双层双曲面幕墙三维空间现场测量定位施工技术研究

双层双曲面幕墙三维空间现场测量定位施工技术研究

高雄1 张一豆2 金健3 唐志浩4

1.中建八局第三建设有限公司，210000 2.滁州市教育体育局，239001

3.中建八局第三建设有限公司，210000 4.中建八局第三建设有限公司，210000

[摘  要]：本文以滁州市奥体中心项目外面幕墙设计为异形双层双曲面雕花幕墙，雕花组合幕墙均在结构钢梁上生根，幕墙龙骨在有限空间中定位较为困难，若定位不精准，会导致龙骨安装偏位，同时下料均在工厂加工完成，若现场安装出现偏差会导致成品雕花铝板、铝单板、玻璃无法安装，因此介绍三维空间测量定位技术，对于异形结构的幕墙定位，采用专业化、自动化的测量手段通过直接放样空间点，即可优化定位点数，也可保证幕墙安装质量的，达到事半功倍的效果。

[关键词]：三维空间、双层双曲面、测量定位、异形幕墙

1 工程概况

滁州市奥体中心项目是安徽省第十五届省运会的举办主场地，由体育场、体育馆、游泳馆三个单体组成，总建筑面积13.24万㎡。

体育场幕墙外立面设计为国内首创设计的镂空式双层双曲面钢管雕花组合幕墙，钢雕花总计40片。游泳馆、体育馆幕墙外幕墙设计为国内首创设计的双层双曲面实心铝板雕花组合幕墙。

图1  项目总体效果图

2技术背景

本项目采用的是 TrimbleT×8 三维激光扫描技术。三维激光扫描技术是兴起于20世纪90年代中期的新型技术,与传统测量技术耗时长、消耗的人力物力大、测量速度慢,只能获得点线的测量数据等不同,三维激光扫描技术具有测量速度快、效率高,可获得目标物大面积三维坐标数据的优点。该技术参数如表1所示。

表 1 技术参数

3工作原理

三维激光扫描技术所涉及的主要原理是利用激光进行测距,由发射器发出激光,再将反射回来的激光信号用接收器接收,并根据接收到数据信息的时间、强度不同匹配相应的灰度,经过计算后快速获取目标物表面大面积和高密度的三维坐标、反射率和纹理等信息,目标物的采样点(离散点)集合,称之为“距离影像”或“点云”。其三维激光扫描测量步骤如下:站点布置→架设仪器→建筑物扫描→点云数据处理→成型数据对比分析→得出结论并保存数据。

4技术方案

4.1 三维激光扫描控制点布置

由于本工程的三维激光扫描目标物结构复杂,跨度较广,无法在一个站点就完成对目标物整体的三维扫描,必须在不同方向和不同位置架设仪器多次扫描采集点云数据,将多次扫描所得的点云数据拼接后再进行后期降噪、数据精简、分析处理,得到最终目标物的模型。结合本项目现场施工情况的实地勘察,现场扫描站点布置平面如图2。

图2  测点布置图

4.2 三维激光扫描的实施

为了确保三维激光扫描所得到的数据准确,需要将三维激光扫描所得点云模型、Rhino 模型以及施工项目 BIM 模型统一在同一坐标系下。因此本工程采用了将二级控制网的基准点设为工作基准点,并作为点云模型和 Rhino 模型坐标系建立的依据,通过全站仪测量标靶点的坐标及高程值,再用三维激光扫描仪扫描标靶位置以统一坐标系做对比分析。

图3  现场三维扫描设备扫描已完钢结构

由于本工程扫描体量大、结构复杂、精度要求高,为确保扫描结果精确可靠,提前设置扫描专用标靶点,且标靶点与二级控制网基准点位置通视。操作流程如下:

1) 本工程选用的扫描设备是TrimbleT×8激光扫描仪。激光扫描仪可以在不损失测程和精度的前提下,以360°×317°的视场高速扫描获得高密度的点云数据。

2) 首先将仪器架设在可以扫描到标靶纸的位置上调平后进行初次扫描,扫描前需要设置扫描视景范围和扫描精度。扫描过程中,尽量避免扫描区域内有人员走动,造成目标物被遮挡。

3) 初次扫描完成后,三维扫描仪会将数据进行编号定位,将标靶点作为本次扫描的定位点之一。接着将三维激光扫描仪架设至第1次架设位置附近进行第2次扫描,且要求第2次扫描区域与第1次扫描区域有部分目标物重合,以此将重合部分作为第1次扫描数据和第2次扫描数据的拼接点,依此类推。

4) 本次扫描作业即将结束时,要将仪器架设在最近的标靶点附近,对标靶点进行扫描,并且保证要与上一次扫描范围内有目标物部分重合。扫描完成后将最后一次扫描的标靶点作为本次扫描的定位点之一,要求单次扫描作业中至少要扫描3个以上的测量标靶点,以保证扫描结果的准确性。

4.3 点云数据处理与分析

在三维激光扫描测量的过程中,因为存在一些不可避免的因素影响点云数据结果的准确性,需对其点云测量数据进行处理分析。

1) 点云数据拼接处理:在三维激光扫描测量过程中,受现场环境影响,需将扫描的测站点云拼接成一个整体的项目点云。

2) 点云噪声点删除:扫描过程中因不可避免的因素影响,需将分析构件外的点云删除,筛选出有效的点云

3) 点云数据精简:由于三维激光扫描数据点云十分密集,数量巨大,在不影响测量精度的情况下,需对其点云进行精简过滤,均匀导出。

4) 点云跟设计模型对齐:通过现场坐标匹配,将两模型对齐到统一中心位置,再做模型偏差分析。

5) 制作分析报告:通过观察偏差分析色谱图,找出误差超限位置,制作分析报告。

5总体建议

三维激光扫描技术的应用及发展,克服了传统建筑测量的局限性,由接触式测量转变为非接触式测量,具有应用范围广、便于操作、主动性、高密度、全天候、非接触等优势,解决了传统测量技术的缺陷,提高了工作效率。但三维激光扫描亦有其局限性,即扫描距离、站点的架设、结构外的障碍物、水面都将影响其扫描结果,造成点云数据的稀疏。结合本工程的实际情况,争取以下解决措施:

1) 由于本工程占地面积大,建筑物造型分散广,而三维激光扫描技术受距离影响,距离越远其扫描的点云数据越稀疏,需在扫描物周边设置测量标靶点,提高其点云数据拼接的精度。

2) 三维激光扫描不具备穿透性,对扫描点的架设要求高,通常架设在扫描物之间,且尽可能地与扫描物多面通视,以增加扫描的区域范围,从而增加点云数据的采集,以便点云数据的拼接。

3) 三维激光扫描应尽可能避免结构外的障碍物,从而增加扫描的范围,扫描的区域越大其数据拼接的精度越高。对于不可避免的障碍物,需增加不同角度的扫描次数,加密点云数据。对于结构外的点云数据,需通过扫描分析软件进行删除,筛选有效的点云。

4) 三维激光扫描应避免雨天工作,避免有水区域的扫描,因为水反射激光不利于点云数据的采集,故宜晴天工作。

6实施效果

异形幕墙结构造型拼装复杂,生产加工精度要求高,在加工焊接拼装过程中三维激光扫描仪需及时采集现场拼装数据将其反馈到 Rhino 模型中,与设计模型进行数据并对比分析,从而及时进行构件纠偏,以便调整误差和指导下一阶段的双曲面幕墙料的生产加工及现场拼装安装。

图4  逆向建立实际钢结构模型

7主要结论及创新

本工程通过利用三维激光扫描技术为体育场馆异形幕墙的测量施工提供了有利的技术保障,解决了传统测量方式的局限性,有效降低了本工程测量工作的难度和作业量,使所得数据更加直观,极大提高测量效率和精准度,发挥良好的经济效益,为今后其他类似工程的施工提供了借鉴。对于三维激光扫描技术在工程测量方面的计算和应用,我们将在已有研究成果的基础上,进一步开展信息的挖掘和研究,特别是对点云信息矢量化、模型化及其所得信息与其他软件平台的兼容性等应用领域,开展深入研究。