三维激光扫描曲面结构点云安装复核技术在异形混凝土结构施工中的应用

刘欢佳，袁 俭，钟易达

（中国建筑第八工程局有限公司华北公司，天津 300450）

0 引言

在建筑工程测量中，异形曲面测量是一项极为重要的工作，传统测量方式主要是利用全站仪进行点位测量，采用对曲面多点测量模式进行计算，对于双曲异形大面积结构表面测量工作效率较低。国内外对双曲异形的测量方法进行大量技术研究，这些数据分析方法虽然在大面积测量中有效提高了工作效率和测量精度，但在数据分析过程及结果等方面仍存在一定缺陷，主要包括多站点获取的点云数据有重叠部分，拼接精度还有待提高，设备工作受场地限制，后期数据处理工作量较大，对数据处理人员专业要求较高等。

1 工程概况

伪满皇宫博物院地下文物库房及展示场馆建设项目建筑穹顶为大跨度双曲率造型，东西向跨度约16.90m，南北向跨度约18.00m，最大支设高度15.67m，设计做法为现浇饰面清水混凝土结构，目前国内鲜有。穹顶四周包含山墙、屋面斜板、挑檐等特殊结构构件，结构观感质量均需达到饰面清水混凝土效果，同时要保证“明缝”“禅缝”“孔眼”的相对位置关系，穹顶板厚300mm，采用全钢模板体系，数量共计3处，如图1所示。

图1 通长展厅饰面清水混凝土设计

2 关键施工技术与创新

采用传统测量方法对异形曲面进行测量难度较大，若要满足测量精度，则工作量较大，计算精度与测量密度、质量、方格网大小有关。而三维激光扫描技术无需测量人员到目标作业面上，在远处扫描点位处即可完成目标面的测量工作，可避免危险施工区域作业，且对施工生产不产生影响。主要工作集中在数据处理阶段，无需在施工现场进行；获取的点云数据拼接后能得到完整的表面点云数据，密度高，且带有空间坐标及颜色信息。该方法可改变传统工作方式，现场测量安全方便，操作简易，减轻测量人员工作时间及压力，提高效率，节约成本。

三维激光扫描技术直接获得点云数据，与BIM模型进行3D对比分析，快速计算曲面偏差，对不符合施工标准的位置进行标注，反馈给现场进行整改，对提高施工精度及质量具有重要作用。

3 施工要点

3.1 测量数据获取

清理异形模板表面，使三维激光扫描仪设备与模板之间无物体遮挡。选取扫描点位，使扫描范围覆盖模板目标区域。

伪满皇宫博物院展馆工程利用Faro三维激光扫描仪进行扫描作业，作业准备阶段先清理现场，保证模板表面干净无遮挡物体，并根据现场情况及扫描目标区域确定4处扫描点位，确保扫描能够覆盖目标区域（见图 2）。

图2 数据采集点位布置

1）根据设备所处环境进行扫描设备参数调整，本项目实施中，选取的4处扫描点位距离目标区域均在10m范围内，据此数据对三维激光扫描仪进行室外作业参数调整。

2）确定场地清理完毕后，对现场进行短暂封闭，防止工人通过扫描区域影响扫描结果，并在扫描过程中注意观察设备状态，防止设备受到振动。

3.2 测量数据处理

采用Faro的Scene软件对获取的扫描点云数据进行点云拼接处理（见图3），将多个测量站所获取的点云数据一起导入Scene软件中，先进行手动粗略位置调整，然后采用云际模式进行自动拼接，删除无用点云，生成一个完整的模板表面点云数据。

图3 点云数据拼接

3.3 精度分析

1）在Geomagic软件中将扫描点云数据设置为对照模型（Text）。

2）在Geomagic软件中将模板BIM模型设置为设计模型（Reference）。

3）将扫描点云数据与模板BIM模型进行位置拟合，先手动进行位置粗略调整到同一位置，然后利用软件功能进行自动拟合，如图4所示。

图4 点云数据与BIM模型位置拟合

4）进行3D对比分析，拟合后利用分析菜单里的3D分析功能，设置上下偏差点数值以及色谱栏中临界值和名义值，然后确认应用即可得到最后的分析结果。

5）采用三维激光扫描技术获取异形曲面点云数据，同时利用BIM模型进行比对，点云数据与BIM模型拟合后进行3D对比分析可得到分析结果。此次三维扫描使用Scene软件进行点云拼接，利用Geomagic软件进行对比分析，将点云数据设置为对照模型（Text），将BIM模型设置为设计模型（Reference）。

4 实施效果

本技术通过利用三维激光扫描仪进行异形模板三维扫描获取点云，对获取的点云数据进行处理并进行精度分析。本技术将传统单点测量模式推进至面式测量模式，实现自动获取模板表面的点云数据，在数据获取效率、数据采集、数据精度、数据作业安全性和自动化方面实现全面提升。结合BIM软件Geomagic中的3D对比分析功能，采用点云与模型拟合技术，计算点云偏差分析，获得模板安装精度，实现异形结构表面测量，在测量方便性和精确性及自动化方面有了全面的提升。

为保证整体分缝效果，穹顶钢模板拼装完成后，利用三维激光扫描仪进行三维扫描，将三维激光扫描仪架设在邻近楼板的平面位置上，使仪器扫描范围能够覆盖钢模板一侧，为保证数据采集准确，扫描过程中控制扫描区域内无人员流动；钢模板一侧扫描完成后将仪器架设至对称位置，对其余位置进行扫描，直至完成。将获取的点云与BIM模型进行3D对比分析，通过热图直观体现模板拼装精准度，能够达到毫米级偏差分析，确保模板精度可控（见图5）。

图5 结构整体三维激光扫描