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引言

與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，裝配式混凝土建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于采取工廠預制，其對現(xiàn)場的安裝精度要求非常高，通常達到毫米級。當制作或施工達不到相關(guān)精度要求時，往往會導致建筑外觀無法滿足美觀要求，嚴重者甚至會影響建筑質(zhì)量安全。此外，由于預制構(gòu)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(jié)構(gòu)安裝精度滿足設(shè)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筑發(fā)展的瓶頸之一，急需一種精確、快速地實現(xiàn)預制構(gòu)件定位的方法或工藝來提高裝配式混凝土建筑的施工安裝效率，從而使得這種綠色建筑得以發(fā)揮其最大優(yōu)勢。

三維激光掃描技術(shù)（3D Laser Scanning Technology）是一種先進的全自動高精度點云立體掃描技術(shù)，是繼GPS之后的又一項測繪新技術(shù)，已成為空間數(shù)據(jù)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，然后由獲得的測量數(shù)據(jù)構(gòu)造出目標物的三維模型。三維激光掃描技術(shù)近年來在建筑領(lǐng)域中得到一些應用，如三維激光掃描技術(shù)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墻面的平整度，廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院利用三維激光掃描儀測量建筑物立面，北京市測繪設(shè)計研宄院利用三維激光掃描儀對不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)樣板段進行檢測等。

目前在預制構(gòu)件生產(chǎn)及施工現(xiàn)場吊裝中使用三維激光掃描技術(shù)的還很少，主要原因在于新技術(shù)的使用尚處于研宄探索階段，其次是針對具體的作業(yè)領(lǐng)域缺乏完整的解決方案。本文提出了一種基于三維激光掃描的裝配式建筑構(gòu)件高精度定位及數(shù)據(jù)修正技術(shù)，介紹了三維激光掃描技術(shù)在預制構(gòu)件施工現(xiàn)場吊裝中的作業(yè)流程、數(shù)據(jù)處理方法及數(shù)據(jù)分析方法，以及該新技術(shù)在裝配式建筑中應用的優(yōu)勢。

工作流程

三維激光掃描技術(shù)在預制裝配式建筑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：對裝配式預制構(gòu)件進行三維掃描。裝配式混凝土建筑中的預制構(gòu)件通常包括墻、（疊合）樓板、（疊合）梁、柱、樓梯、（疊合）陽臺板、空調(diào)板、女兒墻等。掃描的地點可以選擇在構(gòu)件的生產(chǎn)工廠、倉庫或現(xiàn)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：建立預制構(gòu)件的三維模型。根據(jù)步驟1獲取的預制構(gòu)件的三維掃描數(shù)據(jù)，建立三維模型，用專業(yè)軟件將三維模型轉(zhuǎn)換成ＢＩＭ模型數(shù)據(jù)，與設(shè)計的ＣＡＤ模型進行比對，尋找預制構(gòu)件與設(shè)計模型的不同點，檢測預制工廠生產(chǎn)的預制構(gòu)件是否滿足設(shè)計要求，如預制構(gòu)件尺寸，預留鋼筋的規(guī)格、數(shù)量、位置，灌漿套筒的規(guī)格、數(shù)量、位置，預埋件、吊環(huán)的規(guī)格、數(shù)量、位置等是否滿足設(shè)計要求。

步驟3：對裝配式建筑的施工現(xiàn)場進行三維掃描。本步驟的掃描目標物一般是指建筑的樓層平面，即預制墻、預制柱、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(xiàn)場的三維模型。根據(jù)步驟3獲取的三維掃描數(shù)據(jù)，建立三維模型，用專業(yè)軟件將三維模型轉(zhuǎn)換成ＢＩＭ模型數(shù)據(jù)，與步驟2中預制構(gòu)件的ＢＩＭ模型進行模擬拼裝，從而可以在預制構(gòu)件現(xiàn)場吊裝拼裝前及時發(fā)現(xiàn)預制構(gòu)件、主筋、箍筋、拉結(jié)筋、Ｋ支架等是否存在不合理碰撞，可以及時進行調(diào)整。

步驟5：對施工塔吊、起吊處構(gòu)件進行三維掃描。本步驟掃描的點云數(shù)據(jù)需要與步驟3的數(shù)據(jù)進行空間拼接。通過拼接建立起點云數(shù)據(jù)之間的空間關(guān)系，可以計算塔吊的基本運行參數(shù)。

步驟6：基于掃描數(shù)據(jù)，對起吊處預制構(gòu)件、工地現(xiàn)場和塔吊進行三維建模，分析三者之間的空間位置關(guān)系。本步驟中三維建模的目的是為了計算出起吊處預制構(gòu)件、工地現(xiàn)場和塔吊中關(guān)鍵點的空間位置關(guān)系，即預制構(gòu)件的吊點和定位點，工地現(xiàn)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(zhuǎn)軸線。

步驟7：計算吊裝每個預制構(gòu)件所對應的塔吊運行參數(shù)（如圖1所示懸臂轉(zhuǎn)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(shù)（懸臂轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)定現(xiàn)場某一點為懸臂轉(zhuǎn)角的起點、設(shè)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。基于這些參考值，通過三維建模軟件可以給出每個構(gòu)件的塔吊運行的具體參數(shù)。

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

步驟9：吊裝過程中對塔吊運行參數(shù)進行修正。預制構(gòu)件吊裝過程中，由于部分構(gòu)件自重較大，塔吊產(chǎn)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(shù)與理論值產(chǎn)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(shù)時時進行修正，實現(xiàn)預制構(gòu)件的髙精度安裝。

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

三維掃描的實施

在預制構(gòu)件加工廠對預制構(gòu)件進行三維激光掃描，由于預制構(gòu)件數(shù)量較多，故同種規(guī)格的構(gòu)件掃描一個或幾個。掃描預制構(gòu)件時應避免構(gòu)件被遮擋。

對施工現(xiàn)場進行三維掃描，全部掃描過程共設(shè)6個測站點，在對立面進行掃描時，儀器的分辨率設(shè)置為，50m處的掃描分辨率為20mm，按照測站距離目標最遠30m計算，采樣間隔小于對樓層平面進行掃描，內(nèi)部掃描距離較近，可設(shè)置為50m處的掃描分辨率為10mm，按照測站距離目標約為10m計算，樓面采樣間隔達到2mm。

在測站點設(shè)置完成后，需要在各個位置方向放置同名點，即粘貼反射物。

采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，可以采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(fā)射體個數(shù)不少于3個，在條件允許的情況下可以盡可能多的設(shè)置反射體，這將減小數(shù)據(jù)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(shè)備

根據(jù)掃描儀的0＞地址，配置筆記本電腦的無線網(wǎng)絡(luò)。之前需要應用三維激光掃描儀附帶的軟件創(chuàng)建一個ｐｒｏｊｅｃｔ。

3、掃描儀參數(shù)設(shè)置

對掃描儀的參數(shù)進行設(shè)置，包括設(shè)定掃描目標的采樣間距，需要綜合考慮掃描的采樣密度、掃描時間，最終確定采樣點間距。還包括掃描次數(shù)、水平起始和停止角度、垂直角度、分辨率、顯示方式等等。

4、數(shù)據(jù)采集

在第一個測站進行粗掃，如果結(jié)果顯示符合要求，再設(shè)置高精度分辨率進行精掃。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(shù)據(jù)。掃描過程中需要注意捕捉反射體。

對施工塔吊、起吊處的預制構(gòu)件按照同樣的方法進行三維掃描，由于每一個構(gòu)件的起吊位置都不同，所以需對起吊處的所有構(gòu)件進行掃描。

如圖3所示，在生產(chǎn)工廠預制構(gòu)件堆放處對預制構(gòu)件進行三維激光掃描，圖4為在施工現(xiàn)場進行三維掃描，圖5為采集的三維點云數(shù)據(jù)。

外業(yè)采集過程中由于掃描儀以及其他各方面的因素，噪聲點的存在是不可避免的。而噪聲點對三維模型的建立有很大的影響。在進行點云數(shù)據(jù)處理之前要降低或消除噪聲，和目標無關(guān)的部分可視為噪聲一并除去。

要得到完整的三維模型，還須將各個站點掃描的三維數(shù)據(jù)配準到統(tǒng)一的坐標系中。