三維激光掃描曲面結構點云安裝復核技術在異形混凝土結構施工中的應用

劉歡佳，袁 儉，鐘易達

（中國建筑第八工程局有限公司華北公司，天津 300450）

0 引言

在建筑工程測量中，異形曲面測量是一項極為重要的工作，傳統(tǒng)測量方式主要是利用全站儀進行點位測量，采用對曲面多點測量模式進行計算，對于雙曲異形大面積結構表面測量工作效率較低。國內外對雙曲異形的測量方法進行大量技術研究，這些數據分析方法雖然在大面積測量中有效提高了工作效率和測量精度，但在數據分析過程及結果等方面仍存在一定缺陷，主要包括多站點獲取的點云數據有重疊部分，拼接精度還有待提高，設備工作受場地限制，后期數據處理工作量較大，對數據處理人員專業(yè)要求較高等。

1 工程概況

偽滿皇宮博物院地下文物庫房及展示場館建設項目建筑穹頂為大跨度雙曲率造型，東西向跨度約16.90m，南北向跨度約18.00m，最大支設高度15.67m，設計做法為現(xiàn)澆飾面清水混凝土結構，目前國內鮮有。穹頂四周包含山墻、屋面斜板、挑檐等特殊結構構件，結構觀感質量均需達到飾面清水混凝土效果，同時要保證“明縫”“禪縫”“孔眼”的相對位置關系，穹頂板厚300mm，采用全鋼模板體系，數量共計3處，如圖1所示。

圖1 通長展廳飾面清水混凝土設計

2 關鍵施工技術與創(chuàng)新

采用傳統(tǒng)測量方法對異形曲面進行測量難度較大，若要滿足測量精度，則工作量較大，計算精度與測量密度、質量、方格網大小有關。而三維激光掃描技術無需測量人員到目標作業(yè)面上，在遠處掃描點位處即可完成目標面的測量工作，可避免危險施工區(qū)域作業(yè)，且對施工生產不產生影響。主要工作集中在數據處理階段，無需在施工現(xiàn)場進行；獲取的點云數據拼接后能得到完整的表面點云數據，密度高，且?guī)в锌臻g坐標及顏色信息。該方法可改變傳統(tǒng)工作方式，現(xiàn)場測量安全方便，操作簡易，減輕測量人員工作時間及壓力，提高效率，節(jié)約成本。

三維激光掃描技術直接獲得點云數據，與BIM模型進行3D對比分析，快速計算曲面偏差，對不符合施工標準的位置進行標注，反饋給現(xiàn)場進行整改，對提高施工精度及質量具有重要作用。

3 施工要點

3.1 測量數據獲取

清理異形模板表面，使三維激光掃描儀設備與模板之間無物體遮擋。選取掃描點位，使掃描范圍覆蓋模板目標區(qū)域。

偽滿皇宮博物院展館工程利用Faro三維激光掃描儀進行掃描作業(yè)，作業(yè)準備階段先清理現(xiàn)場，保證模板表面干凈無遮擋物體，并根據現(xiàn)場情況及掃描目標區(qū)域確定4處掃描點位，確保掃描能夠覆蓋目標區(qū)域（見圖 2）。

圖2 數據采集點位布置

1）根據設備所處環(huán)境進行掃描設備參數調整，本項目實施中，選取的4處掃描點位距離目標區(qū)域均在10m范圍內，據此數據對三維激光掃描儀進行室外作業(yè)參數調整。

2）確定場地清理完畢后，對現(xiàn)場進行短暫封閉，防止工人通過掃描區(qū)域影響掃描結果，并在掃描過程中注意觀察設備狀態(tài)，防止設備受到振動。

3.2 測量數據處理

采用Faro的Scene軟件對獲取的掃描點云數據進行點云拼接處理（見圖3），將多個測量站所獲取的點云數據一起導入Scene軟件中，先進行手動粗略位置調整，然后采用云際模式進行自動拼接，刪除無用點云，生成一個完整的模板表面點云數據。

圖3 點云數據拼接

3.3 精度分析

1）在Geomagic軟件中將掃描點云數據設置為對照模型（Text）。

2）在Geomagic軟件中將模板BIM模型設置為設計模型（Reference）。

3）將掃描點云數據與模板BIM模型進行位置擬合，先手動進行位置粗略調整到同一位置，然后利用軟件功能進行自動擬合，如圖4所示。

圖4 點云數據與BIM模型位置擬合

4）進行3D對比分析，擬合后利用分析菜單里的3D分析功能，設置上下偏差點數值以及色譜欄中臨界值和名義值，然后確認應用即可得到最后的分析結果。

5）采用三維激光掃描技術獲取異形曲面點云數據，同時利用BIM模型進行比對，點云數據與BIM模型擬合后進行3D對比分析可得到分析結果。此次三維掃描使用Scene軟件進行點云拼接，利用Geomagic軟件進行對比分析，將點云數據設置為對照模型（Text），將BIM模型設置為設計模型（Reference）。

4 實施效果

本技術通過利用三維激光掃描儀進行異形模板三維掃描獲取點云，對獲取的點云數據進行處理并進行精度分析。本技術將傳統(tǒng)單點測量模式推進至面式測量模式，實現(xiàn)自動獲取模板表面的點云數據，在數據獲取效率、數據采集、數據精度、數據作業(yè)安全性和自動化方面實現(xiàn)全面提升。結合BIM軟件Geomagic中的3D對比分析功能，采用點云與模型擬合技術，計算點云偏差分析，獲得模板安裝精度，實現(xiàn)異形結構表面測量，在測量方便性和精確性及自動化方面有了全面的提升。

為保證整體分縫效果，穹頂鋼模板拼裝完成后，利用三維激光掃描儀進行三維掃描，將三維激光掃描儀架設在鄰近樓板的平面位置上，使儀器掃描范圍能夠覆蓋鋼模板一側，為保證數據采集準確，掃描過程中控制掃描區(qū)域內無人員流動；鋼模板一側掃描完成后將儀器架設至對稱位置，對其余位置進行掃描，直至完成。將獲取的點云與BIM模型進行3D對比分析，通過熱圖直觀體現(xiàn)模板拼裝精準度，能夠達到毫米級偏差分析，確保模板精度可控（見圖5）。

圖5 結構整體三維激光掃描