三维激光扫描虚拟预拼装技术在钢结构工程上的应用分析
时间：2020-10-04 10:57:59 来源：达达文档网 本文已影响 人 
付洋杨
【摘要】三维激光扫描虚拟预拼装技术利用三维激光扫描仪复建出被测目标的三维模型等各种数据点云模型，在计算机中进行虚拟预拼装，简便高效地分析比对数据，验证构件的加工制作对接精度。本文以济青高铁站房工程为例，讲解钢结构专业上的三维激光扫描仪虚拟预拼装应用技术。
【关键词】钢结构预拼装;三维激光扫描;对接精度
1.引言
构件需要预拼装常见于构件或结构复杂、运输超限、以及现场安装条件差等情况下，这意味着进行预拼装即面对着诸多困难。为满足现场一次拼装和吊装成功率，确保下道工序的正常运转和安装质量达到规范、设计要求，进行实体预拼装需耗费较多的人力物力，并且需要较大的空间以及较长的时间。
三维激光扫描虚拟预拼装技术利用三维激光扫描仪记录被测物体表面的点的三维坐标和纹理反射率等信息，快速復建出被测目标的面、体以及三维模型等各种数据，然后使用点云处理及数据对比分析功能的软件（SCENE、Geomagic Qualify等），在计算机中进行虚拟预拼装。
在模型数据的对比分析中，可以简单高效地得到构件的加工尺寸偏差数据（图1），更加直观地了解构件对接部位及其他关键部位的偏差分布，对偏差密集的区域或是关键部位进行点注释，验证构件的加工制作对接精度。
本文主要通过三维激光扫描虚拟预拼装技术在济青高铁红岛站房工程的应用，探讨介绍利用三维激光扫描仪在钢结构中进行虚拟预拼装的应用。
2.项目概况
济青高铁红岛站房工程位于山东省青岛市高新区，总建筑面积约7万m2，建筑规模17亿元。项目设计理念采用中国工程院院士程泰宁设计的“观海听涛”方案，整体呈现浪花造型，并设有观景平台，为全国首个海景高铁站房。
本工程为铁路与轨道交通中的主体站房，站房钢结构长262m，宽248m，候车层为箱型平面桁架构件主要包括钢管柱、箱型平面桁架、H型钢梁、系杆和隅撑等类型（图2）。旅服夹层主要包括钢柱和钢梁。中心屋盖为多跨连续三角形空间管桁架结构，结构由横向主桁架、纵向主桁架及次桁架组成。南北浪花为箱型和H型组合空间桁架结构。总用钢量约3.7万t。
中心屋盖钢结构的多跨连续三角形空间管桁架拼装难度大（图3），对拼装精度有极大的要求。利用三维激光扫描虚拟预拼装技术将三段构件扫描，在计算机中进行分析比对，可以最大地节约成本，最便捷地得出预拼装结论。
3.外业扫描获取数据
3.1设备选型
本工程采用了Focu3DX330型三维激光扫描设备（图4），其最大扫描距离能达到330m，扫描速度最快达97600个点/s，测距误差为±2mm，完全能够满足大范围快速高精度测量的需求。
3.2设备架设
中心屋盖的多跨连续三角空间管桁架分为三段进行预拼装，三段构件按照批次分布在现场不同位置，利用三维扫描仪便携、快速的特点，每个构件都通过不同角度转换站点，在现场完成构件全方位的扫描（图5-6）。
4.数据处理
4.1点云模型处理
外业采集的各测站点数据利用SCENE软件进行初步的处理（图7-8）。
4.2模型虚拟预拼装
将整理好的点云模型利用Geomagic qualify软件进行合并、拼接（图9-12）。
4.3对比分析
Geomagic qualify软件可以使用拼接好的点云模型与标准模型进行3D或2D对比分析。3D对比分析可以让我们对构件的整体偏差有一个直观的了解，2D对比分析可以对偏差比较密集或者比较关键的部位进行更加全面的对比分析（图13-14）。
通过将扫描的数据与标准模型的对比分析，我们可以直观地了解制作、拼装的误差，在构件出厂前可以对制作不合格的构件进行矫正，严重不合格的进行报废处理，杜绝不合格产品出厂。同时在现场弧形大梁的拼装过程中也可以对拼装进行指导，预拼装好之后整体扫描一遍（图15），误差在允许范围之内才能进行焊接，误差过大需根据对比分析结果进行及时调整，焊接完成之后进行复测，误差在允许范围内才可进行吊装。
5.结束语
三维激光扫描虚拟预拼装技术拥有扫描速度快、实时性强、精度高等特点。能够对任意物体进行扫描，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据。快速将扫描的信息转换成计算机处理的数据，相比人工手动统计计算，避免了人为疏忽导致数据产生错误的可能性。偏差数据不仅可以表现在模型上，用不同的颜色来表示不同的偏差范围大小以及偏差分布，也可以以图表的形式呈现。又或者创建点注释，标出构件的详细尺寸偏差。可以将所有对比分析操作生成报告并以pdf格式保存，方便保存与随时查看。更加全面快捷地复核钢结构节点的安装精度，为后续安装提供依据，对提高钢结构工厂加工及现场安装的效率与质量有着十分积极的作用。
参考文献
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