摘 要： 采用智能全站仪、三维激光扫描、近景摄影测量、多源数据融合等大数据获取技术组成的智能测量技术, 可实现对大型、特大型钢结构工程安装的空间位置关系进行高精度检测与调整, 并对卸载后的钢结构进行安全监测。本文详细介绍了钢结构施工测量的各个环节智能测量技术的应用, 并提出了相应的技术指标。
关键词： 智能测量; 三维激光扫描; 钢结构; 多源数据融合;
Abstract： The intelligent measurement technology composed of intelligent total station, three-dimensional laser scanning, close range photogrammetry, multi source data fusion and other large data acquisition technology can be used to detect and adjust the spatial position relation of large and very large steel structure installation, and to monitor the steel structure after unloading. This paper introduces in detail the application of intelligent measurement technology in each link of steel structure construction measurement, and puts forward the corresponding technical indicators.
Keyword： intelligent measurement; 3D laser scanning; steel structure; multi-source data fusion;
钢结构对在施工安装过程中产生的几何偏差敏感性很强, 其测量的精度与效率直接关系到钢结构的施工质量和安全性能。随着特大型、异形、超高层等钢结构在国内外的蓬勃兴起, 钢结构测量工作内容日益复杂, 测量精度要求越来越高、技术难度越来越大, 且施工项目多为政府标志性工程, 测量工期要求紧、测量环境复杂恶劣等特点愈加明显, 采用传统的测量手段已经很难满足施工中对于高精度和高效率的需求[1,2,3,4]。
随着社会的发展和科技的进步, 工程测量行业在仪器设备、测量手段、数据传输与处理等方面, 涌现出一批更高效、更精准的信息化、智能化测量技术。如测量仪器由传统的光学经纬仪、水准仪、钢卷尺等, 发展到带自动马达的全站仪、卫星定位系统、三维激光扫描仪、数字摄影测量、无人机测量等, 同时数据传输手段也从传统的手簿记录、数据线传输, 发展到基于物联网的无线传输技术, 测量数据处理也由单一数据源处理发展到多源信息的融合处理[5,6,7,8,9,10]。
作为工程测量技术的重要组成部分, 钢结构测量技术也应该向高效智能化的智能测量技术方向发展, 从而提高钢结构建筑的施工精度、效率, 提升钢结构工程建设的整体质量。
1、 技术概述
钢结构智能测量技术是指在钢结构施工的不同阶段, 采用智能全站仪、三维激光扫描、近景摄影测量、多源数据融合等更高效精准的智能测量技术, 提高钢结构安装的精度、质量和施工效率, 解决传统钢结构测量方法难以解决的测量速度、精度、变形等技术难题, 实现对钢结构施工进度、质量、安全的有效控制。
2、 智能测量技术内容
钢结构智能测量技术主要包含了在高精度三维测量控制网布设、钢结构地面拼装、钢结构精准空中智能化快速定位、高精度钢结构姿态及变形检测等钢结构施工环节的智能测量技术应用。
2.1、 高精度三维测量控制网布设技术
高精度三维测量控制网由平面控制网和高程控制网同点布设形成, 在每一个测量控制点上融合三维坐标即形成三维测量控制网。高精度三维测量控制网布设技术是指采用卫星定位技术, 结合智能型全站仪 (如Leica公司的TCA系列/TS系列) 和高精度电子水准仪 (如天宝公司的DINI系列) , 按照现行测量规范, 建立多层级、高精度的三维测量控制网[11]。
2.2、 钢结构地面拼装智能测量技术
在三维测量控制网的基础上, 利用具有无线传输功能的自动化测量系统, 结合工业三坐标测量软件 (如MetroIn) , 实现空间复杂钢构件的实时、逐步、快速地面拼装定位。
2.3、 钢结构精准空中智能化快速定位技术
钢结构力学计算模型比较清晰、严谨, 对尺寸变化比较敏感。下料不精确, 会造成构件的变形;安装时不能就位, 影响承载效果。同时在高层建筑中, 房屋高, 体型大, 误差积累非常显着, 柱子或其他构件微小的偏移会造成上部很大的变位, 极大地改变结构的受力, 影响设计效果, 甚至产生工程质量事故。
从快速空间测量定位的角度, 采用带无线传输功能的测量机器人自动测量系统对空中钢结构安装进行实时跟踪定位, 即时分析其与设计偏差情况, 及时纠偏、校正, 实现钢结构快速精准安装, 解决钢结构空中拼装施工过程中因测量定位的精度不足引发的安装质量问题及钢结构施工过程中因高空传统测量作业困难导致的安装效率低下问题。具体测量模式如下: (1) 对空中散拼安装, 利用三维控制网成果, 使用智能型全站仪结合小棱镜、球形棱镜或反射片, 快速测量吊装单元特征点三维坐标, 通过实时比较与设计位置的偏差, 指导钢构件快速、准确就位; (2) 对滑移安装, 使用全站仪自动测量系统测量三维坐标法控制主要特征点的平面坐标按设计就位; (3) 对整体提升安装, 使用电子水准仪高程放样法或智能全站仪三角高程法实时测量主要特征点高程位置; (4) 对巨型钢构件, 使用GPS动态定位 (RTK) 技术, 通过在钢构件不同位置安装多台流动站接收机, 通过实时监视流动站的姿态实现对巨型钢构件的协助就位安装[12,13]。
2.4、 高精度钢结构姿态及变形检测技术
在钢结构建筑的施工过程中, 安装姿态检测及变形监测是其中的重要环节。快速正确评估钢架的拼接质量及全面系统地掌握钢结构的变形趋势是施工的重要工作, 对降低施工成本、保障施工快速安全地完成具有重要的意义。
由于整体钢结构是刚性构件, 若评估检测与变形监测不准确, 往往会引发工程事故, 造成工程的延期, 浪费人力与物力成本。然而钢结构建筑往往没有固定特征, 构件的数量非常多, 施工过程中的质量检测与变形监测非常复杂, 必须采用一种快速密集的检测方法保证施工过程的顺利进行。
传统的钢结构建筑物安装检测和变形监测手段主要通过全站仪观测部分钢结构特征部位, 结合机载对边测量程序, 通过检验给定两特征点的空间斜距、平距及高差等方式与设计模型数据对比, 从而检验钢件的焊接质量与变形信息。常用工具包括:Matlab编程、MetroIn三坐标软件坐标系转换、AutoCAD模型三维配准等。这种方法工作周期长、检测密度不足难以实现直观全面的检测, 无法满足钢结构建筑施工过程中的安装检测与健康监测的需求。
采用用三维激光扫描技术, 可以深入到钢结构复杂现场环境进行扫描操作, 并可以直接实现各种大型、复杂、不规则、非标准的实体三维数据的完整采集, 进而重构出实体的线、面、体、空间等各种三维数据。利用数据后处理软件进行构件面、线特征拟合后提取特征点, 并按公共点转换三维配准算法, 获得各特征点给定坐标系下的三维坐标, 比较与设计三维坐标的偏差值来进行成品检验。同时, 激光扫描数据可对构件的特征线、特征面进行分析比较, 可更全面反映构件拼装质量。
采用数字近景摄影测量技术, 通过即时获取某一瞬间被摄物的数字影像, 经过解算获得所有被摄点的瞬时位置, 具有信息量大、速度快、即时性强等特点, 因此广泛应用于建筑物的变形监测、大型工业设备变形检测、钢结构的性能检测等领域。针对大尺寸钢结构工业三坐标测量, 数字近景工业摄影测量的关键技术如下:
(1) 高质量“准二值影像”的获取;
(2) 标志中心高精度定位算法;
(3) 数字相机的标定与自标定;
(4) 基于编码标志和自动匹配技术的自动化测量技术;
(5) 测量网形的优化与设计。
采用高精度钢结构姿态及变形检测技术所取得的点云数据, 还可以与钢结构BIM模型相结合, 与设计数据进行对比分析, 保障现场施工质量达到优质标准[14]。
2.5、 基于物联网和无线传输的变形监测技术
钢结构安装过程中对天气、温度等条件敏感, 钢材热胀冷缩, 尺寸变化较大, 温度过高或过低都会对安装精度产生影响。钢结构分段拼装施工过程中将不同部位的温度、湿度、应力应变等信息及时汇总、分析、计算, 将有力确保钢结构施工的精准性和安全性。将钢结构施工现场的温度计、湿度计、应力应变计等众多传感器通过无线传输的方式集成到计算机中, 克服传统传感器需要传输线而不适合施工现场条件的弊端。
通过建立自动化监测系统, 使用智能全站仪, 结合自动监测软件, 以及配套持续供电装置及无线数据传输技术, 利用已建立的高精度三维控制网, 通过全站仪自动后方交会测量在钢结构构件上预先焊接连接杆安插棱镜或直接粘贴反射片作为变形特征点, 并与设计数据进行对比, 实现钢结构无人值守的自动化、连续监测技术自动、实时处理和自动报警。
通过在钢结构屋盖上方安装多台GPS接收机, 实现钢结构变形长期、自动监测, 通过三维激光扫描、数字近景摄影测量也可以获取对钢结构的自动变形监测数据[15]。
最终将集成后的传感器测量数据、测量机器人系统数据、三维激光扫描数据等众多信息在施工监控系统中融合、分析、演算, 最终确保钢结构的状态符合设计要求。
3、 主要技术指标
3.1、 高精度三维控制网技术指标
建立的高精度三维控制网相邻点平面相对点位中误差不超过3 mm, 高程上相对高差中误差不超过2 mm;单点平面点位中误差不超过5 mm, 高程中误差不超过2 mm。
3.2、 钢结构拼装空间定位技术指标
拼装完成的单体构件即吊装单元, 主控轴线长度偏差不超过±3 mm, 各特征点监测值与设计值偏差 (X、Y、Z坐标) 不超过10 mm。具有球结点的钢构件, 检测球心坐标值与设计值偏差 (X、Y、Z坐标均) 不超过3 mm。构件就位后各端口坐标 (X、Y、Z) 偏差均不超过10 mm, 且接口 (共面、共线) 错台不超过2 mm。
3.3、 钢结构变形监测技术指标
三维坐标观测精度应达到允许变形值的1/20～1/10。
4、 适用范围
上述一系列钢结构智能测量技术是基于大数据快速获取的智能测量技术, 适用于大型复杂或特殊复杂、超高层、大跨径等钢结构施工过程的施工测量及变形观测等。
5、 结语
智能测量技术对整体钢结构态进行实时或准实时的精确检测和完整记录, 形成了对整体工程实施动态与静态变形监测的自动化技术和方法, 贯穿于钢结构施工的全过程, 能够确保钢结构施工测量的高精度和高效率, 保障施工安全和质量, 节省人力, 推进施工生产过程的技术进步。
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