異形空間曲面復(fù)雜幕墻三維掃描下料施工工法

異形空間曲面復(fù)雜幕墻三維掃描下料施工工法xx建設(shè)集團(tuán)有限公司1前言隨著工業(yè)現(xiàn)代化和科學(xué)技術(shù)的縱深發(fā)展，人們對建筑外觀美感的要求越來越高，造型也越來越復(fù)雜。幕墻工程呈現(xiàn)出對美感和造型前所未有的追求，從傳統(tǒng)的平直外立面向單曲、雙曲等復(fù)雜造型跨越，由此，傳統(tǒng)的放線測量下料技術(shù)不論從操作、技術(shù)方面，還是從成本、進(jìn)度、質(zhì)量等方面均已不能滿足此類項(xiàng)目的內(nèi)在要求。異形空間三維掃描下料技術(shù)通過控制測量、掃描、建模等施工工序操作，給出了針對該問題的妥善、高效的解決方案。我公司在2014青島xx項(xiàng)目異形空間幕墻工程的施工中，通過對異形空間三維掃描下料技術(shù)的深入研究和實(shí)踐，提煉形成本工法，為同類工程的施工提供了借鑒、參考和指導(dǎo)。2工法特點(diǎn)精度高。通過全站儀和電子水準(zhǔn)儀相結(jié)合的方式來建立空間控制網(wǎng)，較之單純的全站儀測量的控制網(wǎng)，誤差小且均勻分?jǐn)?，提高控制網(wǎng)的精確度。操作簡單。高端高效的三維掃描，具有高效、準(zhǔn)確、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，對異形空間的幕墻測量工作具有很強(qiáng)的針對性和切合性。效率高。針對造型復(fù)雜而又工期緊張的項(xiàng)目而言，批量下料是提高效率、縮短工期的有效途徑，在三維模型提取的數(shù)據(jù)為批量下料提供了良好的技術(shù)依據(jù)。3適用范圍本工法適用于：各種造型的幕墻測量下料，尤其適用于曲面復(fù)雜的異形空間幕墻測量下料技術(shù)。4工藝原理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換?？刂凭W(wǎng)由覆蓋整個建筑物的坐標(biāo)控制點(diǎn)組成，是城市坐標(biāo)系下建立的控制網(wǎng)。在幕墻支撐點(diǎn)坐標(biāo)掃描后，需將所掃描點(diǎn)（或?qū)ο螅┑淖鴺?biāo)轉(zhuǎn)化成城市坐標(biāo)系下的坐標(biāo)?？刂凭W(wǎng)系中坐標(biāo)A0（X0,Y0,Z0）掃描坐標(biāo)系中A1(X1,Y1,Z1)掃描坐標(biāo)系中目標(biāo)點(diǎn)A2（X2,Y2,Z2）相對坐標(biāo)差ΔX=X2-X1ΔY=Y2-Y1ΔZ=Z2–Z1控制網(wǎng)系（城市坐標(biāo)系）與掃描坐標(biāo)系對目標(biāo)點(diǎn)A2進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：X2=X0+ΔXY2=Y0+ΔYZ2=Z0+ΔZ下料計(jì)算原理。D=[（X2-X1）2+（Y2-Y1）2+（Z2–Z1）2]0.5其中X,Y,Z分別是三角形幕墻玻璃角點(diǎn)的三維坐標(biāo)。5工藝流程及操作要點(diǎn)5.1工藝流程區(qū)域劃分→平面控制網(wǎng)建立→平面控制測量→高程控制測量→安設(shè)燭點(diǎn)→三維掃描→內(nèi)業(yè)處理→坐標(biāo)轉(zhuǎn)換→三維建?！鷶?shù)據(jù)提取→形成料單→批量下料5.2操作要點(diǎn)區(qū)域劃分。劃分掃描區(qū)域并對每個區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)數(shù)設(shè)置（≥2，測量與校核）。根據(jù)建筑物的形狀以及現(xiàn)場控制網(wǎng)特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分。平面控制網(wǎng)建立。根據(jù)勘察測繪院給出的建筑物定位控制點(diǎn)的坐標(biāo)及現(xiàn)場劃分的區(qū)域，引測覆蓋建筑物的控制點(diǎn)，這些控制點(diǎn)需滿足以下幾個要求：1、控制網(wǎng)圍繞并覆蓋整個建筑物，控制點(diǎn)之間的距離相對均勻且在測量儀器誤差允許的測量距離內(nèi)，不能過于集中，否則會導(dǎo)致后續(xù)掃描過程中控制點(diǎn)采集困難，影響測量和掃描精度。2、控制點(diǎn)之間前后通視良好，以便于坐標(biāo)和高程的測量。3、控制點(diǎn)與建筑物距離恰當(dāng)，根據(jù)掃描儀器的掃描距離且需保證掃描儀器工作過程中對該點(diǎn)的覆蓋，太遠(yuǎn)產(chǎn)生誤差太大，太近可能掃描不到。平面控制測量。平面控制測量的主要目的是獲取控制網(wǎng)上所有控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)，即（x,y）坐標(biāo)，該工序通過全站儀測量角度和距離，依次推算各個點(diǎn)的坐標(biāo)（起始點(diǎn)為已知城市坐標(biāo)系點(diǎn)）。高程控制測量。高程控制測量的主要目的是解決三維坐標(biāo)的“Z”值問題，由此，通過平面控制測量和高程控制測量，（x,y,z）的值均可以得以解決。安設(shè)燭點(diǎn)。管桁架的每個相貫線的節(jié)點(diǎn)處軍有焊接的點(diǎn)駁件，為了獲取點(diǎn)駁件形心的坐標(biāo)點(diǎn)，需在每個點(diǎn)駁件上安設(shè)燭點(diǎn)，當(dāng)掃描儀工作時，可以準(zhǔn)確的捕捉到該點(diǎn)的坐標(biāo)。局部燭點(diǎn)分布如圖5.2.4-1所示。圖-1三維掃描。點(diǎn)駁件安設(shè)妥當(dāng)后，采用三維激光掃描儀掃描所有燭點(diǎn)形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描過程中，不僅需掃描到燭點(diǎn)，而且要覆蓋該部分的控制點(diǎn)的坐標(biāo)，這樣，便于后續(xù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。圖-1掃描儀分區(qū)域掃描示意圖.1內(nèi)業(yè)處理。通過內(nèi)業(yè)處理，將掃描儀中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)數(shù)據(jù)。.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。對內(nèi)業(yè)處理的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使所有的點(diǎn)都處于城市坐標(biāo)系中。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的成果便是所有燭點(diǎn)的城市坐標(biāo)系里的坐標(biāo)值。.3三維建模。根據(jù)所得的燭點(diǎn)的坐標(biāo)系值，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方式，建立三維模型。圖-1三維模型.4數(shù)據(jù)提取。在所建立的三維模型中批量提取所需數(shù)據(jù)，即所有玻璃的邊長數(shù)據(jù)。圖-1.5形成料單。對所測量的玻璃進(jìn)行分區(qū)編碼，匯總所有玻璃的邊長信息，由此形成了三維掃描的料單。批量下料。工廠可以根據(jù)提供的料單信息，進(jìn)行批量下料，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的流水線批量生產(chǎn)，提高了質(zhì)量和效率。6材料與設(shè)備6.1材料燭棒。燭棒規(guī)格根據(jù)點(diǎn)駁件的規(guī)格設(shè)定，其外徑與點(diǎn)駁件的內(nèi)徑相等，恰好可承插在點(diǎn)駁件上。6.2機(jī)具設(shè)備本工法采用的機(jī)具設(shè)備包括：水準(zhǔn)儀、全站儀、三維激光掃描儀、三維激光掃描儀配套軟件、塔尺、棱鏡、汽車吊、塔吊、數(shù)據(jù)儲存設(shè)備、計(jì)算機(jī)等。7質(zhì)量控制7.1規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)《工程測量規(guī)范》GB50026-2007《建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50300-2001《玻璃幕墻工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T139—2001《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ133-20017.2質(zhì)量控制措施控制網(wǎng)的建立既要兼顧對整個建筑物的覆蓋，又要合理確定各相鄰點(diǎn)的恰當(dāng)距離，而且各個控制點(diǎn)離建筑物的距離不能太近，以免掃描儀無法掃描到該點(diǎn)。掃描儀工作過程中應(yīng)提前規(guī)劃，劃分合理的掃描區(qū)域。每個掃描區(qū)域盡量不要留下掃描死角，同時要掃描到作為相對坐標(biāo)計(jì)算依據(jù)的控制點(diǎn)坐標(biāo)。在平面控制測量工作中，對儀器的選擇應(yīng)選擇全站儀和水準(zhǔn)儀組合測量工具，如用全站儀一次性測量（x,y,z）值，由于棱鏡即儀器高度的測量累計(jì)誤差會導(dǎo)致部分玻璃不符合工程實(shí)際尺寸需求。安設(shè)燭點(diǎn)時，應(yīng)將駐點(diǎn)插至點(diǎn)駁件底部，第一保證穩(wěn)定、防脫落，第二可以保證燭棒與點(diǎn)駁件的切合度，提高掃描測量的精度。8安全措施測量、安全、信號工、塔吊工、施工人員等必須持證上崗。施工人員必須戴好安全帽，并系帽帶。嚴(yán)禁酒后作業(yè)及違章作業(yè)。掃描工作過程中要安裝固定到位，并由專人檢查。燭棒安裝屬于高空作業(yè)，操作人員佩戴安全帽并穿防滑鞋。塔吊指揮人員應(yīng)為專職的信號工且持證上崗。立面維護(hù)幕墻的測量借助腳手架時，在腳手架上進(jìn)行測量作業(yè)應(yīng)佩戴安全帶。9環(huán)保措施腳手架搭設(shè)后應(yīng)掛設(shè)密目網(wǎng)防止揚(yáng)塵。對裝運(yùn)建筑材料的車輛，派專人負(fù)責(zé)清掃及沖洗，保證行駛途中不污梁道路和環(huán)境。嚴(yán)格執(zhí)行工程所在地有關(guān)運(yùn)輸車輛管理的規(guī)定。施工現(xiàn)場應(yīng)做到整潔、衛(wèi)生、活完料凈，廢棄垃圾應(yīng)集中堆放、處理。10效益分析10.1經(jīng)濟(jì)效益分析經(jīng)濟(jì)效益以2014青島xx為例，綜合考慮質(zhì)量控制、成本造價以及對工期的影響等三個方面，與目前常用的三種可行方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析比較，見表-1和10.1.1-2。表-1方案名稱及特性序號方案名稱方案1人工測量方案2全站儀測點(diǎn)、AuutoCADD電子圖計(jì)算算下料方案3異性空間幕墻三維維掃描下料表-2造價分析序號方案名稱滯后工期（月）人工費(fèi)（元）租賃費(fèi)（元）方案1人工測量＞3＞162＞65.7方案2全站儀測點(diǎn)、AuutoCADD電子圖計(jì)算算下料316265.7方案3異性空間幕墻三維維掃描下料///如采用方案1、方案2中的任何一種，至少需3個月進(jìn)行測量，測量方面歷時僅為原來的1/6甚至更少。由于總體進(jìn)度提前3個月以上，在人工費(fèi)（現(xiàn)場工人120人，人均日工資150元）、周轉(zhuǎn)料具（腳手架、扣件每日租賃費(fèi)0.45萬）租賃費(fèi)、設(shè)備租賃費(fèi)（HTZ80塔吊三臺，汽車吊一臺，合計(jì)每天租金0.28萬）等方面合計(jì)節(jié)約費(fèi)用（120*0.015+0.45+0.28）*3*30=227.7萬元。10.2社會和環(huán)保效益社會和環(huán)保效益本工法即取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，又取得了良好的社會效益。得到了建設(shè)方、監(jiān)理方、設(shè)計(jì)方以及質(zhì)檢站的一致好評，鞏固了企業(yè)在社會上的良好形象。異形幕墻工程的施工完成受到建筑界各類人士關(guān)注，業(yè)內(nèi)同行多次組織觀摩學(xué)習(xí)。尤其值得一提的是，通過三維掃描下料，可以大大降低工程事故的發(fā)生率，其隱形的安全效益也是巨大的。11工程實(shí)例–2014青島xx項(xiàng)目工程概況。2014青島xx工程位于青島市天水路以北，百果山森林公園內(nèi)，占地面積2.44公頃，工程總造價2.93億。本工程總建筑面積22749m2其中地上建筑面積13522㎡，地下建筑面積9227㎡，是全亞洲最大的鋼結(jié)構(gòu)植物館之一。建筑結(jié)構(gòu)類型及層數(shù)：地上一層鋼結(jié)構(gòu)，地下一層混凝土結(jié)構(gòu)A館為暖溫帶植物展區(qū)，B館為竹藝展區(qū)，C館為溫帶植物展區(qū)，D館為海洋展區(qū)，是世界上唯一一座把海洋展區(qū)建在山區(qū)的建筑物。鋼結(jié)構(gòu)為管桁架結(jié)構(gòu)，總噸位只有約3000噸，拼裝桿件卻達(dá)到14000多根，而且所有桿件均為現(xiàn)場拼裝焊接，且焊縫總長度達(dá)到了17000米，相當(dāng)于10000噸常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接量，植物館圍護(hù)構(gòu)造為幕墻，總計(jì)板數(shù)約12000塊，均為三角形。工程效果圖見圖。圖-1施工情況。整個植物館分為四個館區(qū)，每個館區(qū)設(shè)置2~