杭州西站大跨屋盖钢结构三维激光扫描变形监测技术
时间：2023-01-20 09:00:13 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杜理强 邹海涛 童宇超 许华姣
(1.中铁建工集团有限公司，北京 100160；
2.浙江精工钢结构集团有限公司，绍兴 312030)
在钢结构技术日新月异的时代背景下，越来越多的钢结构建筑向高度更高、跨度更大和造型更独特的方向发展。建筑结构复杂程度的增加给钢结构设计、加工和安装带来巨大挑战。为满足钢结构高质量、高技术水准的建设要求，亟需一种高精度、高效率的测量技术，贯穿钢结构建造全过程，保证钢结构的高品质建造。
三维激光扫描技术相对于传统技术在精度、速度和整体性上都有巨大的优势。已成为桥隧工程施工监测和质量检测方面，空间数据获取的重要技术手段。目前，在建筑钢结构领域的应用主要在加工精度的检测方面，应用于空间钢结构变形监测的实例较少[1]。
本文详细介绍了杭州西站钢屋盖基于三维激光扫描的建造全过程变形监测，对工厂制造阶段的构件、节点，现场安装阶段的拼装、吊装单元和提升分区以及成形后的整体结构进行各阶段、多场景、全方位的监测，详细描述了实施细则和数据处理方法。扫描监测数据作为钢结构分项工程验收依据，并将成形数据传递至下一道工序，指导屋面和精装修的安装，是对三维激光扫描在建筑钢结构领域应用的积极探索，可供同类项目参考。
杭州西站是中国大型铁路枢纽之一，站房平面尺寸约450m×217m。总建筑面积达50余万m2，工程总用钢量约5.6万t。其中，屋盖钢结构总长326m，宽245m，投影面积约79 870m2，总重量约1.1万t。屋盖主体结构中间采光顶区域采用双向桁架，最大跨度78m，其余区域采用四角锥网架；
采光顶桁架延伸至支承柱顶，形成网架内“暗桁架”连接，如图1所示。
图1 站房结构整体轴测图
杭州西站屋盖钢结构采用“分区旋转+整体提升”的施工方法，钢结构网架部分在空中旋转4°至设计姿态，与中央采光顶桁架完成对接后，整体提升至设计位形。旋转提升网架面积达到2.7万m2，单区旋转提升重量约3 000t，如图2所示。
图2 屋盖旋转提升就位航拍图
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是一种先进的全自动高精度点云立体扫描技术，通过高速激光扫描测量的方法获取空间点云数据。三维激光扫描仪高速测量记录被测物体表面密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息[1]，能够快速复建出被测结构的三维模型和各种图件数据。三维激光扫描系统可以获取结构三维的数据点，打破了传统的单点测量对结构表达的局部性和片面性[2]。
三维激光扫描为非接触式测量，不受现场扫描环境和时间的约束[3]。数据采样率高，以每秒数十万点的采样率，快速获取高精度海量点云数据，测量效率高，覆盖面广。数据化采集，兼容性强，所采集的数据均为数字信号，在后期处理和共享时十分便捷。
杭州西站屋盖钢结构整体为双曲造型，采用“分区旋转+整体提升”的施工方法。传统的单点测量结果无法对旋转提升的过程姿态进行有效评价；
结构成型后的位形通过局部点位的测量结果难以表达。因此，本项目采用三维激光扫描技术，进行构件加工、现场拼装、旋转提升至结构卸载成形的建造全过程三维扫描监测，保证项目高质量、高技术水准建造。
本项目选用MetraSCAN210和FARO S150三维扫描仪。MetraSCAN210精度可达0.085mm，结合摄影测量系统可完成构件的扫描检测和虚拟预拼装，如图3所示。FARO S150测距范围0.6-150m，测距误差±1mm，采样率可达数十万点/秒，能快速获取高精度海量点云数据。
图3 现场三维激光扫描监测
3.1 工厂加工阶段
在工厂加工阶段采用工业级三维扫描仪进行大型复杂异形钢构件偏差分析和修正。通过工业级三维扫描仪逆像生成关键部位的三维Test模型，结合高精密拍照定位系统对复杂构件进行定位，大幅提高测量效率和精度，如图4 所示。扫描完成后与计算机软件中的Reference模型进行的拟合分析，形成三维的色差偏差图中[4]。对于超偏部位，除了标注偏差值的同时，也可以进行任意面的剖切，将三维的色差偏差显示在二维视图上，可直观地看出偏差大小和方向，快速指导工厂进行超偏构件的修正。
图4 工厂构件三维扫描
根据现场安装顺序，依次将实际构件扫描得到的数字化模型导入到计算机中，在计算机虚拟环境中模拟构件实体预拼装过程，分析实际加工的构件在现场安装过程可能出现错边和牛腿偏差等问题，并判断是否满足《钢结构施工质量验收标准》的相关要求，对不满足标准要求的，在工厂加工阶段提供切实可行的偏差构件调整方案，偏差分析技术流程如图5所示。与传统实体预拼装相比，大幅提高施工效率，减少资源投入，不需要大量的拼装场地[5-6]。
图5 复杂异形钢构件的偏差分析技术流程
3.2 现场施工阶段
三维激光扫描技术在钢结构施工阶段质量管理的应用主要是通过扫描仪器对结构的重点监控部位和关键施工阶段进行扫描，也可对关键施工阶段进行模拟施工，为质量监控和验收工作提供良好的数据，同时实现检测信息实时共享。通过扫描仪器对结构进行扫描，将得出的点云数据经数据拼接、去噪、去除外点、特征提取与简化等处理，与设计图纸建模得到的BIM模型进行比较，得到施工阶段的监测数据[7]，其应用框架如图6所示。
图6 三维激光扫描施工阶段应用框架
现场施工阶段的扫描工作开始前，需进行现场踏勘，根据项目现场布置、结构特征等确定扫描的站点数量、标靶球位置和黑白标靶布置[8]。标靶球的放置要使相邻站点之间的扫描至少有三个共用标靶球用于不同站点的点云配准，在结构特定位置放置标靶纸，对后续基准面进行控制，如图7所示。
图7 现场三维扫描点布置
三维激光扫描仪对被测结构进行现场数据采集时，扫描站点到被测对象之间要求没有遮挡，两者之间的距离在扫描半径内，保证结构能最大限度地被扫描到。点云扫描完毕，每站进行标靶扫描，标靶扫描分为两部分：第一部分为扫描后期用于对站站之间数据进行拼接的标靶球，原则上保证站站之间有两个公共标靶球；
第二部分为扫描现场布置的黑白标靶，通过全站仪获取黑白标靶在大地坐标系下的坐标，如图8所示，用于后期点云数据的定位。同时，通过标靶点位之间的距离与全站仪数据进行对比，验证三维扫描监测数据的准确性。
图8 标靶纸和标靶球布置
拼装阶段扫描完成后，合并所有的点云数据，并检查每次扫描的质量与精度，清除其他多余的扫描数据，若点云数据需要定位还需在给模型赋予坐标并检查坐标之间的精度，生成最终所需要的点云模型，如图9所示。
图9 地面拼装阶段点云模型
网架提升区脱胎完成后进行旋转提升，选取结构特征区域进行四级扫描分析。考虑到扫描的便利性和结构施工特点，选取中央桁架区端部作为扫描特征区域，该区域提升过程中线位移最大，扫描结果更易分析。分别在结构旋转1°、2°、3°和旋转就位四个状态下进行三维扫描，获取提升施工特定阶段结构位形变化。预先处理好四个状态下特征区域的深化模型，将扫描后结构测量区域的点云数据与深化模型拟合，进行偏差分析。将数据结果与全站仪测量结果及有限元分析结果进行对比，判断结构姿态是否与施工仿真预设姿态一致。若出现监测数据大于不同步仿真得出的容许偏差最大值的情况，则通过调节提升吊点使其回归至理论位形。
3.3 结构成形态
结构卸载完成后进行整体扫描，由于扫描仪受振动影响明显，若扫描结构上弦，风振和现场施工造成的结构振动会影响扫描效率和质量；
考虑到下弦节点位移分布与上弦基本一致，在结构成形之后扫描结构下弦，作为屋面和吊顶施工的依据。结构下弦高度最高在24m左右，设置扫描半径50m，总计扫描36站，扫描用时约9小时。获取成形态三维点云数据，如图10所示，经Sence软件降噪和外点去除，处理后的点云文件导入Navisworks，并在软件中将BIM模型与点云数据拟合，对于已经提升就位的构件，需要设置多个标靶纸进行空间定位，得到模型后可自动拟合[9-10]，在软件中直接与BIM模型进行对比分析。
图10 成形态结构点云数据
工厂加工阶段对铸钢节点和候车层梁柱节点通过三维扫描进行偏差分析，如图11所示，根据分析结果可以看出，铸钢节点采用铸造工艺，节点精度相对较高，支管端口偏差在2mm以内，杆件圆角部分最大偏差在5mm以内。候车层梁柱节点端口偏差控制在4mm以内，满足现场钢筋搭接和对接精度要求。
图11 节点尺寸偏差分析结果
选取采光顶桁架进行虚拟预拼装，桁架构件工厂加工完成后采用三维扫描获取对接端口模型，在计算机中模拟实体预拼装过程，分析端口偏差数据，对现场拼装可能存在的错边、扭转等偏差进行模拟，如图12所示。对不满足相关规范、标准要求的构件在工厂进行调整，大大提高了现场拼装精度和施工效率。经虚拟预拼装分析，桁架端口最大错口值在1.5mm以内，满足《钢结构施工质量验收标准》的相关要求。
图12 桁架虚拟预拼装分析
现场拼装阶段对网架提升区与桁架提升区拼接区域进行三维激光扫描，根据现场的实际考察情况，采取多站点扫描方式，扫描模式选择室外长距离扫描，单次扫描时间九分钟。以2区为例，总计扫描11站，扫描总时长一个半小时，选取2区的分析结果进行说明，如图13所示。
图13 扫描分区布置图
从对比分析图中可知，2区管口最大整体偏差31mm，出现在8号管口，竖直方向偏差18.6mm，水平方向偏差17.8mm，Z方向偏差18.6mm。满足现场的拼装验收要求，如图14所示。
图14 2区结构拼装精度
根据杭州西站屋盖结构布置和施工特点，选取中央桁架区端部作为施工过程扫描的特征区域。为验证三维激光扫描监测数据的准确性，同时采用全站仪对扫描特征区域关键点进行测量，并与三维激光扫描分析数据及施工仿真数据进行对比。
根据图15可以看出，各阶段三维激光扫描分析得到的测点水平位移和全站仪测量结果基本一致，两组数据的标准差也基本相同，实测结果与理论计算数值相比误差普遍在9%左右。说明三维激光扫描分析得到的数据准确，波动性小，满足现场监测的精度和稳定性要求。
图15 四级监测测点竖向位移统计
屋盖提升至设计位形、卸载完成后对结构下弦层进行整体扫描。将结构成形态点云数据与BIM整体模型拟合，如图16 所示，分析屋盖成形态偏差。将偏差分析结果与施工仿真结果对比，施工仿真考虑旋转提升施工过程中的变形累计，荷载考虑结构自重和施工活载。
图16 结构成形态位移监测结果云图
根据扫描结果可知，完工成型后屋盖偏差大部分在-20至55mm，最大偏差99mm，出现在采光顶桁架局部区域。施工仿真结果云图如图17 所示，从图中可以看出，结构整体偏差在-10至52mm，最大偏差为78mm，同样出现在采光顶桁架位置。对比三维激光扫描分析结果和施工仿真数据，屋盖结构成形态位形与仿真结构基本一致，实测最大偏差出现位置相同，偏差数值比仿真结果大21mm。屋盖结构整体偏差满足《钢结构工程施工质量验收标准》和《钢结构施工规范》的相关要求。
图17 结构成形态位移仿真云图
三维激光扫描技术相对于传统技术在精度、速度和整体性监测上都有巨大的优势。在杭州西站进行了钢结构建造全过程的变形监测，涵盖加工、拼装、提升和结构成形态的点云数据与监测结果。与全站仪的测量结果进行了对比，证明三维激光扫描得到的数据精度与稳定性均满足现场监测的要求，可作为大型空间钢结构现场监测新手段进行推广应用，后续可在点云数据处理上开展进一步研究。
猜你喜欢 标靶桁架偏差 面切割结合k-means聚类的测点自识别隧道监测方法铁路技术创新(2022年3期)2022-10-2750种认知性偏差商界评论(2022年1期)2022-04-13美媒：在中国沙漠发现第二个“美国航母标靶”文萃报·周五版(2021年45期)2021-11-17关于钢结构桁架安装施工工艺的研究建材发展导向(2021年9期)2021-07-16某大型钢结构厂房桁架制作建材发展导向(2021年6期)2021-06-09如何走出文章立意偏差的误区学生天地(2020年6期)2020-08-25市政工程冬季施工桁架暖棚安装与耗热计算建材发展导向(2019年5期)2019-09-09真相草原(2018年2期)2018-03-02美国大选永远的“标靶”世界博览(2015年20期)2015-09-10机械装配偏差源及其偏差传递机理研究中国新技术新产品(2014年6期)2014-03-25
