三維激光掃描技術在裝配式建築中的應用研究

最新 06-09

來源：裝配式建築產業研究院（PCResearch）

作者：徐曉柯

摘要

本文提出了基於三維激光掃描的裝配式建築構件高精度定位及數據修正技術。詳細介紹了三維激光掃描技術在裝配式建築中的應用，主要包括在裝配式建築中三維掃描的實施、三維點雲數據的拼接、預製構件及施工現場成果質量檢測、模擬現場拼裝、預製構件吊裝過程中的高精度定位及數據修正等，分析了這項新技術在裝配式建築中應用的優勢。

關鍵詞

三維激光掃描；裝配式建築；高精度定位

引言

與傳統的現澆結構相比，裝配式混凝土建築的結構構件由於採取工廠預製，其對現場的安裝精度要求非常高，通常達到毫米級。當製作或施工達不到相關精度要求時，往往會導致建築外觀無法滿足美觀要求，嚴重者甚至會影響建築質量安全。此外，由於預製構件往往體積、重量較大，其施工安裝依靠人力往往無法完成，通常會利用施工機械，而這些施工機械的安裝精度卻很難達到毫米級的要求。因此，為使結構安裝精度滿足設計要求，施工過程往往費事費力。高精度的施工安裝成了困擾裝配式建築發展的瓶頸之一，急需一種精確、快速地實現預製構件定位的方法或工藝來提高裝配式混凝土建築的施工安裝效率，從而使得這種綠色建築得以發揮其最大優勢。

三維激光掃描技術（3D Laser Scanning Technology）是一種先進的全自動高精度點雲立體掃描技術，是繼GPS之後的又一項測繪新技術，已成為空間數據獲取的重要手段。它是用三維激光掃描儀獲取目標物表面各點的空間坐標，然後由獲得的測量數據構造出目標物的三維模型。三維激光掃描技術近年來在建築領域中得到一些應用，如三維激光掃描技術在上海中心建造中的應用，同濟大學利用三維激光掃描儀檢測牆面的平整度，廣州市城市規劃勘測設計研究院利用三維激光掃描儀測量建築物立面，北京市測繪設計研宄院利用三維激光掃描儀對不規則鋼結構樣板段進行檢測等。

目前在預製構件生產及施工現場吊裝中使用三維激光掃描技術的還很少，主要原因在於新技術的使用尚處於研宄探索階段，其次是針對具體的作業領域缺乏完整的解決方案。本文提出了一種基於三維激光掃描的裝配式建築構件高精度定位及數據修正技術，介紹了三維激光掃描技術在預製構件施工現場吊裝中的作業流程、數據處理方法及數據分析方法，以及該新技術在裝配式建築中應用的優勢。

工作流程

三維激光掃描技術在預製裝配式建築中的應用主要包括如下步驟，工作流程圖如圖2所示。

步驟1：對裝配式預製構件進行三維掃描。裝配式混凝土建築中的預製構件通常包括牆、（疊合）樓板、（疊合）梁、柱、樓梯、（疊合）陽台板、空調板、女兒牆等。掃描的地點可以選擇在構件的生產工廠、倉庫或現場的堆放地，為避免相互干擾和提高工作效率一般選擇在倉庫進行掃描。

步驟2：建立預製構件的三維模型。根據步驟1獲取的預製構件的三維掃描數據，建立三維模型，用專業軟體將三維模型轉換成ＢＩＭ模型數據，與設計的ＣＡＤ模型進行比對，尋找預製構件與設計模型的不同點，檢測預製工廠生產的預製構件是否滿足設計要求，如預製構件尺寸，預留鋼筋的規格、數量、位置，灌漿套筒的規格、數量、位置，預埋件、吊環的規格、數量、位置等是否滿足設計要求。

步驟3：對裝配式建築的施工現場進行三維掃描。本步驟的掃描目標物一般是指建築的樓層平面，即預製牆、預製柱、疊合梁、疊合樓板等將要安放的平面位置。

步驟4：建立施工現場的三維模型。根據步驟3獲取的三維掃描數據，建立三維模型，用專業軟體將三維模型轉換成ＢＩＭ模型數據，與步驟2中預製構件的ＢＩＭ模型進行模擬拼裝，從而可以在預製構件現場吊裝拼裝前及時發現預製構件、主筋、箍筋、拉結筋、Ｋ支架等是否存在不合理碰撞，可以及時進行調整。

步驟5：對施工塔吊、起吊處構件進行三維掃描。本步驟掃描的點雲數據需要與步驟3的數據進行空間拼接。通過拼接建立起點雲數據之間的空間關係，可以計算塔吊的基本運行參數。

步驟6：基於掃描數據，對起吊處預製構件、工地現場和塔吊進行三維建模，分析三者之間的空間位置關係。本步驟中三維建模的目的是為了計算出起吊處預製構件、工地現場和塔吊中關鍵點的空間位置關係，即預製構件的吊點和定位點，工地現場的目標點以及塔吊的吊鉤點，行程小車吊點以及塔吊的旋轉軸線。

步驟7：計算吊裝每個預製構件所對應的塔吊運行參數（如圖1所示懸臂轉角0、小車行程Ｓ、吊索下放長度Ｌ）。本步驟中所涉及到的塔吊運行參數（懸臂轉角0、小車行程Ｓ、吊索下放長度Ｌ）均是相對量，即需要先確定一個參考值才能計算出懸臂轉角0、小車行程Ｓ、吊索下放長度Ｌ。參考值的確定也是方便的，例如可以設定現場某一點為懸臂轉角的起點、設定懸臂上某一具體位置為小車行程的零點和吊索上某一具體位置為下放長度的起點。基於這些參考值，通過三維建模軟體可以給出每個構件的塔吊運行的具體參數。

步驟8：將第7步驟中計算得到的塔吊運行參數製表，操作人員嚴格按該表操作塔吊，或通過數控編程驅動數字化塔吊的自動運行。

步驟9：吊裝過程中對塔吊運行參數進行修正。預製構件吊裝過程中，由於部分構件自重較大，塔吊產生變形；存在風等其它外在因素的影響，使得塔吊實際運行參數與理論值產生一定的偏差，需對其修正。在整個吊裝過程中，對塔吊吊點進行掃描，從而對塔吊運行參數時時進行修正，實現預製構件的髙精度安裝。

步驟10：構件吊裝完成後，在施工現場進行三維掃描，對完成吊裝的構件進行檢測（如外牆板垂直度檢測、外牆板軸線位置、外牆板兩板對接縫、相鄰樓板高低差檢測等）。

▲圖2 基於三維激光掃描的裝配式混凝土建築預製構件高精度定位及數據修正技術工作流程圖

三維掃描的實施

在預製構件加工廠對預製構件進行三維激光掃描，由於預製構件數量較多，故同種規格的構件掃描一個或幾個。掃描預製構件時應避免構件被遮擋。

對施工現場進行三維掃描，全部掃描過程共設6個測站點，在對立面進行掃描時，儀器的解析度設置為，50m處的掃描解析度為20mm，按照測站距離目標最遠30m計算，採樣間隔小於對樓層平面進行掃描，內部掃描距離較近，可設置為50m處的掃描解析度為10mm，按照測站距離目標約為10m計算，樓面採樣間隔達到2mm。

在測站點設置完成後，需要在各個位置方向放置同名點，即粘貼反射物。

採集過程大致分為以下四個步驟：

1、粘貼反射體

本次掃描中站點較少，可以採用公共反射體的方式進行拼接，要注意讓反射體分布均勻，它包括方向上的均勻和層次上的錯落。每個站點的有效發射體個數不少於3個，在條件允許的情況下可以儘可能多的設置反射體，這將減小數據拼接的誤差。本次掃描選擇貼在各個柱子上，同時保證高低錯落。

2、連接設備

根據掃描儀的0＞地址，配置筆記本電腦的無線網路。之前需要應用三維激光掃描儀附帶的軟體創建一個ｐｒｏｊｅｃｔ。

3、掃描儀參數設置

對掃描儀的參數進行設置，包括設定掃描目標的採樣間距，需要綜合考慮掃描的採樣密度、掃描時間，最終確定採樣點間距。還包括掃描次數、水平起始和停止角度、垂直角度、解析度、顯示方式等等。

4、數據採集

在第一個測站進行粗掃，如果結果顯示符合要求，再設置高精度解析度進行精掃。按照這樣的方法依次從站點1到站點6進行掃描，從而最終獲取立體三維數據。掃描過程中需要注意捕捉反射體。

對施工塔吊、起吊處的預製構件按照同樣的方法進行三維掃描，由於每一個構件的起吊位置都不同，所以需對起吊處的所有構件進行掃描。

如圖3所示，在生產工廠預製構件堆放處對預製構件進行三維激光掃描，圖4為在施工現場進行三維掃描，圖5為採集的三維點雲數據。

外業採集過程中由於掃描儀以及其他各方面的因素，雜訊點的存在是不可避免的。而雜訊點對三維模型的建立有很大的影響。在進行點雲數據處理之前要降低或消除雜訊，和目標無關的部分可視為雜訊一併除去。

要得到完整的三維模型，還須將各個站點掃描的三維數據配准到統一的坐標系中。通過同名點的設置來對不同坐標系下的三維數據進行拼接，需要保證同名點的個數不少於三個。拼接後的數據還可以進一步簡化和處理，輸出不同格式的數據。

模型建立的過程就是利用點雲數據進行計算，擬合的過程，比如一面牆的點雲，利用平面擬合演算法可以擬合出一面牆。如果是一個管道或圓柱體表面點雲，通過曲面擬合演算法生成管道或圓柱體。這個各個構件組合在一起就形成了整個模型。

圖6-8為經過點雲數據處理的預製構件、樓面、塔吊三維模型，經過三維模型拼接，形成如圖9所示的裝配式建築現場三維模型。

預製構件吊裝過程中的高精度定位及數據修正技術

對起吊處的預製構件進行三維激光掃描，將其三維點雲數據與施工現場以及塔吊的三維點雲數據進行空間拼接，通過拼接建立起點雲數據之間的空間關係，可以計算塔吊的基本運行參數。

基於上述掃描數據，對起吊處預製構件、工地現場和塔吊進行三維建模，分析三者之間的空間位置關係。三維建模的目的是為了計算出起吊處預製構件、工地現場和塔吊中關鍵點的空間位置關係，即預製構件的吊點和定位點，施工現場的目標點以及塔吊的吊鉤點，行程小車吊點以及塔吊的旋轉軸線。

根據起吊處預製構件、工地現場和塔吊中關鍵點的空間位置關係，通過相關軟體可以計算出吊裝每個預製構件所對應的塔吊運行參數（如圖1所示懸臂轉角0、小車行程Ｓ、吊索下放長度Ｌ）。塔吊運行參數是相對量，即需要先確定一個參考值才能計算出懸臂轉角0、小車行程Ｓ、吊索下放長度Ｌ。例如可以設定現場某一點為懸臂轉角的起點、設定懸臂上某一具體位置為小車行程的零點和吊索上某一具體位置為下放長度的起點。基於這些參考值，通過三維建模軟體可以得到每個預製構件的塔吊運行參數。將塔吊運行參數製表（如表1所示），塔吊操作人員按照該表中的參數操作塔吊，或通過數控編程驅動數字化塔吊的自動運行，數字化塔吊控制系統如圖10所示。

預製構件在吊裝過程中，在預製構件自重下構件和塔吊均會產生變形，同時預製構件和塔吊在風荷載作用下產生變形，使得塔吊實際運行參數與理論值產生一定的偏差，要實現構件高精度定位需對塔吊運行參數進行修正。在吊裝過程中，對塔吊吊點進行掃描，通過相關軟體計算分析對塔吊運行參數進行修正（懸臂轉角小車行程S＇、吊索下放長度L＇），從而實現預製構件的高精度定位。

為了可以控制塔吊將預製構件吊裝到指定的位置，根據前面建立的模型設計了一個可由參數化控制的吊裝程序，並輸出塔吊的控制數據（θ』（角度），d』（長度），s』（高度））。

利用三維軟體Rhino，其包括一個應用插件Grasshopper，插件Grasshopper中包括一個可供使用的應用程序Firefly。假設吊裝工具為由數個伺服電機控制的塔吊，其機械結構中的活動關節與所述虛擬模型的關節點和位移點對應。伺服電機受微控制單元控制，微控制單元接受到三維模型發送的變化的角度信息後，控制伺服電機對吊裝工具進行角度和位移控制，角度控制為塔吊控制其轉檯，位移控制為塔吊控制其吊鉤和小車。

具體過程如圖10所示，首先在Rhino中調用插件Grasshopper，再通過程序Firefly打開Grasshopper與微控制單元ARDUINO的連接，然後在Rhino中進行虛擬的吊裝操作，插件Grasshopper接收到Rhino發出的指令後通過程序Firefly將虛擬指令轉化成為微控制單元可以識別的代碼程序，然後發送給微控制單元的控制程序，最後通過無線將控制程序發送給微控制單元，由微控制單元對伺服電機進行控制。