较复杂的结构多选择多测站，多视角环绕手持扫描仪扫描，之后再利用分块数据拼接来获得完整的表面点云数据[2]。大型复杂钢结构施工可通过三维框架控制扫描技术，对工程现场展开整体勘查，绘制布局图，然后再分别进行顶面、侧面框架控制网的设置，同时还是要做好侧面顶面、控制网连接站的设置，靶标或特征控制连接点选取4～5个，确保点云拼接精度[3]。其次，通过计算机设备汇总所获得的扫描数据。在焊接施工中也可采用三维框架控制扫描，监控各个节点，确保焊接质量。再次，做好钢结构特征、靶标信息的采集、分块点云融合、赋色等工作，同时为了提高数据应用率，还需要结合具体数据量大小确定是否需要进行数据分割[4]。之后通过三维数据对比评估构造误差，从而为后续施工方案的调整和预制提供参考。最后，通过Geomagic对扫描数据展开逆向建模处理，确保扫描数据与BIM预制模型数据相一致。

3应用案例

3.1工程概况

本项目屋面跨度390米、无规则双曲网架施工是难点；因此定位测量是网架准确安装的关键环节，但是利用全站仪等常规手段一是很难达到工期要求，二是必须配备多台全站仪同时作业，成本过高。而采用三维扫描技术与BIM模型有效解决上述问题，能够解决了本项目现场网架拼装难以定位、现场网架拼装测量难度高等问题，提前发现安装过程中的问题，避免返工。

3.2设备及选用

(1)地面三维激光扫描仪、便携式激光扫描仪(跟踪仪)、云梯等用于高精度、高密度附带回光强度信息的钢结构及复杂隐蔽节点三维激光点云获取。

（2）Cyclone、3DR2020、REALWORKS11.3等用于点云拼接去噪模型制作、数据转换、误差分析统。

3.3现场踏勘

现场踏勘是扫描工作开展的基础，在此过程中需要全面做好对建筑物局部信息、顶部空间环境、天气地理等各方面信息数据的采集。并且还需要制定相应的数据采集计划，有序推进数据采集工作的开展。此外，为了确保站点拼合精度，做好扫描图像的绝对定向，需要在建筑周边布设多个靶球、靶标。靶球摆放时，

相邻架站点之间需要同时看到4个以上靶球，以确保站点拼接。

3.4现场数据采集

现场数据采集的过程如下：第一，结合具体地形和构筑物特征合理设置扫描站点；第二，从建筑物实际情况入手，确定采用单站扫描或者多次站架扫描，同时还需要对空间靶球的位置进行确定。之后再结合建筑空间特征信息来科学设定扫描参数。每一站扫描完成后，需要检验数据的完整性，之后再开展下一站扫描，直至整个吊装施工结束。

图1现场数据采集技术路线

3.5数据分析

（1）主体结构安装偏差分析

扫描梁柱实体数据，并与设计模型对比，通过点云数据的拟合建模，得到基于现状钢梁钢柱的柱顶面XYZ坐标，以及柱体的垂直度检测。将三维扫描数据与BIM三维模型进行数据对接，比对三维扫描的结果与设计模型。对安装无误差和规定偏差范围内的框架进行标记，视为合格，如果与设计偏差较大，则需要重新对钢框架进行调整，确保屋面的成功吊装。

（2）扫描数据对比分析

通过扫描得到具备屋面吊装的框架模型数据，再将地面拼装的网架分块一一扫描，将扫描数据与主体框架数据作对比，检验误差是否在范围内，对无误差和误差范围内的块体提前进行吊装作业，对有误差较大的提前进行整改，将所有的吊装问题在地面上解决。

（3）网架块体三维对比以及安装拼接

首先，对网架块体进行扫描并建立拼装块体线模，将扫描后的线模数据与Tekla设计线模进行数据对比分析，测量出与既定施工设计间的误差值，然后根据设计要求对现场拼装展开调整。其次，在保证拼装数据与设计数据吻合的情况下，保证吊装屋面块体的关键着力点与框架承重柱对接无误，如果存在误差，则需要在地面就调整块体的位置，确保吊装的精确度。

（4）网架补空的偏差分析

完成各区域网架块体的吊装和固定后，需要展开补空扫描，对每一个杆件的相对位置、时间长度等进行测量扫描，形成补空杆件数据清单，并与现场补空杆件进行数据对比，现场完成补空杆件的裁切与校对，施工人员可以根据具体补空数据来进行补空，以此来确保安装质量和焊接的精确度，避免返工问题的出现。

与此同时，对于扫描的结果可以通过excel统计列表+数据截图的方式进行汇报及报告，以便于对补空数据进行统一规范的管理。

（5）屋面高程数据分析以及整体扫描

网架安装固定完成后，需要全面扫描屋面整体高程，准确测量球顶高程点的数据。在获取最终处理数据后，根据扫描数据和设计数据的对比分析偏差值，以网架顶部高程表核实高程偏差后对屋面檩条进行焊接，确保焊接精度。当上述各施工内容都完成后，还需要通过全站仪展开整体扫描复测，一方面为后续钢结构安装提供数据及技术指导，另一方面为后续的数据记录和方案探讨提供参考帮助。

结语

总而言之，三维激光测量技术在各类大型复杂钢结构构件三维数据采集中具有非常大的优势，具有非常高的精度和测量效率。其能够有效降低钢结构设计生产中的误差，确保钢结构建造的精度、效率和质量，降低施工成本，提高工程效益。

参考文献

[1]姚习红，陈浩，加松，等.三维激光扫描建筑信息建模技术在超高层钢结构变形监测中的应用[J].工业建筑，2019（2）：189-193.

[2]林鸿，欧海平，王峰．地面激光扫描技术在建筑变形测量中的应用探讨[J]．测绘通报，2016(6):73-76．

[3]孙国维，周国庆，耿开通，等.三维扫描仪在钢结构预拼装过程中的应用[J].施工技术，2017（2）：514-515.

[4]姜波.三维激光扫描在钢结构节段制作误差分析中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2020（11）：65-68.