基于三維激光點(diǎn)云的復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)檢測方法

摘" 要：針對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑施工質(zhì)量檢測難度大的問題，該文提出一種高效的三維激光掃描及建筑結(jié)構(gòu)檢測分析方案。以某地鐵車輛段施工建筑質(zhì)量檢測為例，針對規(guī)模巨大且實(shí)體空間不規(guī)則等特性，創(chuàng)新性地將分層聯(lián)合的控制測量方法運(yùn)用在多層復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)施工檢測中；后依據(jù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)編寫批量標(biāo)注建筑構(gòu)件尺寸等的工具，結(jié)合GIS將線面數(shù)據(jù)與設(shè)計圖對比分析，實(shí)現(xiàn)檢測的自動化分析。檢測結(jié)果表明，該方法相較傳統(tǒng)方法，全面高效地展現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑的施工現(xiàn)狀，檢測精度高，具有廣闊的應(yīng)用前景，為相關(guān)工程提供了有益的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑；高精度控制；三維激光掃描；施工檢測；控制測量方法

中圖分類號：TU317" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0157-04

Abstract： Aiming at the difficulty of inspecting the construction quality of large and complex structures， this paper proposes an efficient three-dimensional laser scanning and building structure inspection and analysis scheme. Taking the construction quality inspection of a subway depot as an example， in view of the characteristics of huge scale and irregular physical space， the layered and combined control survey method was innovatively applied to the construction inspection of multi-story complex building structures; later， a batch marking tool for building component size was compiled based on the structural characteristics of the component， and combined with GIS to compare and analyze the line and surface data with the design drawings to realize automated analysis of the inspection. The test results show that compared with traditional methods， this method comprehensively and efficiently demonstrates the construction status of complex structural buildings， has high detection accuracy， and has broad application prospects， providing useful reference and reference for related projects.

Keywords： complex structural building; high-precision control; 3D laser scanning; construction inspection; control measurement methods

現(xiàn)階段，我國對建筑工程的施工質(zhì)量愈發(fā)重視，建筑工程的質(zhì)量直接關(guān)系到社會大眾的生命財產(chǎn)安全。隨著軌道交通與建筑群的融合建設(shè)，建筑行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，建筑物的復(fù)雜度日益增加，選擇有效的施工檢測方法，分析研究檢測數(shù)據(jù)，對降低施工成本、控制施工質(zhì)量，具有非常重要的意義。但傳統(tǒng)的全站儀等檢測方法效率低、精度差。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建筑構(gòu)件規(guī)模大、施工難度大、安全責(zé)任重和質(zhì)量要求高的建筑工程，傳統(tǒng)測繪技術(shù)手段常常無法滿足施工質(zhì)量檢測的需求[1]。三維激光掃描技術(shù)在復(fù)雜建筑三維建模及建筑立面測繪中的應(yīng)用研究較多[2-5]，但三維激光掃描技術(shù)結(jié)合多層控制聯(lián)系測量進(jìn)行施工現(xiàn)狀檢測，并與設(shè)計成果對比分析的應(yīng)用研究較少[6-7]。本文面向某地鐵車輛段大規(guī)模、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的建筑構(gòu)件施工質(zhì)量檢測需求，建立多層聯(lián)系的高精度工程控制網(wǎng)，采用地面三維激光掃描技術(shù)對該車輛段2、3層及中間夾層的近萬個建筑構(gòu)件進(jìn)行檢測，基于建筑結(jié)構(gòu)線面特征配準(zhǔn)點(diǎn)云，獲得高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將獲取的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)輕量化，結(jié)合檢測樁柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用AutoCAD Lisp語言編寫了批量標(biāo)注工具，與設(shè)計平面圖作對比，利用GIS統(tǒng)計分析，提高了檢測效率，較好地反應(yīng)了檢測區(qū)域的建筑施工質(zhì)量，保障了工程進(jìn)一步的安全施工。

1" 地面三維激光掃描原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)主要包括激光掃描儀、電腦、腳架等。其中激光掃描儀包括激光測距和掃描系統(tǒng)等，核心的激光測距系統(tǒng)主要分為脈沖式、相位式和激光三角法測距系統(tǒng)。目前市場上大多為脈沖式掃描儀，其測距原理是通過激光器發(fā)射激光與記錄回波信號，計算出所用時間，再利用光速計算目標(biāo)點(diǎn)與三維激光掃描間的距離S[8]。

2" 工程實(shí)例

2.1" 工程概況

本工程是某地鐵車輛段建筑綜合體，長約1 300 m、寬500 m，為3層框架結(jié)構(gòu)，分為東、中、西區(qū)，其西區(qū)除在2層與3層還存在約8 700 m2的中間夾層。本次檢測內(nèi)容為2、3層及中間夾層建筑構(gòu)件施工現(xiàn)狀。該建筑每層內(nèi)部空間有千余根承重樁柱（如圖1所示），內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有大量的預(yù)留孔洞、伸縮縫、電纜槽等，且建筑正處于施工完建期，內(nèi)部堆有大量建筑材料，部分支柱模板未完全拆卸，地面有大量積水，建筑物內(nèi)光線昏暗，通視及環(huán)境條件較差，檢測工作難度極大；大規(guī)模樁柱檢測圖形數(shù)據(jù)量龐大，帶來尺寸標(biāo)注及結(jié)果比對工作量巨大且容易出錯的難題。

2.2" 質(zhì)量檢測的關(guān)鍵技術(shù)

本工程采用徠卡ScanStationP40地面三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，該儀器掃描速率高達(dá)100萬點(diǎn)/s，測程270 m，點(diǎn)位精度3 mm@50 m。三維激光掃描作為一種新的手段和方法，要實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的高精度檢測，其關(guān)鍵在于誤差抑制，誤差產(chǎn)生環(huán)節(jié)包括控制建立、點(diǎn)云配準(zhǔn)、特征結(jié)構(gòu)信息提取及檢測分析。

2.2.1" 控制建立與點(diǎn)云采集

控制預(yù)設(shè)精度要高于結(jié)構(gòu)檢測的精度，采用全站儀和三維掃描儀結(jié)合控制全局，消除累計誤差，具體實(shí)施方案如下。

1）在建筑體1層外部及3層四周分別布設(shè)導(dǎo)線點(diǎn)，形成“回”型塔式首級閉合導(dǎo)線圖形，臨近角點(diǎn)建立聯(lián)系。

2）以1層、3層首級控制點(diǎn)為基礎(chǔ)，以導(dǎo)線支點(diǎn)依次遞推方式進(jìn)行控制點(diǎn)的發(fā)散發(fā)展加密。1層利用框架露空窗口水平向內(nèi)部空間發(fā)散，3層利用上、下層的預(yù)留孔洞、樓臺、同行坡道等露天部位向下對2層進(jìn)行加密控制。

3）對中間夾層的內(nèi)部控制，采用三維激光掃描儀從1層內(nèi)部臨近控制點(diǎn)出發(fā)掃描，2層、3層掃描站分別形成閉合鏈?zhǔn)?，其?層掃描分別兼顧夾層2.5層和2.7層，同時考慮上、下層露空處點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重疊度不小于30%，布設(shè)一定數(shù)量的標(biāo)靶，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行閉合鏈?zhǔn)秸w拼接平差，形成點(diǎn)云控制骨干框架。其2層掃描儀架站位置如圖2所示。

2.2.2" 點(diǎn)云配準(zhǔn)

點(diǎn)云配準(zhǔn)是數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵，配準(zhǔn)的精準(zhǔn)度直接影響質(zhì)量檢測分析結(jié)果。針對本工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征明顯的特點(diǎn)，本文基于特征點(diǎn)線與自動配準(zhǔn)結(jié)合的方法，一是在建筑空間結(jié)構(gòu)中構(gòu)建標(biāo)靶完成掃描站點(diǎn)與控制連接，其拼接精度受標(biāo)靶點(diǎn)的數(shù)量及覆蓋范圍的影響[9]，本工程案例中，共采集制作了15個標(biāo)靶控制點(diǎn)；二是利用臨近控制點(diǎn)作為參考點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。

利用公共區(qū)域的點(diǎn)云特征，將2個或多個坐標(biāo)系的點(diǎn)云經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平移變換至同一坐標(biāo)系并使得公共點(diǎn)云重合即完成配準(zhǔn)。為了提高配準(zhǔn)精度，引入多源約束模型，除點(diǎn)約束配準(zhǔn)外，在平整墻面及承重柱提取線面特征約束，采用驗后方差迭代整體配準(zhǔn)法進(jìn)行精細(xì)配準(zhǔn)[10]，配準(zhǔn)后精度見表1。配準(zhǔn)后點(diǎn)云去噪，結(jié)果如圖3所示。

2.2.3" 特征結(jié)構(gòu)信息提取

為分析建筑構(gòu)件的安全性，首先對掃描點(diǎn)云進(jìn)行二維化信息提取。因建筑構(gòu)件數(shù)量巨大，通過點(diǎn)云與二維設(shè)計線對比分析，工作量巨大，且檢測直觀性及數(shù)據(jù)分析效率較低。本案例在點(diǎn)云正投影模式下，選擇與架站高度相近的高度，對工程區(qū)的三維點(diǎn)云進(jìn)行切片，以切片點(diǎn)云為底圖對樁柱進(jìn)行識別及半自動矢量化，繪制樁柱等建筑構(gòu)件的結(jié)構(gòu)線，降低了人工干預(yù)的工作量。

2.2.4" 自動化檢測分析

本文將根據(jù)檢測樁柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用AutoCAD Lisp語言分別編寫位置偏差與尺寸偏差批量標(biāo)注工具，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模樁柱的一鍵自動化快速標(biāo)注，其中間夾層部分區(qū)域建筑構(gòu)件結(jié)構(gòu)位置偏差的標(biāo)注結(jié)果如圖4所示。

其中批量標(biāo)注建筑構(gòu)件位置偏移情況的關(guān)鍵代碼如下：

（if （setqss （ssget （list （cons 8 “柱子”）（cons 0 \"*POLYLINE\"））））

（repeat （setq k （sslengthss））

（setqent （ssnamess （setq k （1- k））））

（setqptn （xlr_pljdzbent））

（if （setq ss1 （ssget \"CP\" ptn （list （cons 0 \"*POLYLINE\"））））

（progn

（ssdelent ss1）

（if （gt;= （sslength ss1） 1）

（progn

（setq pt1 （nth 0 ptn））

（setq pt2 （nth 2 ptn））

（entmake （list '（0 . \"LINE\"） （cons 62 （xlr_get_colorent））（cons 8 （xlr_dxf" 8" ent））（cons 10 pt1） （cons 11 pt2）））

（setq pt3 （nth 1 ptn））

（setq pt4 （nth 3 ptn））

（entmake （list '（0 . \"LINE\"） （cons 62 （xlr_get_colorent））（cons 8 （xlr_dxf" 8" ent））（cons 10 pt3） （cons 11 pt4）））

（setq ptc1 （inters pt1 pt2 pt3 pt4））

（setq ent1 （ssname ss1 0））

（setqptn （xlr_pljdzb ent1））

（setq pt1 （nth 0 ptn））

（setq pt2 （nth 2 ptn））

（entmake （list '（0 . \"LINE\"） （cons 62 （xlr_get_color ent1））（cons 8 （xlr_dxf" 8" ent1））（cons 10 pt1） （cons 11 pt2）））

（setq pt3 （nth 1 ptn））

（setq pt4 （nth 3 ptn））

（entmake （list '（0 . \"LINE\"） （cons 62 （xlr_get_color ent1））（cons 8 （xlr_dxf" 8" ent1））（cons 10 pt3） （cons 11 pt4）））

（setq ptc2 （inters pt1 pt2 pt3 pt4））

（setq pt1 （xlr_mid" ptc1 ptc2））

（setq pt2 （polar pt1 （+ （/ pi 2.0） （angle ptc1 pt1）） （* dis 1.2） ））

（command \"dimaligned\" ptc1 ptc2 pt2 ）

標(biāo)注完成后，對偏差值較大的建筑構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)分析，排除對應(yīng)關(guān)系錯誤的現(xiàn)象。在GIS軟件中批量對結(jié)構(gòu)尺寸偏差和結(jié)構(gòu)位置偏差進(jìn)行統(tǒng)計分析：檢測的8 354個樁柱中，結(jié)構(gòu)位置偏差值小于等于10 cm的約占總量的86%。結(jié)構(gòu)尺寸偏差值小于等于5 cm的約占86.4%。同時根據(jù)差異信息，定位結(jié)構(gòu)偏差較大的建筑構(gòu)件，對其單獨(dú)分析，保障后續(xù)施工的安全性，檢測效率明顯高于傳統(tǒng)檢測方法。

3" 結(jié)束語

針對具有空間多樣性的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑的施工質(zhì)量檢測，本文基于三維激光掃描技術(shù)提出新的檢測方案：首先建立高精度的工程控制網(wǎng)，提高復(fù)雜空間三維掃描的配準(zhǔn)精度；采用地面三維激光掃描技術(shù)檢測建筑構(gòu)件，相較傳統(tǒng)的檢測方法，在數(shù)據(jù)采集上，具有高效率、高精度、全覆蓋和非接觸等特性，可全面詳細(xì)地反映建筑物的施工質(zhì)量；創(chuàng)新性開發(fā)自動化標(biāo)注的CAD工具，實(shí)現(xiàn)了巨量建筑構(gòu)件圖形的標(biāo)繪與分析，并利用GIS軟件統(tǒng)計檢測結(jié)果，大大減輕了內(nèi)業(yè)大規(guī)模建筑構(gòu)件手動檢測的工作壓力。總體作業(yè)效率明顯提高，解決了檢測精度統(tǒng)一的關(guān)鍵問題，提升了施工質(zhì)量管理的水平，具有較高的實(shí)用性和推廣應(yīng)用前景。

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