運用三維重建與實時定位系統(tǒng)精確定位裝配式構(gòu)件

胡 綱 何 新 葉澤浩 張 澄

1. 蘇州二建建筑集團有限公司 江蘇 蘇州 215122；2. 西交利物浦大學(xué) 江蘇 蘇州 215123

裝配式施工指將工廠預(yù)制構(gòu)件運輸?shù)浆F(xiàn)場組裝，已經(jīng)是一種成熟的建筑制造工藝。它在全世界范圍內(nèi)被廣泛地應(yīng)用于建筑行業(yè)，具有縮短項目工期、降低項目成本和減少建筑垃圾等特點[1]。目前，中國每年新建建筑超過30億 m2，占世界新建建筑總量的一半，2020年新開工裝配式建筑占新建建筑總量的20.5%，較19年增長了50%?？梢?，隨著勞動力成本的上升，尤其在新冠肺炎疫情的大背景下，裝配式施工在縮短工期和減少勞動力方面加速顯示出其優(yōu)勢。此外，建標(biāo)規(guī)〔2020〕8號《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》中強調(diào)，建筑業(yè)需逐步加快信息技術(shù)融合發(fā)展，以促進工業(yè)建設(shè)和基于BIM的建筑工程設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、裝配和生命周期管理。將BIM技術(shù)與裝配式施工相結(jié)合，是將來建筑行業(yè)的主要發(fā)展趨勢。

裝配式施工過程中的人為因素（搬運、運輸和裝配）可能會導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件彎曲和翹曲，從而降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和施工質(zhì)量。如果施工操作誤差過大，其中預(yù)制組件可能會偏離原始幾何結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致構(gòu)件間不匹配，致使項目延遲、中斷、浪費和返工。為了解決裝配式施工的這些問題，應(yīng)該有一種方法來提高預(yù)制和裝配過程中的精度，提高吊裝過程中的可控性。而三維重建技術(shù)與實時定位系統(tǒng)的結(jié)合則有可能實現(xiàn)這一控制目標(biāo)。

三維重建技術(shù)是通過一定技術(shù)手段，如傾斜攝影、貼近攝影、激光掃描等方式，捕獲現(xiàn)實對象的三維幾何、紋理信息，并使其在數(shù)字環(huán)境下重建模型對象。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于游戲場景建模、員工培訓(xùn)、文化遺址的電子備份以及建筑行業(yè)。而實時定位系統(tǒng)是檢測目標(biāo)當(dāng)前地理位置的技術(shù)之一，它可以實時跟蹤、監(jiān)控構(gòu)件，施工機械以及工作人員[2]。因此，在裝配式項目的施工過程中，可以通過定期拍攝施工現(xiàn)場的照片來更新三維重建模型，借助實時定位系統(tǒng)，將施工進度和構(gòu)件的移動軌跡在最精確的數(shù)字環(huán)境模型中顯示，提高裝配精度及過程可控性。

1 研究方法

1.1 研究目的

本項目旨在研究裝配式構(gòu)件工程項目中，應(yīng)用三維重建和實時定位系統(tǒng)技術(shù)的可行性，并進一步研究其準(zhǔn)確性、效率和效果。為達到這一目的，指定以下目標(biāo)：對本文研究領(lǐng)域內(nèi)所涵蓋的內(nèi)容進行文獻回顧；提出一種在BIM平臺上集成三維重建和實時定位系統(tǒng)的方法；對一個模塊化項目進行案例研究，應(yīng)用所提出的方法，研究提高項目實施精度，減少施工誤差；調(diào)查所提出方法的可行性，并總結(jié)本文的貢獻和局限性以及未來的研究方向。

1.2 研究思路

為了驗證三維重建技術(shù)與實時定位系統(tǒng)的聯(lián)合實施是否能夠有效、準(zhǔn)確地處理裝配式構(gòu)件的現(xiàn)場施工問題，本文將進行模擬、試驗、測試和分析，并在蘇州的一個裝配式施工項目上進行實踐，以監(jiān)測現(xiàn)場構(gòu)件是否變形以及是否有人為失誤。具體包括以下主要步驟：對監(jiān)控區(qū)域進行三維重建；通過實時定位系統(tǒng)監(jiān)控組件的現(xiàn)場移動路徑；分析三維重建和實時定位在精確定位裝配式構(gòu)件中的可行性和準(zhǔn)確性（圖1）。

圖1 研究思路

1.3 三維重建

本項目采用Reality Capture（RC）1.2作為圖像處理軟件創(chuàng)建三維重建模型，這是一款通過拍照或激光掃描創(chuàng)建實測對象的軟件。其中，該軟件執(zhí)行圖像三維重建的過程，主要經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、特征點計算和三維模型創(chuàng)建3個階段。首先，技術(shù)人員需要掃描測量對象以獲取一組數(shù)據(jù)進行建模，通常在這個過程中，會在圖像捕獲過程中根據(jù)需要賦予相應(yīng)的真實或相對坐標(biāo)系，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實坐標(biāo)的對應(yīng)。其次，計算是運用運動中恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法（Structure from Motion，SfM）提取特征點，RC將檢索所有圖像并匹配圖像間的特征點生成稀疏點云，隨后根據(jù)需要框定重建區(qū)域，去除模型中不需要的部分。最后，執(zhí)行模型重建任務(wù)，將稀疏點云通過多視角系統(tǒng)算法（Multi-view System，MVS）重建為密集點云，并基于密集點云構(gòu)建三角網(wǎng)格模型，計算紋理完成最終模型。RC的輸出可作為BIM設(shè)計軟件的基礎(chǔ)，用于反映施工現(xiàn)場的實際情況。

1.4 實時定位系統(tǒng)

本項目所采用的實時定位系統(tǒng)是超寬帶技術(shù)，可用于精確監(jiān)控施工現(xiàn)場構(gòu)件的使用狀態(tài)和移動路徑。與其他波傳導(dǎo)定位技術(shù)（藍牙、射頻識別、紫蜂、無線局域網(wǎng)）相比，超寬帶具有最高的定位精度（10～30 cm）和最長的傳輸距離（80 m），以及相對可接受的功耗和優(yōu)良的抗干擾性，更適合于施工現(xiàn)場等復(fù)雜環(huán)境?；诔瑢拵Ъ夹g(shù)的實時定位系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、基站和終端計算機組成?；咀x取從各種標(biāo)簽發(fā)送來的信號，基于這些信號，使用多點定位算法計算標(biāo)簽的位置，如到達時差（TDOA）、到達時間（TOA）和到達角（AOA）[3]。一些研究致力于利用不同測距算法組合的混合方法，如TOA與AOA的結(jié)合以提升定位精度。

為了跟蹤并記錄現(xiàn)場預(yù)制構(gòu)件的起吊活動，需監(jiān)控其移動過程中的三維路徑。因此，需至少實現(xiàn)對現(xiàn)場預(yù)制構(gòu)件的臨時存放處以及構(gòu)件提升和移動時的軌跡記錄。因其極限精度約10 cm，并不滿足構(gòu)件安裝精度要求，所以構(gòu)件安裝處不考慮監(jiān)控。

預(yù)先構(gòu)建的場地三維模型應(yīng)包含所有可能的碰撞區(qū)域，并按照實時定位系統(tǒng)要求的格式導(dǎo)入模型。最后通過軟件中記錄的構(gòu)件三維運動軌跡圖，以及相應(yīng)的三維坐標(biāo)隨時間的變化，分析運動路徑的合理性，避免碰撞的發(fā)生，并可作為后續(xù)優(yōu)化吊裝方案的依據(jù)。

2 案例分析

2.1 項目概況

案例應(yīng)用位于蘇州市，是由蘇州二建建筑集團有限公司承建的一個住宅樓項目。該項目包括10棟住宅樓以及1個地下車庫。采用鋁模與爬架施工工藝，并采用了大量預(yù)制墻板與樓板構(gòu)件。

本文對8號住宅樓建造過程中的預(yù)制樓板吊裝過程進行觀測并討論。目標(biāo)建筑是一個建筑面積為14 013.86 m2的26層框架剪力墻結(jié)構(gòu)。當(dāng)預(yù)制墻板進場安裝時，樓梯主要結(jié)構(gòu)已建造完成，目標(biāo)的信號輻射發(fā)射需要穿透多層墻板及樓板。所以，本文主要測量預(yù)制樓板吊裝過程中，面對復(fù)雜的施工現(xiàn)場環(huán)境，本套系統(tǒng)的可行性。

2.2 三維重建

三維重建的范圍應(yīng)覆蓋預(yù)制樓板吊裝過程中可能的碰撞區(qū)域以及構(gòu)件安裝處。8號樓位于整個住宅項目的角落，所以吊裝過程中的主要碰撞來自8號樓本身，故對8號樓及周圍區(qū)域進行三維重建。數(shù)據(jù)采集時，由于重建目標(biāo)已建成一座9層建筑，因此需使用無人機進行攝影。本案例采用DJI Phantom 4 RTK，這是一款行業(yè)級測繪無人機，配備實時運動學(xué)（RTK）系統(tǒng)用以提供精確的GPS定位。機載1英寸（約2.54 cm）傳感器的2 048萬像素的數(shù)碼相機，可支持高精度成像。飛行高度設(shè)置為75 m，采用系統(tǒng)自帶的規(guī)劃軟件自動進行傾斜攝影，可從不同角度拍攝重建對象，以盡可能多地覆蓋建筑物信息。數(shù)據(jù)采集完成后導(dǎo)入RC進行重建運算。建筑立面精度一般不會超過5 cm，頂部精度小于1 cm。案例周邊情況及重建模型如圖2所示。

圖2 案例周邊情況及三維重建模型

2.3 實時定位系統(tǒng)

使用基于超寬帶技術(shù)的實時定位系統(tǒng)對預(yù)制構(gòu)件進行觀測，主要包括以下幾個步驟：建立環(huán)境模型以及對應(yīng)坐標(biāo)系，安裝基站并采集基站坐標(biāo)，安裝定位標(biāo)簽，監(jiān)控并記錄標(biāo)簽的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。其中，環(huán)境模型則由三維重建模型導(dǎo)入獲得，并根據(jù)需要對齊坐標(biāo)系，其建筑物外輪廓的精度基本可滿足觀測要求，結(jié)果如圖3所示。

圖3 在實時定位系統(tǒng)中的建筑物模型

實時定位系統(tǒng)的監(jiān)測范圍應(yīng)覆蓋：預(yù)制樓板的臨時存放處，即8號樓遠離馬路的內(nèi)側(cè)空地；預(yù)制樓板安裝處，即8號樓頂部；以及預(yù)制樓板提升和移動時的區(qū)域?？紤]到盡可能減少遮擋以提升信號質(zhì)量，所以將絕大部分的基站布置在8號樓以及隔壁樓棟不同高度的樓層，少部分基站布置在地面，構(gòu)建盡可能多的信號接收三角。布置完畢后需確定基站坐標(biāo)。

定位標(biāo)簽則布置在預(yù)制樓板的四角，即中心。為后續(xù)測試標(biāo)簽定位精度做準(zhǔn)備，測量了5個標(biāo)簽的相對位置關(guān)系。最后，基站及標(biāo)簽的位置布置情況如圖4所示。

圖4 基于超寬帶技術(shù)的實時定位系統(tǒng)基站及標(biāo)簽的位置布置情況

完成上述相關(guān)的準(zhǔn)備工作后，便可以開始吊裝預(yù)制樓板，并在吊裝過程中記錄相應(yīng)的定位標(biāo)簽坐標(biāo)數(shù)據(jù)及對應(yīng)的時間戳。

2.4 可行性分析

最終，監(jiān)控的原始實時坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及實時標(biāo)簽追蹤動態(tài)圖如圖5、圖6所示。

圖5 監(jiān)控的原始實時坐標(biāo)數(shù)據(jù)

圖6 定位標(biāo)簽實時坐標(biāo)記錄及動態(tài)展示

5個定位標(biāo)簽坐標(biāo)隨時間變化，間隔的記錄時間在5 s左右。其中綠色標(biāo)記為無效數(shù)據(jù)，其定位較上一個時間階段無變化，即信號傳輸出現(xiàn)丟失。如圖5所示，3：53—4：17為靜止?fàn)顟B(tài)，4：17—5：17為運動狀態(tài)，后續(xù)基本超過監(jiān)控范圍?？紤]到中間的標(biāo)簽遮擋嚴(yán)重，信號損失很嚴(yán)重，所以不予考慮?，F(xiàn)對連續(xù)標(biāo)簽數(shù)據(jù)進行插值處理，加密時間間隔，并通過評估各標(biāo)簽的相對位置距離與真實距離進行誤差估計，結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)簽平均誤差

靜態(tài)平均誤差約0.16 m，由于是相對靜態(tài)誤差，絕對靜態(tài)誤差應(yīng)該會更低，結(jié)果基本符合超寬帶定位系統(tǒng)的常規(guī)精度。對于動態(tài)誤差，因標(biāo)簽移動時具有1～3 s不等的信號延遲[3]，所以動態(tài)誤差除了自身標(biāo)簽的誤差，還疊加了各個標(biāo)簽因信號延遲不均等引起的相對誤差，實際的絕對位置誤差也應(yīng)該更低。

從動態(tài)展示圖中看，信號的跟蹤過程相對直觀，可視化效果好?？梢曰诔瑢拵Фㄎ幌到y(tǒng)，通過對標(biāo)簽設(shè)置半徑大于1 m的垂直圓柱體，作為碰撞警報區(qū)，用于監(jiān)控可能的碰撞。

2.5 提升路徑分析

提升路徑分為三部分，Z軸移動路徑、塔式起重機起重臂旋轉(zhuǎn)路徑和起重臂上吊鉤移動的路徑。為了便于分析計算，建立以塔式起重機為中心點的極坐標(biāo)系統(tǒng)（預(yù)制樓板初始位置為角度0），Z軸取預(yù)制樓板初始位置為0。

根據(jù)目標(biāo)在Z軸上的距離變化（圖7），觀察到的預(yù)制樓板被高速提升到大約50 m的高度（時間為4：59），然后減慢速度繼續(xù)提升至63 m。在4：41和4：59時有2個拐點。第1個時間應(yīng)該是預(yù)制構(gòu)件開始增加轉(zhuǎn)角的時間，第2個拐點可能是預(yù)制構(gòu)件接近建筑物，這時減速以小心避免可能的碰撞。

根據(jù)極坐標(biāo)系中標(biāo)簽極角變化（圖8），觀察到的預(yù)制樓板在其高度達到30 m左右（時間為4：41）時，不會隨著極徑的變化而移動。然后，起重機將構(gòu)件以一個平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)速度移動到指定位置。

圖8 標(biāo)簽在極坐標(biāo)下極角變化

根據(jù)極坐標(biāo)系中標(biāo)簽極徑變化（圖9），在提升的初始階段，觀察到構(gòu)件的極徑?jīng)]有變化，即塔式起重機的起重臂上吊鉤起始位置在初期保持約為28.5 m。之后，當(dāng)預(yù)制構(gòu)件的高度達到約30 m時，時間為4：41，起重吊鉤開始向外移動了8 m，將預(yù)制構(gòu)件移動到指定位置。隨后，向外移動的速度放慢，以降低事故風(fēng)險，因為構(gòu)件即將接近建筑物。

圖9 標(biāo)簽在極坐標(biāo)下極徑變化

通過對構(gòu)件移動的捕捉，可以模擬和分析相同類型構(gòu)件的后續(xù)放置和移動，以尋求更合理的吊裝路徑。該分析可為管理者制定類似活動的時間表，并提供可靠有效的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗。

3 結(jié)語

本文提出了一種將三維重建與實時定位系統(tǒng)相結(jié)合的方法，對裝配式建設(shè)項目施工現(xiàn)場的預(yù)制構(gòu)件進行定位和監(jiān)測。該方法已在蘇州的一個裝配式施工項目中進行了實踐，用于監(jiān)控并收集預(yù)制板從地面到建筑頂部提升過程的路徑坐標(biāo)。

經(jīng)過數(shù)據(jù)計算，當(dāng)目標(biāo)位于觀測系統(tǒng)的非盲區(qū)時，平均相對誤差為59 cm，靜態(tài)相對誤差為16.5 cm，基本符合UWB實時定位系統(tǒng)的精度要求，運動相對誤差為75 cm。盡管施工現(xiàn)場的實際運動由于信號遮擋以及信號延遲不均等一系列原因，導(dǎo)致誤差遠大于靜態(tài)相對誤差，但當(dāng)合理設(shè)置預(yù)警閾值時，這種情況是可以接受的。同時本文也討論了一種極坐標(biāo)路徑分析方法，為相關(guān)管理者提供了后續(xù)優(yōu)化吊裝的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和一定的實施可行性。