近年来随着科技的飞速发展,工程测量技术也在不断创新,由原来的经纬仪、全站仪到 GPS 再到现在的三维激光扫描技术,都为建筑行业的跨越式发展做出了重要贡献。其中三维激光扫描技术在工程中的应用解决了之前因技术或设备落后导致的测量效率低、施工偏差大等问题。

昆山足球场项目采用的屋顶钢桁架和索膜结构,造型复杂、跨度大、拼装难度大、加工精度高、施工工艺复杂,面临着一系列施工难题。为了解决项目施工难题,分别对足球场施工过程中的钢结构现场拼装精度控制、吊装精确定位控制、钢桁架变形控制、K 型混凝土柱成型质量控制、膜结构形态控制等难点进行了充分的研究,利用三维激光扫描技术的优势解决以下难点: 1) 在钢结构现场拼装过程中,因构件较大,需采用支撑胎架进行现场拼装,为控制其拼装精度,采用三维激光扫描仪对现场所有拼装构件进行扫描,扫描出来的点云数据,通过软件分析与 BIM模型进行重叠并做对比分析,对于产生的拼装偏差及时进行整改,确保结构整体精度满足要求。考虑到屋顶钢桁架受荷载影响,其端部下挠,需对其进行预起拱安装,再进行分级卸载,利用三维激光扫描技术及时对各阶段的屋面钢桁架形态进行监测,通过对比仿真模拟数据,把控过程施工状态,确保结构安全。2) K 型柱混凝土结构构件复杂,高度达 43.9 m,内有 C 型钢骨柱,其倾斜角为 55.57°,为保证 K 型柱三维空间定位的精准度,需采用三维激光扫描技术对其进行三维扫描,并与 BIM 模型数据进行对比分析,对所产生的结构偏差及时整改。3) 本项目膜单元跨度大,安装张拉完成后由于膜材自重会产生下挠问题,中间部位会出现相对平缓区域,对膜整体形态造成影响,甚至会出现积水的现象。对于此问题,在三维模型中模拟设定最高点坐标,对膜材张拉应力进行控制,以保证达到张拉应力的设计值。现场实施时通过三维激光扫描技术对每块单元膜进行三维扫描,对所采集出来的点云数据进行模型分析,确保点位控制在允许范围内,保证了安装精度。

复杂的钢屋面桁架吊装,具有结构造型拼装焊接复杂、钢桁架加工精度要求高、现场空中异型钢结构施工难度大的特点,且由于膜单元跨度较大,安装张拉完成后由于膜材自重下挠,中间部位出现相对平缓的区域,对膜整体形态造成影响,甚至出现积水的现象,故要求空间坐标数量多,分布广,准确度高。为提高结构复杂、环境复杂工程的现场工程质量管控的工作精度与效率,测量工作不仅是建筑施工重要的前期基础,也是保证质量、完成设计的重要环节。结合昆山足球场工程屋盖钢结构和索膜结构、异形 K 型柱施工中的测量经验,对复杂钢屋面桁架吊装和大跨度膜单元安装张拉、异形柱的测量方法以及三维激光扫描技术在工程中的应用进行总结,以供相关工程参考。

1.1 项目背景

昆山足球场项目位于苏州昆山经济技术开发区东城大道东侧、景王路北侧。项目所在地水系富饶,现有水系贯穿整个场地。本项目建设包含一座专业足球场(45000 座),独立地下停车库(27000 m ² ),以及室外训练场地等设施。项目建成后将作为竞技、健身、商业、娱乐为一体的多功能、生态型体育中心,更是 2023 年亚洲杯足球锦标赛的主办赛场之一,作为华东地区第三个专业足球场,建设意义重大,将成为昆山市新地标。项目用地面积约 300 亩,总建筑面积 134900 m ² ,地上建筑 104950 m ² ,足球场建筑共地上五层,建筑高度 45.300 m;主体建筑由外围的 K 型劲性柱和底部混凝土框架结构+预制看台板组成,顶部为 36 榀钢屋盖三弦桁架,1/4 中心对称,建筑高度 49.500 m;屋面围护体系为 36 榀钢屋盖三弦桁架上弦箱型梁之间的索+PTFE 膜材; 钢屋盖三弦桁架腹杆两侧由 PTFE 网格膜材包裹作为吊顶;立面围护体系为 K 型劲性柱之间的索+PTFE 膜材,凸显出中国特色的江南文化“折扇”造型,如图 1 所示。

图 1 专业足球场效果

1.2 重、难点分析

1) 屋盖钢结构共计 36 榀主桁架,根据构件不同位置和不同形式,每榀桁架主要分为 11 种类型构件,由工厂加工完成发至现场进行拼装。结构造型拼装复杂,大悬挑变截面径向三弦桁架加工精度、整体安装要求高,现场空中异型钢结构桁架施工难度大,需大量空间坐标定位,钢结构安装过程中变形大,卸载工艺复杂。同时钢结构安装产生的偏差值会影响下一阶段的钢结构、圆弧幕墙、膜结构材料生产加工,因此钢结构安装是本工程施工的重中之重。 

2) K 型柱混凝土结构构件复杂,高度为 0.0 ~43.9 m,内有最大 C 型钢骨 H (1600 ~ 900)×300,倾斜角为 55.57°。如何保证屋面钢桁架吊装完成后 K型柱在荷载作用下所产生的偏差处于设计值的允许范围之内,是本工程施工过程中的重、难点之一。

3) 本工程索膜结构呈折扇外观,凸显出中华文化中的传承与启发,让人们感受到苏州这座城市深厚的文化底蕴,因此对成型效果要求极高。屋面用PTFE 的膜材,立面用 PTFE 的网格膜,膜面应力对施工偏差敏感,应力控制难度大,立面膜张拉至设计形态的难度大。由于本工程膜单元跨度较大,安装张拉完成后由于膜材自重下挠,中间部位出现相对平缓的区域,对膜整体形态造成影响。为了良好的成型效果,如何保证索膜安装张拉后,各个位置都与设计位置相符,是对现场工程施工质量管控的严峻挑战。

2.1 控制测量体系

为保证屋面钢结构桁架施工精度高和膜结构成型效果良好,依据从整体到局部,先控制后碎步的测量原则,本工程将平面控制网的测试分为三级:一级控制网为总控制网,二级控制网为足球场主体一层控制网,三级控制网为轴线控制网。

其中一级控制网中的基准点是测绘院所提供的控制点,利用实时动态载波相位差分技术(RTK)进行 GPS 静态测量布网;二级控制网采用闭合导线的方式测试,从一级控制网的基准点开始,使用全站仪进行导线测量,平差后计算结果,要求符合国家二级导线控制网的精度要求;三级控制网对轴线控制点的测量一般从极坐标法和直角坐标法中视现场施工情况选择测试轴线控制点。

2.2 二级导线控制网布施方案

二级导线控制网中的控制点准确度将影响到三维激光扫描的精度,因此对二级导线控制网的布施方案展开叙述。

将一级导线控制网基准点视为已知点,对二级导线控制网进行闭合导线测量,精度要求应符合国家二级导线测量的标准。现场二级控制网平面如图2 所示。

使用全站仪根据基准点完成坐标定向后,采用测回法进行角度测量和距离测量,对在场地中事先埋设好的测量控制点依次完成方向角和距离的测量,完成闭合导线测量。在外业数据采集完成后,再进行内业坐标正算和平差计算。

图 2 二级控制网平面布置

3.1 三维激光扫描技术背景及原理

本项目采用的是 TrimbleT×8 三维激光扫描技术。三维激光扫描技术是兴起于 20 世纪 90 年代中期的新型技术,与传统测量技术耗时长、消耗的人力物力大、测量速度慢,只能获得点线的测量数据等不同,三维激光扫描技术具有测量速度快、效率高,可获得目标物大面积三维坐标数据的优点。该技术参数如表 1 所示。

表 1 技术参数

三维激光扫描技术所涉及的主要原理是利用激光进行测距,由发射器发出激光,再将反射回来的激光信号用接收器接收,并根据接收到数据信息的时间、强度不同匹配相应的灰度,经过计算后快速获取目标物表面大面积和高密度的三维坐标、反射率和纹理等信息,目标物的采样点(离散点)集合,称之为“距离影像”或“点云”。其三维激光扫描测量步骤如下:站点布置→架设仪器→建筑物扫描→点云数据处理→成型数据对比分析→得出结论并保存数据。

3.2 三维激光扫描控制点布置

由于本工程的三维激光扫描目标物结构复杂,跨度较广,无法在一个站点就完成对目标物整体的三维扫描,必须在不同方向和不同位置架设仪器多次扫描采集点云数据,将多次扫描所得的点云数据拼接后再进行后期降噪、数据精简、分析处理,得到最终目标物的模型。结合本项目现场施工情况的实地勘察,现场扫描站点布置平面如图 3 及表 2。

图 3 三维激光扫描标靶控制点

表 2 三维激光扫描控制点记录

± 0.000 = 4.000 表示场地 ± 0.000 标高相对于绝对标高4.000 m。

3.3 三维激光扫描的实施

为了确保三维激光扫描所得到的数据准确,需要将三维激光扫描所得点云模型、Tekla 模型以及施工项目 BIM 模型统一在同一坐标系下。因此本工程采用了将二级控制网的基准点设为工作基准点,并作为点云模型和 Tekla 模型坐标系建立的依据,通过全站仪测量标靶点的坐标及高程值,再用三维激光扫描仪扫描标靶位置以统一坐标系做对比分析。现场测量标靶点如图 4 所示。

图 4 测量标靶点

由于本工程扫描体量大、结构复杂、精度要求高,为确保扫描结果精确可靠,提前设置了 22 个扫描专用标靶点(图 3),且标靶点与二级控制网基准点位置通视。操作流程如下: 

1) 本工程选用的扫描设备是 TrimbleT×8 激光扫描仪。T×8 可以在不损失测程和精度的前提下,以 360°×317° 的视场高速扫描获得高密度的点云数据。

2) 首先将仪器架设在可以扫描到标靶纸的位置上调平后进行初次扫描,扫描前需要设置扫描视景范围和扫描精度。扫描过程中,尽量避免扫描区域内有人员走动,造成目标物被遮挡。

3) 初次扫描完成后,三维扫描仪会将数据进行编号定位,将标靶点作为本次扫描的定位点之一。接着将三维激光扫描仪架设至第 1 次架设位置附近进行第 2 次扫描,且要求第 2 次扫描区域与第 1 次扫描区域有部分目标物重合,以此将重合部分作为第 1 次扫描数据和第 2 次扫描数据的拼接点,依此类推。

4) 本次扫描作业即将结束时,要将仪器架设在最近的标靶点附近,对标靶点进行扫描,并且保证要与上一次扫描范围内有目标物部分重合。扫描完成后将最后一次扫描的标靶点作为本次扫描的定位点之一,要求单次扫描作业中至少要扫描 3 个以上的测量标靶点,以保证扫描结果的准确性。

3.4 点云数据处理与分析

在三维激光扫描测量的过程中,因为存在一些不可避免的因素影响点云数据结果的准确性,需对其点云测量数据进行处理分析。

1) 点云数据拼接处理:在三维激光扫描测量过程中,受现场环境影响,需将扫描的测站点云拼接成一个整体的项目点云。

2) 点云噪声点删除:扫描过程中因不可避免的因素影响,需将分析构件外的点云删除,筛选出有效的点云。

3) 点云数据精简:由于三维激光扫描数据点云十分密集,数量巨大,在不影响测量精度的情况下,需对其点云进行精简过滤,均匀导出。

4) 点云跟设计模型对齐:通过现场坐标匹配,将两模型对齐到统一中心位置,再做模型偏差分析。

5) 制作分析报告:通过观察偏差分析色谱图,找出误差超限位置,制作分析报告,如图 5 所示。

a—14 轴钢结构构件 3D 比较; b—3D 构件左侧取样分析。

图 5 屋面桁架拼装模型分析

1) 钢屋面结构造型拼装复杂,钢桁架加工精度要求高,在加工焊接拼装过程中三维激光扫描仪需及时采集现场拼装数据将其反馈到 Tekla 模型中,与设计模型进行数据并对比分析,从而及时进行构件纠偏,以便调整误差和指导下一阶段的钢结构、圆弧 幕墙、膜结构材料的生产加工,如图 6、7所示。

图 6 设计 BIM 三维模型

图 7 现场三维激光扫描模型

2) K 型柱混凝土结构构件复杂,基于三维激光扫描技术,对现场成形实体的点云数据进行采集,并与设计 BIM 模型数据之间进行“虚实匹配”,可进行对所产生的结构偏差进行整改。屋面钢桁架吊装完成后所产生的荷载影响可以通过前后的三维扫描数据进行对比分析,及时进行纠偏并观察 K 型柱荷载状态下所产生的偏差,能够显著提升现场工程质量管控的工作精度与效率,为施工质量管控提供全新的技术手段。如图 8、9 所示。

图 8 K 型柱三维激光扫描

图 9 整体偏差扫描数据对比分析

3) 通过三维激光扫描数据对膜形态进行分析,确定出其最高点,与设计位置进行对比,将误差控制在允许范围内,避免出现积水的现象,如图 10 所示。

a—屋面膜构造; b—初始态膜面等高线; c—初始态膜面排水线。

图 10 屋面膜积水和排水分析图

三维激光扫描技术的应用及发展,克服了传统建筑测量的局限性,由接触式测量转变为非接触式测量,具有应用范围广、便于操作、主动性、高密度、全天候、非接触等优势,解决了传统测量技术的缺陷,提高了工作效率。但三维激光扫描亦有其局限性,即扫描距离、站点的架设、结构外的障碍物、水面都将影响其扫描结果,造成点云数据的稀疏。结合本工程的实际情况,争取以下解决措施:

1) 由于本工程占地面积大,建筑物造型分散广,而三维激光扫描技术受距离影响,距离越远其扫描的点云数据越稀疏,需在扫描物周边设置测量标靶点,提高其点云数据拼接的精度。

2) 三维激光扫描不具备穿透性,对扫描点的架设要求高,通常架设在扫描物之间,且尽可能地与扫描物多面通视,以增加扫描的区域范围,从而增加点云数据的采集,以便点云数据的拼接。

3) 三维激光扫描应尽可能避免结构外的障碍物,从而增加扫描的范围,扫描的区域越大其数据拼接的精度越高。对于不可避免的障碍物,需增加不同角度的扫描次数,加密点云数据。对于结构外的点云数据,需通过扫描分析软件进行删除,筛选有效的点云。

4) 三维激光扫描应避免雨天工作,避免有水区域的扫描,因为水反射激光不利于点云数据的采集,故宜晴天工作。

本工程通过利用三维激光扫描技术为大型足球场钢构屋面和异形结构柱、膜结构的测量施工提供了有利的技术保障, 解决了传统测量方式的局限性,有效降低了本工程测量工作的难度和作业量,使所得数据更加直观,极大提高测量效率和精准度,发挥良好的经济效益,为今后其他类似工程的施工提供了借鉴。

对于三维激光扫描技术在工程测量方面的计算和应用,我们将在已有研究成果的基础上,进一步开展信息的挖掘和研究,特别是对点云信息矢量化、模型化及其所得信息与其他软件平台的兼容性等应用领域,开展深入研究。