基于三維激光掃描的鋼套箱圍堰加工誤差檢測(cè)

摘" 要：隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，鋼套箱圍堰作為重要的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，其加工質(zhì)量直接影響工程的安全和穩(wěn)定。目前，傳統(tǒng)的工廠加工誤差檢測(cè)方法存在精度不足、檢測(cè)效率低和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等問(wèn)題。該文提出一種基于三維激光掃描技術(shù)的鋼套箱圍堰加工誤差檢測(cè)方法。該方法通過(guò)高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)CAD模型對(duì)比，準(zhǔn)確計(jì)算各結(jié)構(gòu)點(diǎn)的偏差值。結(jié)果顯示，該方法能有效識(shí)別和量化加工誤差，顯著提高檢測(cè)精度和效率，為工程質(zhì)量控制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼套箱圍堰；三維激光掃描；加工誤差；檢測(cè)方法；工程質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TP319" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2025）09-0132-04

Abstract： With the continuous development of infrastructure construction， steel-boxed cofferdam is an important temporary structure， and its processing quality directly affects the safety and stability of the project. At present， traditional factory processing error detection methods have problems such as insufficient accuracy， low detection efficiency and complex data processing. This paper proposes a method for detecting processing errors of steel box cofferdams based on three-dimensional laser scanning technology. This method accurately calculates the deviation value of each structural point by comparing high-precision point cloud data with the design CAD model. The results show that this method can effectively identify and quantify processing errors， significantly improve testing accuracy and efficiency， and provide a scientific basis for engineering quality control and structural optimization.

Keywords： steel-jacketed cofferdam; three-dimensional laser scanning; processing error; testing method; engineering quality

炮孔填塞是爆破施工過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要作用是保證炮孔內(nèi)炸藥充分反應(yīng)，延長(zhǎng)爆生氣體作用時(shí)間，降低體積巖石炸藥的消耗量。周志強(qiáng)對(duì)填塞物的作用機(jī)理和發(fā)展進(jìn)行研究，論證了填塞物在工程爆破中的重要作用；郭云龍等通過(guò)模擬分析了無(wú)填塞、填塞聚氨酯和填塞炮泥3種工況下填塞材料對(duì)巖石爆破效果的影響規(guī)律指出：填塞聚氨酯時(shí)巖石受到的壓力峰值是無(wú)填塞的1.9倍，壓力波峰與波谷的間隔時(shí)間是無(wú)填塞時(shí)的3倍，填塞炮泥時(shí)巖石受到的壓力峰值是無(wú)填塞的1.67倍，壓力波峰與波谷的間隔時(shí)間是無(wú)填塞的1.5倍。

早在公元前25年，羅馬建筑師Polio Vitruvius就已記錄人們用圍堰來(lái)保護(hù)水中建筑免受高速水流的影響[1]。發(fā)展至今，現(xiàn)代圍堰多以鋼套箱為主，它由鋼套箱、連接件和支撐體系組成。被廣泛用于圍堰、碼頭、橋梁、沉管隧道和其他項(xiàng)目。鋼套箱圍堰是工程建設(shè)中至關(guān)重要的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，其加工精度直接關(guān)系到工程的安全和穩(wěn)定。然而，目前用于檢測(cè)工廠加工誤差的傳統(tǒng)方法，如人工測(cè)量和目視檢查，存在精度不足、檢測(cè)效率低、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等問(wèn)題，這些方法可能無(wú)法有效識(shí)別所有偏差，導(dǎo)致潛在的結(jié)構(gòu)問(wèn)題和增加的成本。在這種背景下，先進(jìn)技術(shù)為解決這些問(wèn)題提供了新的可能性。本文提出了一種基于三維激光掃描技術(shù)的鋼套箱圍堰加工誤差檢測(cè)方法，并將其用于哈爾濱松花江特大橋項(xiàng)目。通過(guò)獲取高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將其與CAD設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，這一方法克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺陷，提升了測(cè)量精度、檢測(cè)效率，并簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理過(guò)程。本研究旨在展示三維激光掃描技術(shù)在準(zhǔn)確識(shí)別和量化鋼套箱圍堰加工誤差方面的有效性。結(jié)果表明，該技術(shù)在提高工廠加工過(guò)程中的質(zhì)量控制和優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能方面具有巨大的潛力，為工程建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)和實(shí)用支持。

1" 研究背景

1.1" 三維激光掃描

三維激光掃描是一種非接觸式測(cè)量技術(shù)，通過(guò)發(fā)射激光束并捕捉反射信號(hào)，能夠快速、準(zhǔn)確地獲取物體或環(huán)境的三維數(shù)據(jù)[2]。激光掃描儀能夠以高密度點(diǎn)云的形式記錄目標(biāo)的幾何信息，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步處理和分析，以生成高精度的三維模型。三維激光掃描在建筑、工程、考古和影視制作等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，因其高效性和精確性，尤其適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的測(cè)量和評(píng)估。

在工程建設(shè)領(lǐng)域，三維激光掃描被廣泛應(yīng)用于質(zhì)量控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和施工進(jìn)度管理等方面。通過(guò)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的掃描，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)和評(píng)估施工精度，確保工程按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。此外，三維激光掃描還可以用于生成數(shù)字化檔案，為后續(xù)維護(hù)和改造提供數(shù)據(jù)支持。

1.2" 鋼套箱圍堰加工誤差

鋼套箱圍堰是一種常用于水下施工的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，用以圍隔水體，提供干燥的工作環(huán)境，以便進(jìn)行基礎(chǔ)工程施工[3]。鋼套箱圍堰的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多個(gè)鋼板和鋼筋構(gòu)件焊接而成，其加工精度直接關(guān)系到工程的安全性和施工效果[4]。

在實(shí)際施工中，由于材料特性、制造工藝和操作環(huán)境等因素的影響，鋼套箱圍堰在加工過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生各種誤差[5]。這些誤差包括尺寸偏差、形狀偏差、焊接變形等，如果不及時(shí)檢測(cè)和校正，可能會(huì)影響圍堰的密封性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而影響整個(gè)工程的進(jìn)度和質(zhì)量[6]。

利用三維激光掃描技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)鋼套箱圍堰的加工誤差[7]。通過(guò)掃描獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別和量化誤差，從而為誤差校正和質(zhì)量控制提供依據(jù)。這種方法不僅提高了檢測(cè)效率，還大大減少了人為誤差，增強(qiáng)了工程質(zhì)量的可控性。

2" 方法

2.1" 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)通過(guò)發(fā)射激光束并捕捉反射信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)物體的三維數(shù)據(jù)。掃描儀會(huì)以高頻率發(fā)射激光脈沖，這些脈沖在碰到物體表面后反射回來(lái)。掃描儀根據(jù)激光脈沖的發(fā)射和接收時(shí)間差，計(jì)算出每個(gè)反射點(diǎn)與掃描儀之間的距離。通過(guò)多次發(fā)射和接收激光脈沖，掃描儀能夠獲取目標(biāo)物體表面的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括每個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)（x，y，z）和反射強(qiáng)度，這些數(shù)據(jù)可以用于構(gòu)建目標(biāo)物體的精確三維模型。通過(guò)適當(dāng)?shù)能浖幚?，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以進(jìn)行濾波、配準(zhǔn)和建模，從而得到符合實(shí)際情況的三維模型。

2.2" 鋼套箱圍堰的測(cè)量方法

為了檢測(cè)鋼套箱圍堰的加工誤差，采用以下步驟進(jìn)行三維激光掃描和數(shù)據(jù)處理。

1）設(shè)備選擇和設(shè)置：本研究所選設(shè)備為天寶X7三維激光掃描儀，如圖1所示，其掃描范圍為0.6～80 m，掃描誤差小于3 mm，而鋼套箱圍堰尺寸一般為10～30 m，根據(jù)GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》鋼套箱圍堰長(zhǎng)、寬2個(gè)方向的長(zhǎng)度允許誤差分別為±20 mm[8]，所以該設(shè)備能夠滿足工程實(shí)際運(yùn)用的要求。對(duì)掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其在測(cè)量過(guò)程中的準(zhǔn)確性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，確定掃描儀的布置位置和掃描路徑，確保能夠覆蓋整個(gè)圍堰結(jié)構(gòu)。

2）掃描流程：將掃描儀布置在預(yù)定位置，進(jìn)行多角度掃描，以確保能夠全面捕捉圍堰的表面數(shù)據(jù)，如圖2所示；掃描過(guò)程中，確保掃描儀穩(wěn)定，避免因震動(dòng)或位移導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差；每次掃描完成后，檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性和質(zhì)量，確保沒(méi)有遺漏或異常數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理：將掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，通過(guò)專業(yè)軟件進(jìn)行初步處理，包括去除噪點(diǎn)、過(guò)濾無(wú)效數(shù)據(jù)等；對(duì)多次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)和合并，生成完整的圍堰三維模型。

2.3" 數(shù)據(jù)分析和處理

1）數(shù)據(jù)分析和處理：本研究所用點(diǎn)云處理軟件為Trimble Realworks，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理，確保模型的精度；對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使其與設(shè)計(jì)模型對(duì)齊。

2）誤差檢測(cè)：將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)軟件計(jì)算每個(gè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)模型的偏差，識(shí)別加工誤差；生成誤差分析報(bào)告，詳細(xì)記錄各部位的誤差值，并通過(guò)顏色編碼的誤差圖展示誤差分布情況。

3" 試驗(yàn)結(jié)果

3.1" 數(shù)據(jù)處理

完成所有掃描后，將設(shè)備中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)。導(dǎo)出數(shù)據(jù)時(shí)，確保所有掃描的數(shù)據(jù)文件完整無(wú)誤，并備份原始數(shù)據(jù)以防丟失。首先對(duì)導(dǎo)出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)清洗和去噪處理，該操作能將點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差降低約60%[9]。清洗過(guò)程主要是去除明顯的噪點(diǎn)和無(wú)效數(shù)據(jù)，如反射過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱的點(diǎn)。去噪則是通過(guò)算法處理，減少數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)初步處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加清晰和可靠，為后續(xù)的分析和使用奠定基礎(chǔ)。

由于掃描過(guò)程涉及多個(gè)角度和位置的數(shù)據(jù)采集，因此需要將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和校準(zhǔn)。使用預(yù)先布置的標(biāo)志物（如已知位置的反射標(biāo)記）作為參照點(diǎn)，將不同位置的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊和拼接。拼接過(guò)程中，確保各數(shù)據(jù)集的連接點(diǎn)準(zhǔn)確無(wú)誤，避免重疊或錯(cuò)位。校準(zhǔn)過(guò)程包括調(diào)整點(diǎn)云數(shù)據(jù)的相對(duì)位置和角度，使其與實(shí)際圍堰結(jié)構(gòu)一致。通過(guò)這些步驟，形成一個(gè)完整、連續(xù)的圍堰三維點(diǎn)云模型，如圖3所示，為后續(xù)的誤差分析和結(jié)構(gòu)評(píng)估提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2" 誤差分析

誤差分析階段是將實(shí)際掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)的CAD模型進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別和計(jì)算加工誤差的關(guān)鍵步驟。首先，將在現(xiàn)場(chǎng)掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到點(diǎn)云處理軟件Trimble Realworks中，同時(shí)導(dǎo)入工廠加工的CAD設(shè)計(jì)圖紙，這些圖紙包含了圍堰的理論尺寸和設(shè)計(jì)模型。使用軟件的對(duì)齊工具，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD模型進(jìn)行初步對(duì)齊，對(duì)齊過(guò)程中使用圍堰的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)或標(biāo)志物作為參考點(diǎn)，確保兩者在同一坐標(biāo)系中。進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD模型的關(guān)鍵特征（角點(diǎn)、邊緣和面）精確重合，確保后續(xù)誤差分析的準(zhǔn)確性。然后，使用點(diǎn)云處理軟件的對(duì)比功能，逐點(diǎn)對(duì)比點(diǎn)云數(shù)據(jù)和CAD模型，軟件會(huì)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)云點(diǎn)到CAD模型表面的距離，這些距離即為誤差值。對(duì)比分析的結(jié)果以灰度值編碼的方式展示誤差大小和分布情況，不同顏色表示不同的誤差范圍，如圖4所示，顏色灰度越深表示誤差越大，反之表示誤差越小，可以幫助快速識(shí)別誤差較大的區(qū)域。

在誤差計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)點(diǎn)云處理軟件的誤差分析功能計(jì)算每個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)的偏差值，這里分別選取圍堰上下4個(gè)角點(diǎn)作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)，即總計(jì)8個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)，這些偏差值表示實(shí)際掃描數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)模型之間的距離差異。使用軟件生成每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的偏差數(shù)據(jù)表，詳細(xì)列出各個(gè)點(diǎn)的具體誤差值，見(jiàn)表1。此外，還可以選擇統(tǒng)計(jì)誤差的最大值、最小值和平均值等數(shù)據(jù)，以全面了解誤差分布情況。

通過(guò)分析誤差分布圖和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)偏差表，識(shí)別出加工誤差較大的部位，然后對(duì)這些部位進(jìn)行進(jìn)一步檢查和修正。這些信息為后續(xù)的調(diào)整和改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)支持。通過(guò)詳細(xì)的誤差分析步驟，可以準(zhǔn)確識(shí)別和量化鋼套箱圍堰的加工誤差，為施工質(zhì)量控制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種方法，通過(guò)應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，能夠準(zhǔn)確獲取鋼套箱圍堰的實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)，并與CAD設(shè)計(jì)模型進(jìn)行精確對(duì)比。這一方法包括掃描設(shè)備的精細(xì)放置與參數(shù)設(shè)置、多角度數(shù)據(jù)采集以及詳細(xì)的誤差分析。結(jié)果表明，使用三維激光掃描技術(shù)不僅提高了數(shù)據(jù)采集的精度和效率，還為識(shí)別和量化加工誤差提供了科學(xué)可靠的依據(jù)。生成的誤差分布圖和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)偏差表為施工質(zhì)量控制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要的參考，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正加工偏差，從而確保工程質(zhì)量和安全性。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)將在更多領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用，為工程建設(shè)帶來(lái)更多的便利和保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] CLASMEIER H D， WILHELMSHAVEN N H. A comparison between circular cell cofferdams and double wall cofferdams and different loads by means of a simple calculation scheme[J].InProceedings of the 11th international harbour congress，Antwerp， Belgium1996（6）：17-21.

[2] 黃冬勇，范世超.地面三維激光掃描技術(shù)及運(yùn)用分析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2024（12）：13-16.

[3] YANG Y， LIU W， HU A， et al. Application of Steel Sheet Pile in Deep Foundation Pit Support of Collapsible Loess Regions[J].InIOP Conference Series： Earth and Environmental Science，2020，1（4）：72-88.

[4] JIANG Y， GUO F， WANG W， et al. Stability Study of a Double-Row Steel Sheet Pile Cofferdam Structure on Soft Ground[J]. Water，2023，15（14）：26-43.

[5] CHO S M， JEON B S， PARK S I， et al. Geotextile tube application as the cofferdam at the foreshore with large tidal range for Incheon bridge project[C]//InGeosynthetics in Civil and Environmental Engineering： Geosynthetics Asia 2008 Proceedings of the 4th Asian Regional Conference on Geosynthetics in Shanghai， China， 2009：591-596.

[6] URIBE-HENAO， A. FELIPE， LUIS G. Arboleda-Monsalve. Sheet pile interlocks and ring beam installation effects on the performance of urban cofferdams[C]//Geotechnical Frontiers 2017，2017：170-180.

[7] 周元，彭滿華，安小銳，等.粗大誤差在船塢圍堰安全施工監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用與分析[J].巖土工程技術(shù)，2012，26（5）：226-229，255.

[8] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范：GB 50205—2020[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2020.

[9] YING L， SHENG H K. A single-stage point cloud cleaning network for outlier removal and denoising[J].Pattern Recognition 2023（138）：109366.