三维扫描技术在高层建筑钢结构施工中的应用研究

王志刚

摘要：阐述在三维扫描技术的优越性，将三维扫描技术应用于高层建筑钢结构施工中的钢结构柱三维定位、吊装等方面，通过钢结构厂房应用实例进行验证，结果表明该厂房钢结构件的安装偏差很小，安装施工完全符合技术要求，达到了本文研究目的。

关键词：三维扫描技术；高层建筑；钢结构施工；应用研究

0   引言

城市的土地资源有限，建筑物开始朝着高层甚至超高层的类型发展，施工难度随之增加。城市新建楼宇以10层以上的高层建筑为主，框架剪力墙结构增加了工程量的负担[1]。高层建筑现浇混凝土结构较为传统，消耗了大量能源和资源，且质量和效率比较滞后，影响建筑行业的发展。

钢材具有较高的力学性能，在满足结构稳定的前提下，钢结构构件比混凝土构件的截面尺寸更小，基础造价也随之降低[2]。由此可见，钢结构施工不仅能够降低施工成本，还确保了建筑物的延伸性，增强了建筑物的抗震性能，实现了真正意义上高层建筑的安全性。

1   三维扫描技术应用钢结构施工优越性

在高层建筑钢结构工程的施工过程中，人工制作的钢结构拼装模型费时费力，真实感较差，很难为实际施工提供数据支撑[3]。为了避免钢结构拼装出现偏差等问题，需要大量的三维模型。而利用三维扫描仪生成的三维模型，能够获取钢构件的真实尺寸数据，能够获取一个与现实完全一致的三维钢结构建筑彩色模型，从而提升建筑施工质量。

三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、计算机、电源、支架以及配套软件等组成。三维激光扫描技术是计算机输入技术与立体测量技术的优化组合，利用三维扫描仪，能够快速、准确地获得物体的结构和尺寸，从而实现物体复杂面形及其周边环境的快速测量，在建筑、制造等行业有着非常广泛的应用[4]。

通过三维扫描技术，可以实现对钢构件的精确测量和建模，能够准确获取每个钢构件的尺寸、形状和所处的位置，从而顺利进行钢构件的预装配。应用三维扫描技术不仅可以避免传统测量方式产生的误差和尺寸调整，还可以将各个构件的三维模型进行碰撞检测，能够有效避免钢构件之间的互相干涉和冲突。同时，预拼装的过程也可以提前发现潜在的问题和安全隐患，确保施工过程质量和安全。

2   三维扫描技术在钢构件施工中应用

2.1   钢构件预拼装

在钢结构工程的施工过程中，用于拼装的预制钢构件从工厂运送到施工现场，由于道路颠簸产生的振动、碰撞或其他不可控因素，钢构件可能受到损坏，导致无法正常拼装。因此，为了确保预制的钢构件能够满足建筑施工需求，要对钢构件进行预拼装[5]。

钢构件实体及其拼装施工占用的空间较大、所需人力物力较多、施工现场须具备必要条件。而采用三维扫描技术进行钢构件预拼装，则十分便利。三维激光扫描仪的技术参数如表1所示。

使用三维激光扫描仪逐个扫描钢构件，获取钢构件的模型，根据模型拼装情况调整钢构件尺寸，从而满足钢结构施工的精度需求。三维扫描得到的钢构件截面尺寸如表2所示。

如表1所示，根据设计图纸和拼装方案，在拼装施工前需要使用三维激光扫描仪，将存放于施工现场的各个钢构件进行三维扫描，获得钢构件的实际几何尺寸，确定各个构件的空间安装位置和安装顺序，将激光扫描得到的三维点云数据，生成三维点云模型[6]。

2.2   钢结构柱三维定位

高层建筑钢结构柱的三维位置复测校正示意如图1所示。

如图1所示，根据钢结构柱的三维位置复测结果，与平面布置图的钢柱位置向比较，调整好钢结构柱上部的牛腿方向[7]。在有充足氧气的区域，会在钢结构柱表面产生锈蚀，影响其使用寿命。因此，在完成钢结构柱的预拼装、位置复测之后，在各个钢结构柱表面涂刷防腐蚀材料，避免其产生锈蚀问题，保证后续焊接质量。

2.3   高层建筑钢结构吊装

2.3.1   钢结构柱吊装

在完成钢结构柱的预拼装、位置复测和表面防腐处理之后，进入吊装阶段。钢结构柱吊装时，起吊、回转、移动3个动作交替缓慢进行。起吊时，钢结构柱垂直于地面，不能出现拖拉现象；回转时，钢结构柱的高度要满足吊装需求[8]；移动时，2根牵引绳要平稳牵引钢结构柱，吊车要匀速移动，缓慢落下。钢结构柱吊装就位之后，其中心线与下节钢结构柱的中心线必须重合，将夹板平稳插入下节柱的连接耳板上，穿好连接螺栓并予以紧固。

按照先主后次的顺序安装钢结构柱，再将多根钢结构柱连接形成稳定的几何不变体系，满足钢结构施工的稳定性要求。根据三维模型调整牛腿标高，采用全站仪全程监控，避免钢结构吊装出现偏差。

在钢结构柱吊装的过程中，吊装用钢丝绳的许用拉力要满足吊装钢结构柱自身质量和安全系数的要求。钢丝绳容许拉力的计算公式如下：

（1）

式（1）中：Sg为钢丝绳的许用拉力；α为钢丝绳破断拉力换算系数；R为钢丝绳破断拉力总和；K为钢丝绳的安全系数。

在钢结构柱吊装就位时，使用楔形铁、垫块、千斤頂配合校正，同时钢结构柱的四侧使用缆风绳固定。钢结构柱之间连接支撑及系杆，与其形成稳定的框架结构。上述吊装施工完成后，进行钢结构柱柱脚的二次灌浆以及杯口混凝土浇筑。

2.3.2   钢结构梁吊装

按照三维建筑模型的形式完成钢结构梁拼接之后，进行钢结构梁跨间吊装施工。钢结构柱、钢结构梁、屋面支撑和系杆，形成稳定钢结构体系后，即完成钢结构的吊装。

3   实例分析

为了验证本文设计的应用于高层建筑钢结构施工的三维扫描技术是否满足实际施工需求，本文以镇江市少姑山-刺莉山水泥用灰岩矿石加工工程项目为例，进行实例分析。

3.1   工程概况

该工程项目位于镇江市润州区韦岗街道原联合水泥厂内，占地面积约为82.5亩。该项目包括19个单体建筑，其中1个单体厂房的框架为钢结构，其建筑面积为1358.6m2，建筑层数为2层，建筑高度为19.7m。主体钢结构柱1～5轴的间距为9m，A-B轴间距分别为3m、6m、3m、6.35m。厂房为二跨，跨度为12m和6.35m。A-B轴屋面坡度为6.67%，B-C轴为平屋面。

该厂房结构分为一筛厂房、二筛厂房、压滤车间、成品堆棚、制砂车间、转运站、通廊等。钢结构工程中，主受力体系为中心区域的钢框架。该钢框架由钢柱、钢梁、钢筋桁架、楼承板组合而成。该厂房总用钢量约为5.5万t，其钢结构施工效果如图2所示。

如图2所示，该钢结构经过拼装等形成图中效果。钢结构在室外静置10d之后，采用三维扫描技术，复测该钢结构件的安装位置偏差，从而判断该钢结构工程应用本文设计的用于高层建筑钢结构施工的三维扫描技术的可行性。

3.2   应用结果

随机选取该厂房编号为10-01至10-10的10个钢结构件，利用三维扫描技术，确定钢结构件的安装数据，在钢结构三维模型的X、Y、Z坐标中，确定其的参考值。再将该参考值作与三维扫描得出的钢结构件的实际值进行对比。

使用本文设计的应用于高层建筑钢结构施工的三维扫描技术进行三维扫描之后，其三维扫描实际值与三维建模参考值的偏差越小，说明钢结构的施工质量越佳。三维扫描技术应用结果如表3所示。

如表3所示，在钢结构施工的过程中，钢结构构件安装位置均需要进行配准，钢结构件安装偏差越小，越能够满足其质量要求。X、Y、Z为钢结构件的三维坐标，其三维扫描实际值与参考值越接近，钢结构实际安装位置与三维建模位置越接近，施工质量越佳。

应用本文设计的高层建筑钢结构施工的三维扫描技术之后，10-01至10-10的X、Y、Z坐标的三维扫描实际值与三维建模参考值之间仅存在±0.1mm的误差，甚至在编号为10-02、10-03、10-5、10-07、10-08钢结构件的三维扫描实际值与三维建模参考值保持了高度一致。钢结构件的安装偏差很小，安装完全符合技术要求，达到了本文研究目的。

4   结束语

近些年来，钢结构因其吨位、韌性、受力性能等优势，在复杂的建筑结构中脱颖而出，成为高层建筑的常用构件。将三维扫描技术应用在高层建筑钢结构施工中，从钢结构件的预拼装和吊装2个方面，可避免钢结构件的安装偏差，从而实现高层建筑钢结构的高质量施工，有效地延长了建筑的使用寿命。

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