雙曲屋面鋁板參數(shù)化建模+預(yù)制化施工工藝改進(jìn)

崔濤 CUI Tao

（中鐵十七局集團(tuán)建筑工程有限公司，太原 030032）

1 工程概況

惠城南站站房及附屬工程由中鐵十七局集團(tuán)有限公司承建，為鐵路中型旅客車站，施工內(nèi)容包含：站房、進(jìn)站地道、出站地道、站臺雨棚、鐵路自營停車樓等，總建筑面積61524m2，工程總造價48113 萬元。站房兩側(cè)為生產(chǎn)辦公用房（四層），結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；中間候車大廳為鋼結(jié)構(gòu)+鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相結(jié)合（兩層）；基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁；屋面采用鋁鎂錳合金屋面。建筑高度36.4m，最高點為44.5m。

作為沿線重要站點，惠城南站由國內(nèi)知名專家設(shè)計，設(shè)計理念是“重檐疊瓦、麟紋漾波”，充分展示了嶺南古村落文化中的美學(xué)意境和根源于古老農(nóng)耕文化的居住情調(diào)，如旭日村、范和村、墨園村、功武村等。利用重復(fù)的弧形單元頂棚，勾勒出極具陣列感的建筑輪廓，形似嶺南古村落層層疊疊的屋頂肌理。整體屋面由26 個屋面分塊組成，每個屋面分塊由縱橫相交的工字鋼梁與箱型鋼梁組成，屋面分塊最大尺寸為51.3m×32m。

2 傳統(tǒng)施工方法

在惠城南站屋面鋁板施工前期，建模員會針對他需要的點位和測量員進(jìn)行交底，測量員利用全站儀在現(xiàn)場對構(gòu)件的位置逐一采點，耗用時間長，且采集不全，對于惠城南站這種鋼結(jié)構(gòu)主體屋蓋未施工的項目受天氣影響較大。由于構(gòu)件點位采集不全，影響建模員構(gòu)件下料的精度，導(dǎo)致后期安裝質(zhì)量難保證，返工率提高，成本增加。

3 本裝置創(chuàng)新點

針對本工程的重難點，采用點云掃描+參數(shù)化建模+構(gòu)件預(yù)制化打造高質(zhì)量復(fù)雜造型曲面鋁板，項目有超1000m 的復(fù)雜造型雙曲屋面鋁板，使用了gh 電池組+犀牛參數(shù)化建模+三維激光掃描實現(xiàn)批量、精準(zhǔn)下料，提高施工效率和成品質(zhì)量。

工藝流程如圖1。

圖1 流程圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1現(xiàn)場設(shè)站掃描

在施工現(xiàn)場呈“N”字型布置標(biāo)靶點位，用于保證后期點云拼接轉(zhuǎn)換現(xiàn)場坐標(biāo)及精度，運(yùn)用三維激光掃描儀，將現(xiàn)場結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)實際情況掃描為點云，儲存在掃描儀內(nèi)。每個測點設(shè)置至少三個不同角度的測站，以保證點云模型清晰度及圖紙準(zhǔn)確度。根據(jù)實際情況利用全站儀，后方交會進(jìn)行靶標(biāo)數(shù)據(jù)采集。

4.2鋁板犀牛模型創(chuàng)建好之后，將犀牛模型設(shè)置成平面視圖導(dǎo)出，因現(xiàn)場坐標(biāo)數(shù)值大假如用此來建模的話可行但占用內(nèi)存多，不方便。將現(xiàn)場坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為犀牛軟件內(nèi)的坐標(biāo)。

4.3處理點云

4.3.1創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫

打開Cyclone 軟件，SERVERS 服務(wù)器下面為數(shù)據(jù)庫所在的兩個位置，將數(shù)據(jù)庫保存在“電腦名稱（unshared）”PC主機(jī)上，并進(jìn)入Add Database 配置選項，輸入數(shù)據(jù)庫名稱，點擊路徑設(shè)置按鈕，選擇新創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫的路徑。

4.3.2原始掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入

在Cyclone Navigator 界面下，右鍵單擊數(shù)據(jù)庫，選擇“Import ScanStation Project”，根據(jù)提示，選擇Leica ScanStation 工程文件，導(dǎo)入選項中有多個設(shè)置選擇，一般情況下，默認(rèn)加載點云法向量信息，如掃描時使用了拍照功能，同時選擇圖像匹配。

4.3.3點云的拼接

點云的拼接是通過一定的約束條件將多站點掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一坐標(biāo)系中的過程，拼接完成之后將得到一個項目的完整點云。此功能需要激活Cyclone Register 模塊。在Cyclone Navigator 界面下，選中項目數(shù)據(jù)庫，右鍵-->Creat-->Registration，或選中工程文件，右鍵-->Creat-->Registration。

在新創(chuàng)建的拼接中，單擊ScanWorld -->Add ScanWorld，或單擊圖標(biāo)進(jìn)入掃描單站ScanWorld 添加界面，需要進(jìn)行拼接的所有單站數(shù)據(jù)會在Registration-->ScanWorlds‘ Constraints 中顯示，其中下圖中的Station-->004 為黑體加粗顯示，是本次拼接中的Home Scan，即所有其余站點的數(shù)據(jù)均以此站數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行拼接。

常用的點云拼接方法有三種，基于標(biāo)靶的拼接、基于點云的視圖拼接、基于特征點的拼接，本工程采用的為基于標(biāo)靶的拼接。

基于標(biāo)靶的拼接的前提是掃描儀現(xiàn)場在整平狀態(tài)下的掃描站點與站點之間有兩個或者兩個以上的公共標(biāo)靶。

在前面提到的新建Registration 并將掃描站點進(jìn)行導(dǎo)入，設(shè)置好Home Scan 的基礎(chǔ)上，在菜單欄中選擇Constraint-->Auto-->Add Constraints（Target ID only）。選擇完畢后，在最下方對話欄中的Constraint List 中會顯示通過公共標(biāo)靶自動創(chuàng)建的站點與站點之間的約束條件，在滿足上文提到的前提下可進(jìn)行標(biāo)靶的自動拼接，單擊菜單欄中的Registration-->Register。完成拼接并顯示站與站之間所有約束條件下的整體誤差及在各方向上的誤差。在顯示的誤差滿足條件下，選擇Registration-->Creat ScanWorld/Freeze Registration 創(chuàng)建基于拼接的新的ScanWorld 并對拼接進(jìn)行凍結(jié)。最后選擇Registration-->Creat and Open Modelspace 打開視圖即為拼接完成的點云。

將三維激光掃描儀內(nèi)掃描的現(xiàn)場點云模型導(dǎo)出至Cyclone 軟件中，將不同點位測量的點云拼接起來，合成完整點云模型，切割掉周圍無用點，隔離出結(jié)構(gòu)+鋼結(jié)構(gòu)。此時可根據(jù)文件大小切塊并分次導(dǎo)出pts 格式的文件。

4.4將坐標(biāo)匹配好的點云模型導(dǎo)入犀牛模型后，檢查現(xiàn)場與設(shè)計模型是否有尺寸出入地方，尤其是屋面檐口位置，對犀牛模型進(jìn)行修正（見圖2）。

圖2 點云模型和犀牛模型碰撞檢查

4.5根據(jù)修正的犀牛模型進(jìn)行g(shù)h 電池組鋁板程序設(shè)計

4.5.1分割鋁板模型，對鋁板進(jìn)行編號（見圖3）

圖3 分割并編號的鋁板模型

4.5.2導(dǎo)出分割圖

將分割且編號的模型導(dǎo)出為CAD 圖紙，標(biāo)注各個尺寸。（圖4）

圖4 編號并標(biāo)注的鋁板

4.5.3鋁板工廠加工

將批量加工的CAD 圖紙發(fā)送廠家，由鋁板預(yù)制廠家工廠預(yù)制鋁板。（圖5）

圖5 批量加工CAD 圖紙

4.5.4施工現(xiàn)場安裝，將工廠預(yù)制的鋁板，按照編號，安裝至指定位置。（圖6）

圖6 模型與現(xiàn)場施工對比圖

5 實際效果

5.1經(jīng)濟(jì)效益

項目采用雙曲屋面鋁板參數(shù)化建模+預(yù)制化施工技術(shù)，可以快速獲取現(xiàn)場實際尺寸，進(jìn)行參數(shù)化建模，構(gòu)件精準(zhǔn)下料且工廠化批量預(yù)制，在提高質(zhì)量的同時，也提高了施工效率，工期方面：節(jié)約20 天，節(jié)省項目管理費(fèi)20*5萬=100 萬元。材料方面：由于是采用三維激光掃描現(xiàn)場實際尺寸，精度高，避免了人為量測導(dǎo)致的大誤差。節(jié)省材料約250m2鋁板，節(jié)約成本250*600 元/m2=15 萬元，勞動力節(jié)約10 人*350 元（人/天）*20 天，節(jié)約人工7 萬元。

5.2社會效益

廣汕鐵路惠城南站項目是省、市重點項目，觀感要求高，通過犀牛模型，結(jié)合構(gòu)件數(shù)字化和預(yù)制化加工，極大地減少了現(xiàn)場作業(yè)量，降低了人工高處作業(yè)的安全風(fēng)險，有效節(jié)約了工期。質(zhì)量和精度提高的同時，減少了開通運(yùn)營階段的不可預(yù)見問題。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，使得設(shè)計模型和現(xiàn)場實際緊密結(jié)合，在復(fù)雜造型屋面檐口鋁板中的定位測量與修正中起到了關(guān)鍵作用，調(diào)整后龍骨定位誤差小于3mm，避免了返工現(xiàn)象，同時，該技術(shù)在進(jìn)行使用過程中，受到了社會各界的廣泛好評，產(chǎn)生了良好的社會效益，對工程的順利完成提供了有利的保證?？梢栽陬愃频恼痉抗こ掏茝V應(yīng)用。

6 結(jié)束語

雙曲屋面鋁板參數(shù)化建模+預(yù)制化施工+三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用經(jīng)過項目實踐驗證，在以建設(shè)精品客站為目標(biāo)的站房工程中，提供了具有可推廣性、可復(fù)制性的方法。如復(fù)雜造型屋面檐口鋁板、室外幕墻等，實現(xiàn)全方位精細(xì)化管控，讓信息技術(shù)推動項目建設(shè)。