三維激光掃描在大型斜拉橋施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

三維激光掃描在大型斜拉橋施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

0維激光掃描技術(shù)在建筑、結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高精度全站儀相繼應(yīng)用于工程測(cè)量，全站儀的三角高測(cè)量方法也在工程中得到了廣泛應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)越來(lái)越引起研究領(lǐng)域的關(guān)注國(guó)外研究人員更早的開(kāi)始了三維激光掃描的研究應(yīng)用。美國(guó)科學(xué)家Lawler等在國(guó)內(nèi)三維激光掃描技術(shù)雖起步晚但發(fā)展快。2012年王紅霞等綜上所述，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者開(kāi)始使用三維激光掃技術(shù)在建筑、結(jié)構(gòu)領(lǐng)域進(jìn)行測(cè)量應(yīng)用，但在大型三維斜拉橋上的監(jiān)控測(cè)量研究較少。為證實(shí)技術(shù)在大型斜拉橋施工階段的可行性和有效性，項(xiàng)目使用三維激光掃描技術(shù)，通過(guò)點(diǎn)云建模的方式對(duì)斜拉橋進(jìn)行了下測(cè)繪應(yīng)用，在大型斜拉橋施工階段還原橋梁三維模型，提取梁底高程、錨點(diǎn)位置、合龍段等關(guān)鍵空間測(cè)繪參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證以及指導(dǎo)后續(xù)施工。1主梁橋臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)某新建高速公路特大橋橋型方案布置為：12×40m（鋼-混組合梁）+（215+480+215)m（雙塔雙索面疊合梁斜拉橋）+8×40m（鋼-混組合梁），橋梁全長(zhǎng)1408.6m，如圖1所示。橋梁下部結(jié)構(gòu)主塔采用薄壁空心索塔，群樁基礎(chǔ)；輔助墩、過(guò)渡墩為空心薄壁墩，群樁基礎(chǔ)；引橋高墩為薄壁矩形墩，群樁基礎(chǔ)；矮墩為雙柱式圓墩，群樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)和輕型橋臺(tái)。對(duì)特大橋及周邊50m場(chǎng)景進(jìn)行三維的信息采集，基于所獲得的三維信息進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，諸如模型建造、監(jiān)測(cè)對(duì)比、輔助決策等。2技術(shù)方法2.1．?dāng)?shù)據(jù)分析與監(jiān)測(cè)大橋目前即將進(jìn)入合龍階段，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際施工進(jìn)度，制定了明確的應(yīng)用目標(biāo)：(1）利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)全橋進(jìn)行三維掃描，還原橋梁三維點(diǎn)云模型。(2）提取三維點(diǎn)云模型中梁底高程關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)梁底線型撓度是否處于偏差范圍之內(nèi)。(3）提取三維點(diǎn)云模型中斜拉索錨點(diǎn)高程與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)關(guān)鍵受力節(jié)點(diǎn)位置是否正確。(4）提取三維點(diǎn)云模型合龍段關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)距離數(shù)據(jù)，為后續(xù)合龍施工提供數(shù)據(jù)支撐。2.2調(diào)研結(jié)果需求根據(jù)既定的應(yīng)用目標(biāo)以及項(xiàng)目周邊實(shí)際調(diào)研結(jié)果，得到三維激光掃描的基本成果需求見(jiàn)表1。根據(jù)項(xiàng)目的基礎(chǔ)信息及特征，確定現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)施流程見(jiàn)圖2。2.3點(diǎn)云管理平臺(tái)項(xiàng)目采用精度最高的三維激光掃描系統(tǒng)，掃描儀信號(hào)為型號(hào)ScanStationP40，此外還搭配有配套徠卡高精度全站儀TS06全站儀、三腳架、標(biāo)靶套件、供電系統(tǒng)、第三方點(diǎn)云處理軟件Cyclone，第三方建模軟件AutodeskCAD、Revit/等。掃描儀，掃描距離270m，長(zhǎng)距離掃描節(jié)省了測(cè)繪工作的時(shí)間；掃描視場(chǎng)角360°（水平視場(chǎng)）×270°（豎直視場(chǎng)），可采集完整的空間數(shù)據(jù)信息；掃描速度100萬(wàn)點(diǎn)/秒，高速的采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息，節(jié)省時(shí)間成本；噪音精度0.4mm@10m,10m處0.4mm的點(diǎn)云噪音精度，高精度的數(shù)據(jù)信息保障工程質(zhì)量；補(bǔ)償精度1.5″，補(bǔ)償范圍5′，可實(shí)時(shí)補(bǔ)償儀器輕微震動(dòng)帶來(lái)的精度偏差；架站方式方便，可直接聯(lián)合現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)，為現(xiàn)場(chǎng)施工安裝提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；掃描密度自定義，最高可達(dá)到0.8mm@10m的分辨率，現(xiàn)場(chǎng)的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)都可采集；256G的內(nèi)置硬盤，數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在掃描設(shè)備內(nèi)，滿足大容量的項(xiàng)目數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。Cyclone點(diǎn)云編輯建模平臺(tái)作為業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的三維點(diǎn)云處理平臺(tái)，海量點(diǎn)云管理，可滿足對(duì)十億級(jí)點(diǎn)云管理的需求，軟件處理流暢自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，并生成拼接報(bào)告，拼接可靠，精度有保障點(diǎn)云自動(dòng)建模；可獲取體積、面積、長(zhǎng)度等各種尺寸信息，滿足各種量取需求；及時(shí)便捷的網(wǎng)絡(luò)共享方式，IE瀏覽，可添加鏈接，用于數(shù)據(jù)管理。在行業(yè)中的應(yīng)用范圍及其廣泛。涉及智慧城市建筑、考古、林業(yè)、自然勘察、水利、警務(wù)法務(wù)等諸多行業(yè)。2.4工監(jiān)控量的測(cè)量在掃描之前需要進(jìn)行掃描規(guī)劃，根據(jù)所需掃描結(jié)構(gòu)物的面積大小和復(fù)雜程度，設(shè)置架站位置，現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控量一般采用相對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行控制，如果需要掃描物體的絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行BIM應(yīng)用，還需要利用全站儀或GNSS接收機(jī)等測(cè)量設(shè)備，在現(xiàn)場(chǎng)采集相應(yīng)控制點(diǎn)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況布設(shè)了WJ1、WJ2、WJ3,EJ1、EJ2、EJ3、EJ4、EJ5共8個(gè)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖3、圖4。2.5掃描精度分析由于工期連續(xù)，無(wú)法停工進(jìn)行三維掃描，為避免施工擾動(dòng)掃描精度，掃描時(shí)間均為現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有大型施工的過(guò)程中進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)掃描人員采用三維激光掃描儀分別在橋面、橋底等四個(gè)方向按照規(guī)劃測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作，以獲得全橋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。3數(shù)據(jù)應(yīng)用3.1逆向建模處理根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)三維掃描結(jié)果，通過(guò)建模軟件進(jìn)行逆向建模的方式，最終處理成能正確反映當(dāng)前施工階段空間信息的三維點(diǎn)云重建模型。模型與現(xiàn)場(chǎng)一致，主要分為153.2點(diǎn)云建模建立由于項(xiàng)目斜拉橋處于即將合龍階段，尚在施工過(guò)程中，橋面機(jī)械、材料、人員較多不利于控制點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量。通過(guò)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)云建模得到當(dāng)前階段橋梁點(diǎn)云模型。在數(shù)據(jù)對(duì)比過(guò)程中對(duì)于橋梁線性偏差采用了設(shè)計(jì)梁底控制高程與三維激光掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。3.2.114.通過(guò)三維對(duì)比分析軟件，可以得到143.2.2云測(cè)量得到的偏差由圖6～圖8可以看出靠近跨中合龍?zhí)?，三維點(diǎn)云測(cè)量得到的偏差最大。分析原因是由于在合龍施工預(yù)壓加載之前，測(cè)點(diǎn)位于懸臂端附近，位移最大，偏差值也因此受到的影響最明顯。在143.3斜軸連接點(diǎn)位置偏移分析通過(guò)三維對(duì)比分析軟件進(jìn)行了斜拉索錨點(diǎn)高程偏差分析，提取了153.4測(cè)量距離對(duì)比在測(cè)量過(guò)程中選取了橋梁鋼梁合龍面邊緣4角點(diǎn)作為合龍控制點(diǎn)，通過(guò)三維軟件可以快測(cè)量點(diǎn)云重建模型得到連接控制點(diǎn)平面距離，見(jiàn)圖11。同時(shí)使用全站儀測(cè)量實(shí)際對(duì)應(yīng)位置的坐標(biāo)，換算為平面距離多次測(cè)量取平均值，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種方法測(cè)量得到的距離差均小于2mm，符合CH/Z3017-2015《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》中對(duì)儀器精度所規(guī)定的要求。通過(guò)項(xiàng)目三維激光掃描的測(cè)量應(yīng)用，為合龍段施工、斜拉橋體系轉(zhuǎn)換參數(shù)調(diào)整提供了有力支撐，為最終全橋順利合龍?zhí)峁┝藬?shù)據(jù)層面的可靠保障，實(shí)現(xiàn)了大型斜拉橋精細(xì)化、數(shù)字化施工的應(yīng)用嘗試。4梁底控制點(diǎn)檢測(cè)與測(cè)量對(duì)比大型斜拉橋施工項(xiàng)目引進(jìn)三維激光掃描技術(shù)，由于三維掃描測(cè)點(diǎn)分部廣泛，覆蓋面極廣，點(diǎn)數(shù)多，比人工測(cè)量省時(shí)省力。在使用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目測(cè)量實(shí)踐的過(guò)程中得到了以下結(jié)論：(1）通過(guò)點(diǎn)云建模的方式對(duì)梁底控制點(diǎn)、拉索錨點(diǎn)等進(jìn)行了測(cè)量與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，偏差結(jié)果均在合理范圍內(nèi)，證實(shí)了三維激光掃描技術(shù)在大型斜拉橋施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量可行性。(2）通過(guò)三維點(diǎn)云模型測(cè)出關(guān)鍵控制點(diǎn)的距離，為后續(xù)合龍段施工提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，有效提升了施工精度。同時(shí)，