郭樹彬

（中鐵二十二局第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000，E-mail：137277398qq.com）

隨著我國鐵路運營里程的增加，新建橋梁越來越多地需要跨越既有運營鐵路線。為了減少橋梁施工對鐵路的干擾，工程上可以采用轉(zhuǎn)體施工技術(shù)[1]。橋梁轉(zhuǎn)體施工的成敗取決于球鉸，對球鉸制造及安裝進行監(jiān)控是十分必要的[2]。目前，國內(nèi)橋梁轉(zhuǎn)體工程多通過 BIM 技術(shù)的三維可視化功能建立相關(guān)模型，模擬并指導(dǎo)球鉸安裝。但是根據(jù)設(shè)計圖紙建立的BIM模型不能反映球鉸制造和拼裝誤差，無法快速獲取為彌補相應(yīng)球鉸誤差對鋼骨架進行調(diào)整所需的標高數(shù)據(jù)。因此，提出一種將 BIM+三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于球鉸安裝精度控制的新思路。

BIM 技術(shù)結(jié)合三維激光掃描技術(shù)在國內(nèi)工程實踐中已有一定應(yīng)用。秦國成等[3]利用BIM結(jié)合三維激光掃描技術(shù)采集異形幕墻基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，加快了設(shè)計周期。周成益[4]在南京祿口機場T1航站樓改擴建工程中應(yīng)用 BIM+三維激光掃描技術(shù)對施工進度進行管理，避免了延期、超預(yù)算等問題。訾昕媚[5]基于 BIM+三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建了安化縣文廟數(shù)字化文物保護平臺。劉莎莎[6]通過分析三維激光掃描點云數(shù)據(jù)與BIM模型，快速得到建筑物實際進度與計劃進度的精確偏差。張麗等[7]基于移動三維激光掃描技術(shù)，提出了一種可識別隧道環(huán)片的隧道位移監(jiān)測方法。上述研究對于 BIM+三維激光掃描的應(yīng)用提供了有力的參考，但同時可以看出 BIM+三維激光掃描技術(shù)目前在基建領(lǐng)域多用于建筑設(shè)計和施工進度管理，很少應(yīng)用于橋梁工程。

隨著橋梁結(jié)構(gòu)的日漸復(fù)雜，快速準確地獲取橋梁構(gòu)件的施工數(shù)據(jù)，提前模擬施工并分析誤差對于提升橋梁構(gòu)件安裝工程的施工效率具有極大的現(xiàn)實意義[8-9]。鑒于此，本文通過對哈爾濱哈西大街打通工程轉(zhuǎn)體斜拉橋球鉸進行三維激光掃描，根據(jù)獲得的點云數(shù)據(jù)建立構(gòu)件模型，與前期建立的BIM模型進行比對，獲得球鉸的制造及拼裝誤差；通過虛擬預(yù)拼裝獲取鋼骨架調(diào)整所需的標高，為實際施工提供參考。

1 工程背景及技術(shù)路線

哈西大街打通工程跨鐵路橋梁全長 434m，采用（118+198+118）m雙塔雙索面斜拉橋結(jié)構(gòu)，半漂浮支承體系（見圖1）。橋梁跨越哈南站48條鐵路線，鐵路運輸繁忙，可供轉(zhuǎn)體施工的天窗期極少。為保證既有鐵路線運營安全，減少施工過程對既有鐵路線的干擾，斜拉橋連續(xù)梁采用轉(zhuǎn)體施工方式。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由下承臺、球鉸、上承臺、轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)組成。其中9號墩轉(zhuǎn)體段長度196m（97m+99m），需逆時針轉(zhuǎn)體79.31°；10號墩轉(zhuǎn)體段轉(zhuǎn)體長度204m（97m+107m），需順時針轉(zhuǎn)體96.12°。

圖1 橋梁示意圖

斜拉橋采用平轉(zhuǎn)法施工[10-11]，所用鋼球鉸直徑為 4500mm，總高度為 890mm，轉(zhuǎn)體重量高達29500t，球鉸直徑及轉(zhuǎn)體重量均位于國內(nèi)前列（目前國內(nèi)球鉸的最大轉(zhuǎn)體重量約為35000t[12]）。受所跨鐵路線限制，本工程為不平衡轉(zhuǎn)體，對球鉸的安裝精度要求更高，安裝中應(yīng)保證球鉸頂面任意點相對高差不大于1mm。為了對球鉸安裝進行精確控制及施工質(zhì)量及安全管理，對鋼球鉸實施三維激光掃描，并根據(jù)所獲得的點云數(shù)據(jù)建立模型，通過模型的虛擬預(yù)拼裝獲取球鉸支架調(diào)整數(shù)據(jù)以指導(dǎo)實際安裝工作。并根據(jù)工程實際情況，提出了相應(yīng)的質(zhì)量管理與安全管理方法。

在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)過程中，為了保證掃描精度，使得相應(yīng)的掃描結(jié)果能夠準確反映實際工程中構(gòu)件的制造誤差和安裝誤差，需要對三維激光掃描的過程制定精細化管理流程，并依照過程嚴格執(zhí)行。具體技術(shù)路徑如圖2所示。

圖2 技術(shù)路徑圖

2 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用流程管理

三維激光掃描技術(shù)通過處理現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)形成可應(yīng)用成果。本次掃描使用萊卡TS60超高精度全站儀進行，其角度測量精度為0.15mgon，單次距離測量精度為0.6mm，掃描速度為30000點/秒[13]。

為保證后期數(shù)據(jù)處理精度，在完成儀器架設(shè)和定視定向后，首先對儀器坐標系進行校對，再對下承臺及鋼骨架進行掃描以確定鋼球鉸安裝環(huán)境。鋼球鉸的上鉸盤及下鉸盤加工完成后會在廠家進行拆分以滿足運輸需求，并在現(xiàn)場進行組裝，待球鉸組裝完成后分別對上、下鉸盤進行掃描。為了提高掃描精細度，每個掃描目標周邊均架設(shè)6個測點，并按逆時針方向依次進行掃描，以保證相鄰測點直接掃描重復(fù)率達到50%以上。全站儀通過距離定義掃描點間隔，設(shè)置斜距為 3.5806m、水平間隔為0.020m、垂直間隔為 0.020m，設(shè)置掃描范圍為300m。全站儀在各個測站的設(shè)置參數(shù)與架設(shè)信息需要實時記錄[14]。

掃描完成后將獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 3D Reshaper軟件中進行預(yù)處理，由于從不同測站所獲取的數(shù)據(jù)相對獨立，在掃描完成后需要在同一坐標系中進行數(shù)據(jù)拼接。本次數(shù)據(jù)處理采用標靶拼接的方式，選取處于相鄰測站重復(fù)掃描范圍內(nèi)的特定反射目標作為參照點，通過軟件利用掃描點云數(shù)據(jù)的高對比度特性對多測點掃描獲取的點云數(shù)據(jù)進行自動拼接。在實際操作中，完成單個掃描對象6個測站的數(shù)據(jù)拼接工作花費的時間約為 10分鐘，圖像拼接誤差不超過1mm。拼接完成后得到單個目標的一組整體點云數(shù)據(jù)。以下球鉸為例，點云拼接完成后的效果圖如圖3。

圖3 點云數(shù)據(jù)效果圖

由于掃描環(huán)境的限制，掃描過程中不可避免地會生成掃描物體之外的干擾點，同時物體本身反射特性的不均勻還會導(dǎo)致偏差點的出現(xiàn)，影響點云數(shù)據(jù)處理質(zhì)量[15~17]。為了保證點云數(shù)據(jù)達到一定的精度，需要對干擾點和偏差點進行剔除，即降噪工作。在本工程的數(shù)據(jù)處理過程中，通過利用不同掃描區(qū)域反射強度值的不同對點云進行分割，通過設(shè)置反射強度閾值對分割后得到的各部分點云進行去噪處理，使需要預(yù)安裝、拼合的構(gòu)件點云數(shù)據(jù)得以保留。并通過對點云數(shù)據(jù)進行識別分類，糾正獲取的圖像。

完成數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)所獲得的點云數(shù)據(jù)利用Autodesk 3ds Max軟件建立具有制造誤差和拼裝誤差的球鉸真實模型，并通過點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)共同保證模型的準確性與完整性，如圖4所示。

圖4 鋼球鉸各構(gòu)件三維激光掃描模型與BIM模型對比圖

3 鋼球鉸加工精度檢驗

將通過三維激光掃描技術(shù)獲得的點云數(shù)據(jù)所建立的鋼球鉸各構(gòu)件模型與根據(jù)設(shè)計圖紙利用BIM技術(shù)建立的三維模型進行對比，分析相應(yīng)的制造誤差與安裝誤差（見圖 4），模型偏差統(tǒng)計如表1所示。通過對鋼球鉸各部件的尺寸、部分對角距離進行實際測量，測量精度需達到0.1mm以下，以檢驗各構(gòu)件的加工精度是否滿足要求。

表1 模型偏差統(tǒng)計表 （%）

通過圖4可知鋼球鉸各構(gòu)件均存在正、負偏差，但偏差值絕對值均小于1mm。其中鋼球鉸鋼骨架的加工誤差在-0.8~0.6mm范圍內(nèi)，偏差所占比例為7.82%；上鉸盤的加工誤差在-0.7~0.4mm范圍內(nèi)，偏差所占比例為9.32%；下鉸盤的加工誤差在-0.3~0.5mm范圍內(nèi)，偏差所占比例為8.28%?？傮w來看，鋼球鉸各構(gòu)件偏差所占比例不超過9.5%，且任意兩點之間加工偏差不超過1mm，處于加工誤差允許范圍內(nèi)，表明構(gòu)件滿足施工使用要求。

4 基于模擬預(yù)安裝的施工質(zhì)量及安全管理

4.1 模擬預(yù)拼裝

對使用三維激光掃描技術(shù)所獲得的單體構(gòu)件模型進行施工預(yù)安裝模擬，選取承臺模型頂面作為參照平面，其他構(gòu)件模型依次按照先安裝鋼骨架，再安裝下鉸盤，最后吊裝上鉸盤的施工順序依次安裝、拼合如圖5所示。拼裝完成后對整體模型的空間關(guān)系進行分析，通過將根據(jù)三維激光掃描所獲點云建立的帶有制造誤差的模型與根據(jù)設(shè)計圖紙建立的精確的 BIM 模型進行對比，獲取安裝偏差情況，同時以球鉸中心銷軸為原點，以東西方向和南北方向為坐標軸，推算出鋼骨架關(guān)鍵控制點可滿足安裝精度需求的位置坐標如表2所示。

圖5 完成虛擬安裝的鋼球鉸整體模型與BIM模型對比圖

表2 鋼骨架定位坐標表

在實際施工時，通過調(diào)整螺栓將鋼骨架關(guān)鍵控制點按預(yù)拼裝中獲取的坐標進行調(diào)整，直至達到要求值以平衡球鉸的制造及拼裝誤差，使球鉸在安裝工作過程中能夠一次性滿足安裝精度要求，避免反復(fù)調(diào)整高程對球鉸帶來損傷。

4.2 球鉸安裝管理

本工程中球鉸安裝的大致過程如下：在下球鉸混凝土澆注完成后，清理下球鉸頂面，在銷軸孔涂抹一層黃油，將定位軸吊入孔內(nèi)，并保證銷軸中線垂直。人工檢查并在確保球鉸表面及安裝聚四氟乙烯滑動片的孔內(nèi)沒有任何雜物后，并將球面吹干，根據(jù)聚四氟乙烯滑動片的編號將其安放在相應(yīng)的鑲嵌孔內(nèi)。在聚四氟乙烯滑動片安裝完成后，于球面上各聚四氟乙烯滑動片間，涂抹黃油聚四氟乙烯粉，使黃油聚四氟乙烯粉均勻填充滿聚四氟乙烯滑動片之間的空間，并略高于聚四氟乙烯滑動片，保證聚四氟乙烯滑動片頂面有一層黃油聚四氟乙烯粉。為上球鉸安裝做好準備。

在等待上球鉸安裝過程應(yīng)保持球面清潔，并安排專人全程監(jiān)督球鉸清潔情況，嚴禁施工過程中將雜物帶至球面上。待相關(guān)準備工作完成后，將上球鉸吊起，在凸球面上涂抹一層黃油聚四氟乙烯粉，然后將上球鉸對準中心銷軸輕落至下球鉸上，微調(diào)上球鉸位置，使之水平并與下球鉸外圈間隙一致，去除被擠出的多余黃油，并用寬膠帶將上下球鉸邊緣的縫隙密封，防止雜物進入球鉸摩擦部分。至此，完成球鉸安裝工作。

4.3 安全管理

球鉸施工安全問題是影響本工程是否能順利完成的重要因素[18，19]。在模擬預(yù)安裝的過程中發(fā)現(xiàn)實際施工時可能會出現(xiàn)因吊裝時吊鉤脫落、施工機械相互碰撞、施工機械在施工過程中出現(xiàn)故障等引起的安全問題，為了防止相關(guān)安全問題在實際施工時發(fā)生，對所預(yù)見的安全問題進行風險判定并制定了以下安全措施和緊急處理：

（1）進行全員安全生產(chǎn)教育，并對參與現(xiàn)場工作的施工人員配套完整安保設(shè)備，如安全帽、安全帶、安全鞋、急救設(shè)備等。

（2）起吊時采用卡環(huán)和安全吊鉤，不得采用牽引起吊，吊起球鉸盤時應(yīng)先在較低位置處停留，待球鉸盤基本停止晃動時再進行下一步操作。

（3）球鉸安裝施工前應(yīng)對設(shè)備進行檢修，如發(fā)現(xiàn)故障，及時維修或更換施工設(shè)備。

（4）球鉸安裝對于現(xiàn)場施工時間把控能力要求較高，具有一定的時間敏感性，因此對于施工過程中的關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)當增加備用設(shè)備。

（5）為了保證球鉸周邊結(jié)構(gòu)物施工不影響球鉸鋼骨架的調(diào)整精度，在球鉸周邊施工相關(guān)結(jié)構(gòu)物時應(yīng)實時監(jiān)測球鉸鋼骨架所在位置的位移情況。

（6）對于重要的施工臨時結(jié)構(gòu)物，必須由工程、質(zhì)檢、安全及監(jiān)理等人員進行檢查驗收[20]，發(fā)現(xiàn)問題必須整改，整改合格后方可進行下一步施工。

（7）通過在模擬安裝過程中預(yù)先分析各工序中可能出現(xiàn)的安全問題，制訂緊急事故處理對策，對各種事故的處理要有明確規(guī)定，并研討防范及應(yīng)對措施，確保一旦出現(xiàn)問題時，能夠沉著應(yīng)對、及時解決，實現(xiàn)項目安全管理無漏洞的目標。

4.4 質(zhì)量管理

為了保證球鉸安裝的精確性及安裝質(zhì)量，采取了以下措施：

（1）做好人員培訓(xùn)工作。由于應(yīng)用了BIM+三維激光掃描技術(shù)，基本消除了鋼球鉸自身制造誤差的影響，因此在鋼球鉸實際施工過程中應(yīng)當嚴格控制人為誤差影響。通過施工模擬系統(tǒng)預(yù)演施工過程，對所有參與球鉸安裝工作的人員進行施工培訓(xùn)，模擬施工過程，使相關(guān)工作人員熟悉相應(yīng)的施工流程和控制參數(shù)。

（2）做好現(xiàn)場監(jiān)控工作。如現(xiàn)場出現(xiàn)了人為的安裝偏差，可根據(jù)預(yù)安裝控制參數(shù)及現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)進行糾偏調(diào)整。通過采用先進的、可靠有效的控制方法，實現(xiàn)可調(diào)變量的最優(yōu)調(diào)整值或控制參數(shù)的超前預(yù)控制。由于鋼球鉸為各個構(gòu)件依次安裝，使得球鉸安裝工作的施工誤差具有累積性。因此通過精密儀器嚴格控制初始構(gòu)件的安裝誤差是十分必要的，現(xiàn)場通過全站器等設(shè)備保證安裝精度。同時還需要在現(xiàn)場配備經(jīng)驗豐富、具有高度責任心的監(jiān)控人員。

（3）加強現(xiàn)場管理工作。在施工前與鐵路部門溝通協(xié)調(diào)，確定最佳的施工時間，以防止火車行駛過程中產(chǎn)生振動，影響鋼球鉸的安裝質(zhì)量。同時，施工過程中在關(guān)鍵控制崗位上設(shè)專職人員進行管控，保證施工嚴格依照預(yù)定方案執(zhí)行。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于 BIM+三維激光掃描技術(shù)的大跨度不平衡轉(zhuǎn)體斜拉橋鋼球鉸精細化安裝管理方法，并在實際工程中進行了應(yīng)用和驗證，較好地滿足了球鉸安裝工作的精度要求。應(yīng)用基于BIM+三維激光掃描技術(shù)的大跨度不平衡轉(zhuǎn)體斜拉橋鋼球鉸精細化安裝管理方法能夠?qū)⑶蜚q安裝誤差控制在 1mm范圍內(nèi)，證明了該方法的高效性和準確性。該方法通過應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)獲取了帶有構(gòu)件自身誤差的球鉸真實模型，解決了現(xiàn)有BIM技術(shù)不能考慮球鉸制造及安裝誤差的問題。通過三維激光掃描技術(shù)獲取的球鉸真實模型與根據(jù)設(shè)計圖紙建立的球鉸精確模型的對比可知，球鉸制造誤差所占比例在 8%左右，可見考慮球鉸制造誤差及安裝誤差是十分必要的。