三维激光测量技术在大型复杂钢结构工程建造中的应用

祝明然

(山东省国土测绘院,山东 济南 250101)

目前大型复杂钢结构超高层建筑多采用核心筒+外框钢结构+楼承板结构形式，但由于目前国内大多数加工锻造厂缺少先进有效的误差检测、监测技术体系，导致钢构件加工、拼装、累积等误差[1]，并造成废料返工，严重影响了施工质量，给超高层建筑留下潜在安全隐患。

BIM技术是以三维动态显示为基础，包含了诸多信息模型[2]。随着科技发展，三维激光扫描及BIM技术逐渐进入汽车、航空、建筑等领域，为大型复杂钢结构超高层工程建造提供了先进有效的技术手段。地面三维激光扫描误差包括系统误差和偶然误差[3]，距离、水平角、垂直角的测量精度直接影响点位精度[4- 5],经检较后，误差一般可以控制在毫米级[6]，手持便携式扫描仪也能控制在0.007 mm以内[7- 8]，能很好地满足大型复杂钢结构工程建造误差检测、监测要求。

1 方案介绍

1.1 传统大型复杂钢构件误差检测方案

传统的测量方法使用游标卡尺、全站仪等工具进行量测，数据单一，与钢构件设计模型比对时，较难确定对齐基准。同时由于钢构件复杂性的增加及关键尺寸的多次调整，导致这种测量方法耗时、费力，增加了劳动成本，无法满足大型复杂钢结构环境下误差检测、监测技术需求。

1.2 基于三维激光扫描技术的BIM预制验证方案

1.2.1 软硬件系统

(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) FARO SCENE、Geomagic Studio、Geomagic Qualify等用于点云去噪、数据转换、误差分析统。

1.2.2 技术方法与流程

本文通过试验和研究，提出了三维激光扫描技术在大型复杂钢结构工程建造中应用的关键技术流程。首先，通过现场查勘了解大型复杂钢结构的结构形式，合理选配三维激光扫描设备。在事先BIM预制验证中本文主要使用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。复杂地面对象表面一般采用多测站多视角环绕式扫描方式，再通过分块数据拼接处理获得完整表面点云。针对事后焊接拼装的大型复杂钢结构场景，采用三维框架控制扫描技术[9]，即在实际工程中对工程现场进行整体查勘，绘制布局图，根据工程布局复杂度分别布设顶面框架控制网及侧面框架控制网，并注重顶面和侧面框架控制网连接站的布设，靶标或特征控制连接点选取4～5个，以减小点云整体拼接误差[10]。

其次，利用靶标或特征信息[11- 12]进行分块点云融合、格式转换、赋色，数据量太大时可对融合后点云数据进行重分割。目前BIM预制模型有Revit、Tekla等软件格式，要在同一框架下与实际扫描点云数据比对，需要进行格式转换。以Revit软件下BIM模型为例，可以选择实体导出CAD格式(一般为三维多段线，必要时需进行参数化处理)，然后在Rhino软件下保存为OBJ通用格式，继而与噪音、体外孤点、冗余数据去除后的修整点云进行最佳拟合，最后进行三维误差分析。根据偏差结果，对钢构件及下一步工程建造计划及时进行调整。

最后，为顺利实现大型复杂钢结构部件实际扫描三维激光点云数据与Revit软件下BIM预制模型的坐标统一，将三维激光扫描点云数据在Geomagic下进行了坐标系转换、逆向建模等处理，将Revit支持的三维模型数据导入并进行误差分析。工艺流程如图1所示。

2 大型复杂钢构件部件误差检测案例

2.1 方案设计

超高层建筑云鼎大厦为山东第一高楼，其大型钢结构部件每段6 m左右，且焊接有牛角等部件。由于国内锻造加工技术较国外仍有较大差距，这些部件在加工焊接时与BIM预制模型存在厘米级误差，在焊接装配工程建造中又会产生焊接、累积误差等。本文选用FARO地面三维激光扫描仪及配套FARO SCENE软件，并将Revit软件格式的BIM钢构件模型在Rhino软件下转换至OBJ通用格式；将拼接修整后的完整钢构件三维激光点云数据在Geomagic Studio中进行点云冗余、噪点、孤点剔除；再将BIM预制模型与实际点云数据在Geomagic Qualify下进行最佳拟合、坐标系转换，最后进行三维误差分析。结果如图2所示。

2.2 统计分析

统计分析以偏差色带、柱状图、统计表等形式直观展现偏差分布，如图3和表1所示。

表1 偏差统计

钢构件BIM预制模型与实际扫描点云实现整体最佳拟合，通过采样点比对统计，90%以上加工偏差保持在1.5 cm以内，经检查，为钢构件添加冗余部件所致。本文工艺流程为大型复杂钢结构部件的偏差检测提供了科学有效参考，同时实现了测试模型坐标系与参考模型坐标系的一致性转换，为Revit下逆向模型的导入比对提供了统一坐标框架。

综上所述，基于三维激光扫描技术的BIM预制验证方案，通过与设计模型最佳拟合进行三维误差分析，有效直观地展示了大型复杂钢结构部件加工误差，可快速获取建筑物特征点点云[13]，相比传统全站仪、游标卡尺量测模式，数据更为丰富，展现更为直观，解决了传统方式比对基准难以确定的问题，同时通过逆向工程，也为统一框架下BIM预制模型调整分析提供了数据与技术支撑。

3 结 语

本文提出了三维激光扫描技术应用于大型复杂钢结构工程建造中钢构件误差检测的关键技术方案，在钢构件加工阶段，事先检测生产模型与BIM预制模型的符合程度，将钢结构误差在设计阶段和生产过程中予以削弱，避免了钢构件在施工地与加工厂之间返工运输的成本消耗，提高了大型复杂钢结构工程建造精度和效率，为以后大型复杂钢结构工程建造提供了先进的技术支撑和借鉴方案。

未来的大型复杂钢结构工程智能建造及建筑变形监测[14]，需要高精度三维激光扫描设备及完整技术方案的支撑。如何利用各种精密三维激光扫描设备搭建完整的大型复杂钢结构工程智能建造监测流水线，并突破各领域软件之间的接口瓶颈，实现统一框架下BIM子模型自动提取[15]与实际扫描逆向工程数据及整体大型复杂钢结构模型的无缝快捷对接，是下一步值得研究的重点问题。