付洋楊

【摘要】三維激光掃描虛擬預(yù)拼裝技術(shù)利用三維激光掃描儀復(fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型等各種數(shù)據(jù)點(diǎn)云模型，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行虛擬預(yù)拼裝，簡(jiǎn)便高效地分析比對(duì)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證構(gòu)件的加工制作對(duì)接精度。本文以濟(jì)青高鐵站房工程為例，講解鋼結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)上的三維激光掃描儀虛擬預(yù)拼裝應(yīng)用技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝;三維激光掃描;對(duì)接精度

1.引言

構(gòu)件需要預(yù)拼裝常見(jiàn)于構(gòu)件或結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)輸超限、以及現(xiàn)場(chǎng)安裝條件差等情況下，這意味著進(jìn)行預(yù)拼裝即面對(duì)著諸多困難。為滿足現(xiàn)場(chǎng)一次拼裝和吊裝成功率，確保下道工序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和安裝質(zhì)量達(dá)到規(guī)范、設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行實(shí)體預(yù)拼裝需耗費(fèi)較多的人力物力，并且需要較大的空間以及較長(zhǎng)的時(shí)間。

三維激光掃描虛擬預(yù)拼裝技術(shù)利用三維激光掃描儀記錄被測(cè)物體表面的點(diǎn)的三維坐標(biāo)和紋理反射率等信息，快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的面、體以及三維模型等各種數(shù)據(jù)，然后使用點(diǎn)云處理及數(shù)據(jù)對(duì)比分析功能的軟件（SCENE、Geomagic Qualify等），在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行虛擬預(yù)拼裝。

在模型數(shù)據(jù)的對(duì)比分析中，可以簡(jiǎn)單高效地得到構(gòu)件的加工尺寸偏差數(shù)據(jù)（圖1），更加直觀地了解構(gòu)件對(duì)接部位及其他關(guān)鍵部位的偏差分布，對(duì)偏差密集的區(qū)域或是關(guān)鍵部位進(jìn)行點(diǎn)注釋?zhuān)?yàn)證構(gòu)件的加工制作對(duì)接精度。

本文主要通過(guò)三維激光掃描虛擬預(yù)拼裝技術(shù)在濟(jì)青高鐵紅島站房工程的應(yīng)用，探討介紹利用三維激光掃描儀在鋼結(jié)構(gòu)中進(jìn)行虛擬預(yù)拼裝的應(yīng)用。

2.項(xiàng)目概況

濟(jì)青高鐵紅島站房工程位于山東省青島市高新區(qū)，總建筑面積約7萬(wàn)m2，建筑規(guī)模17億元。項(xiàng)目設(shè)計(jì)理念采用中國(guó)工程院院士程泰寧設(shè)計(jì)的“觀海聽(tīng)濤”方案，整體呈現(xiàn)浪花造型，并設(shè)有觀景平臺(tái)，為全國(guó)首個(gè)海景高鐵站房。

本工程為鐵路與軌道交通中的主體站房，站房鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)262m，寬248m，候車(chē)層為箱型平面桁架構(gòu)件主要包括鋼管柱、箱型平面桁架、H型鋼梁、系桿和隅撐等類(lèi)型（圖2）。旅服夾層主要包括鋼柱和鋼梁。中心屋蓋為多跨連續(xù)三角形空間管桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)由橫向主桁架、縱向主桁架及次桁架組成。南北浪花為箱型和H型組合空間桁架結(jié)構(gòu)。總用鋼量約3.7萬(wàn)t。

中心屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的多跨連續(xù)三角形空間管桁架拼裝難度大（圖3），對(duì)拼裝精度有極大的要求。利用三維激光掃描虛擬預(yù)拼裝技術(shù)將三段構(gòu)件掃描，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析比對(duì)，可以最大地節(jié)約成本，最便捷地得出預(yù)拼裝結(jié)論。

3.外業(yè)掃描獲取數(shù)據(jù)

3.1設(shè)備選型

本工程采用了Focu3DX330型三維激光掃描設(shè)備（圖4），其最大掃描距離能達(dá)到330m，掃描速度最快達(dá)97600個(gè)點(diǎn)/s，測(cè)距誤差為±2mm，完全能夠滿足大范圍快速高精度測(cè)量的需求。

3.2設(shè)備架設(shè)

中心屋蓋的多跨連續(xù)三角空間管桁架分為三段進(jìn)行預(yù)拼裝，三段構(gòu)件按照批次分布在現(xiàn)場(chǎng)不同位置，利用三維掃描儀便攜、快速的特點(diǎn)，每個(gè)構(gòu)件都通過(guò)不同角度轉(zhuǎn)換站點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)完成構(gòu)件全方位的掃描（圖5-6）。

4.數(shù)據(jù)處理

4.1點(diǎn)云模型處理

外業(yè)采集的各測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)利用SCENE軟件進(jìn)行初步的處理（圖7-8）。

4.2模型虛擬預(yù)拼裝

將整理好的點(diǎn)云模型利用Geomagic qualify軟件進(jìn)行合并、拼接（圖9-12）。

4.3對(duì)比分析

Geomagic qualify軟件可以使用拼接好的點(diǎn)云模型與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行3D或2D對(duì)比分析。3D對(duì)比分析可以讓我們對(duì)構(gòu)件的整體偏差有一個(gè)直觀的了解，2D對(duì)比分析可以對(duì)偏差比較密集或者比較關(guān)鍵的部位進(jìn)行更加全面的對(duì)比分析（圖13-14）。

通過(guò)將掃描的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)模型的對(duì)比分析，我們可以直觀地了解制作、拼裝的誤差，在構(gòu)件出廠前可以對(duì)制作不合格的構(gòu)件進(jìn)行矯正，嚴(yán)重不合格的進(jìn)行報(bào)廢處理，杜絕不合格產(chǎn)品出廠。同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)弧形大梁的拼裝過(guò)程中也可以對(duì)拼裝進(jìn)行指導(dǎo)，預(yù)拼裝好之后整體掃描一遍（圖15），誤差在允許范圍之內(nèi)才能進(jìn)行焊接，誤差過(guò)大需根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，焊接完成之后進(jìn)行復(fù)測(cè)，誤差在允許范圍內(nèi)才可進(jìn)行吊裝。

5.結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描虛擬預(yù)拼裝技術(shù)擁有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描，采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)?？焖賹呙璧男畔⑥D(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)，相比人工手動(dòng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，避免了人為疏忽導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能性。偏差數(shù)據(jù)不僅可以表現(xiàn)在模型上，用不同的顏色來(lái)表示不同的偏差范圍大小以及偏差分布，也可以以圖表的形式呈現(xiàn)。又或者創(chuàng)建點(diǎn)注釋?zhuān)瑯?biāo)出構(gòu)件的詳細(xì)尺寸偏差。可以將所有對(duì)比分析操作生成報(bào)告并以pdf格式保存，方便保存與隨時(shí)查看。更加全面快捷地復(fù)核鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的安裝精度，為后續(xù)安裝提供依據(jù)，對(duì)提高鋼結(jié)構(gòu)工廠加工及現(xiàn)場(chǎng)安裝的效率與質(zhì)量有著十分積極的作用。

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