摘要：采用智能全站儀、三維激光掃描、近景攝影測量、多源數(shù)據(jù)融合等大數(shù)據(jù)獲取技術(shù)組成的智能測量技術(shù), 可實(shí)現(xiàn)對(duì)大型、特大型鋼結(jié)構(gòu)工程安裝的空間位置關(guān)系進(jìn)行高精度檢測與調(diào)整, 并對(duì)卸載后的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全監(jiān)測。本文詳細(xì)介紹了鋼結(jié)構(gòu)施工測量的各個(gè)環(huán)節(jié)智能測量技術(shù)的應(yīng)用, 并提出了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：智能測量; 三維激光掃描; 鋼結(jié)構(gòu); 多源數(shù)據(jù)融合;
鋼結(jié)構(gòu)對(duì)在施工安裝過程中產(chǎn)生的幾何偏差敏感性很強(qiáng), 其測量的精度與效率直接關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和安全性能。隨著特大型、異形、超高層等鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的蓬勃興起, 鋼結(jié)構(gòu)測量工作內(nèi)容日益復(fù)雜, 測量精度要求越來越高、技術(shù)難度越來越大, 且施工項(xiàng)目多為政府標(biāo)志性工程, 測量工期要求緊、測量環(huán)境復(fù)雜惡劣等特點(diǎn)愈加明顯, 采用傳統(tǒng)的測量手段已經(jīng)很難滿足施工中對(duì)于高精度和高效率的需求[1,2,3,4]。
隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步, 工程測量行業(yè)在儀器設(shè)備、測量手段、數(shù)據(jù)傳輸與處理等方面, 涌現(xiàn)出一批更高效、更精準(zhǔn)的信息化、智能化測量技術(shù)。如測量儀器由傳統(tǒng)的光學(xué)經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、鋼卷尺等, 發(fā)展到帶自動(dòng)馬達(dá)的全站儀、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、三維激光掃描儀、數(shù)字?jǐn)z影測量、無人機(jī)測量等, 同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸手段也從傳統(tǒng)的手簿記錄、數(shù)據(jù)線傳輸, 發(fā)展到基于物聯(lián)網(wǎng)的無線傳輸技術(shù), 測量數(shù)據(jù)處理也由單一數(shù)據(jù)源處理發(fā)展到多源信息的融合處理[5,6,7,8,9,10]。
作為工程測量技術(shù)的重要組成部分, 鋼結(jié)構(gòu)測量技術(shù)也應(yīng)該向高效智能化的智能測量技術(shù)方向發(fā)展, 從而提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工精度、效率, 提升鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)的整體質(zhì)量。
1、 技術(shù)概述
鋼結(jié)構(gòu)智能測量技術(shù)是指在鋼結(jié)構(gòu)施工的不同階段, 采用智能全站儀、三維激光掃描、近景攝影測量、多源數(shù)據(jù)融合等更高效精準(zhǔn)的智能測量技術(shù), 提高鋼結(jié)構(gòu)安裝的精度、質(zhì)量和施工效率, 解決傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)測量方法難以解決的測量速度、精度、變形等技術(shù)難題, 實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全的有效控制。
2、 智能測量技術(shù)內(nèi)容
鋼結(jié)構(gòu)智能測量技術(shù)主要包含了在高精度三維測量控制網(wǎng)布設(shè)、鋼結(jié)構(gòu)地面拼裝、鋼結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)空中智能化快速定位、高精度鋼結(jié)構(gòu)姿態(tài)及變形檢測等鋼結(jié)構(gòu)施工環(huán)節(jié)的智能測量技術(shù)應(yīng)用。
2.1、 高精度三維測量控制網(wǎng)布設(shè)技術(shù)
高精度三維測量控制網(wǎng)由平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)同點(diǎn)布設(shè)形成, 在每一個(gè)測量控制點(diǎn)上融合三維坐標(biāo)即形成三維測量控制網(wǎng)。高精度三維測量控制網(wǎng)布設(shè)技術(shù)是指采用衛(wèi)星定位技術(shù), 結(jié)合智能型全站儀 (如Leica公司的TCA系列/TS系列) 和高精度電子水準(zhǔn)儀 (如天寶公司的DINI系列) , 按照現(xiàn)行測量規(guī)范, 建立多層級(jí)、高精度的三維測量控制網(wǎng)[11]。
2.2、 鋼結(jié)構(gòu)地面拼裝智能測量技術(shù)
在三維測量控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上, 利用具有無線傳輸功能的自動(dòng)化測量系統(tǒng), 結(jié)合工業(yè)三坐標(biāo)測量軟件 (如MetroIn) , 實(shí)現(xiàn)空間復(fù)雜鋼構(gòu)件的實(shí)時(shí)、逐步、快速地面拼裝定位。
2.3、 鋼結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)空中智能化快速定位技術(shù)
鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型比較清晰、嚴(yán)謹(jǐn), 對(duì)尺寸變化比較敏感。下料不精確, 會(huì)造成構(gòu)件的變形;安裝時(shí)不能就位, 影響承載效果。同時(shí)在高層建筑中, 房屋高, 體型大, 誤差積累非常顯著, 柱子或其他構(gòu)件微小的偏移會(huì)造成上部很大的變位, 極大地改變結(jié)構(gòu)的受力, 影響設(shè)計(jì)效果, 甚至產(chǎn)生工程質(zhì)量事故。
從快速空間測量定位的角度, 采用帶無線傳輸功能的測量機(jī)器人自動(dòng)測量系統(tǒng)對(duì)空中鋼結(jié)構(gòu)安裝進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位, 即時(shí)分析其與設(shè)計(jì)偏差情況, 及時(shí)糾偏、校正, 實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)快速精準(zhǔn)安裝, 解決鋼結(jié)構(gòu)空中拼裝施工過程中因測量定位的精度不足引發(fā)的安裝質(zhì)量問題及鋼結(jié)構(gòu)施工過程中因高空傳統(tǒng)測量作業(yè)困難導(dǎo)致的安裝效率低下問題。具體測量模式如下: (1) 對(duì)空中散拼安裝, 利用三維控制網(wǎng)成果, 使用智能型全站儀結(jié)合小棱鏡、球形棱鏡或反射片, 快速測量吊裝單元特征點(diǎn)三維坐標(biāo), 通過實(shí)時(shí)比較與設(shè)計(jì)位置的偏差, 指導(dǎo)鋼構(gòu)件快速、準(zhǔn)確就位; (2) 對(duì)滑移安裝, 使用全站儀自動(dòng)測量系統(tǒng)測量三維坐標(biāo)法控制主要特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)按設(shè)計(jì)就位; (3) 對(duì)整體提升安裝, 使用電子水準(zhǔn)儀高程放樣法或智能全站儀三角高程法實(shí)時(shí)測量主要特征點(diǎn)高程位置; (4) 對(duì)巨型鋼構(gòu)件, 使用GPS動(dòng)態(tài)定位 (RTK) 技術(shù), 通過在鋼構(gòu)件不同位置安裝多臺(tái)流動(dòng)站接收機(jī), 通過實(shí)時(shí)監(jiān)視流動(dòng)站的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)巨型鋼構(gòu)件的協(xié)助就位安裝[12,13]。
2.4、 高精度鋼結(jié)構(gòu)姿態(tài)及變形檢測技術(shù)
在鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工過程中, 安裝姿態(tài)檢測及變形監(jiān)測是其中的重要環(huán)節(jié)�？焖僬_評(píng)估鋼架的拼接質(zhì)量及全面系統(tǒng)地掌握鋼結(jié)構(gòu)的變形趨勢是施工的重要工作, 對(duì)降低施工成本、保障施工快速安全地完成具有重要的意義。
由于整體鋼結(jié)構(gòu)是剛性構(gòu)件, 若評(píng)估檢測與變形監(jiān)測不準(zhǔn)確, 往往會(huì)引發(fā)工程事故, 造成工程的延期, 浪費(fèi)人力與物力成本。然而鋼結(jié)構(gòu)建筑往往沒有固定特征, 構(gòu)件的數(shù)量非常多, 施工過程中的質(zhì)量檢測與變形監(jiān)測非常復(fù)雜, 必須采用一種快速密集的檢測方法保證施工過程的順利進(jìn)行。
傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)建筑物安裝檢測和變形監(jiān)測手段主要通過全站儀觀測部分鋼結(jié)構(gòu)特征部位, 結(jié)合機(jī)載對(duì)邊測量程序, 通過檢驗(yàn)給定兩特征點(diǎn)的空間斜距、平距及高差等方式與設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)對(duì)比, 從而檢驗(yàn)鋼件的焊接質(zhì)量與變形信息。常用工具包括:Matlab編程、MetroIn三坐標(biāo)軟件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、AutoCAD模型三維配準(zhǔn)等。這種方法工作周期長、檢測密度不足難以實(shí)現(xiàn)直觀全面的檢測, 無法滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑施工過程中的安裝檢測與健康監(jiān)測的需求。
采用用三維激光掃描技術(shù), 可以深入到鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行掃描操作, 并可以直接實(shí)現(xiàn)各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則、非標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)體三維數(shù)據(jù)的完整采集, 進(jìn)而重構(gòu)出實(shí)體的線、面、體、空間等各種三維數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行構(gòu)件面、線特征擬合后提取特征點(diǎn), 并按公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換三維配準(zhǔn)算法, 獲得各特征點(diǎn)給定坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo), 比較與設(shè)計(jì)三維坐標(biāo)的偏差值來進(jìn)行成品檢驗(yàn)。同時(shí), 激光掃描數(shù)據(jù)可對(duì)構(gòu)件的特征線、特征面進(jìn)行分析比較, 可更全面反映構(gòu)件拼裝質(zhì)量。
采用數(shù)字近景攝影測量技術(shù), 通過即時(shí)獲取某一瞬間被攝物的數(shù)字影像, 經(jīng)過解算獲得所有被攝點(diǎn)的瞬時(shí)位置, 具有信息量大、速度快、即時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn), 因此廣泛應(yīng)用于建筑物的變形監(jiān)測、大型工業(yè)設(shè)備變形檢測、鋼結(jié)構(gòu)的性能檢測等領(lǐng)域。針對(duì)大尺寸鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)三坐標(biāo)測量, 數(shù)字近景工業(yè)攝影測量的關(guān)鍵技術(shù)如下:
(1) 高質(zhì)量“準(zhǔn)二值影像”的獲取;
(2) 標(biāo)志中心高精度定位算法;
(3) 數(shù)字相機(jī)的標(biāo)定與自標(biāo)定;
(4) 基于編碼標(biāo)志和自動(dòng)匹配技術(shù)的自動(dòng)化測量技術(shù);
(5) 測量網(wǎng)形的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。
采用高精度鋼結(jié)構(gòu)姿態(tài)及變形檢測技術(shù)所取得的點(diǎn)云數(shù)據(jù), 還可以與鋼結(jié)構(gòu)BIM模型相結(jié)合, 與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析, 保障現(xiàn)場施工質(zhì)量達(dá)到優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[14]。
2.5、 基于物聯(lián)網(wǎng)和無線傳輸?shù)淖冃伪O(jiān)測技術(shù)
鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中對(duì)天氣、溫度等條件敏感, 鋼材熱脹冷縮, 尺寸變化較大, 溫度過高或過低都會(huì)對(duì)安裝精度產(chǎn)生影響。鋼結(jié)構(gòu)分段拼裝施工過程中將不同部位的溫度、濕度、應(yīng)力應(yīng)變等信息及時(shí)匯總、分析、計(jì)算, 將有力確保鋼結(jié)構(gòu)施工的精準(zhǔn)性和安全性。將鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場的溫度計(jì)、濕度計(jì)、應(yīng)力應(yīng)變計(jì)等眾多傳感器通過無線傳輸?shù)姆绞郊傻接?jì)算機(jī)中, 克服傳統(tǒng)傳感器需要傳輸線而不適合施工現(xiàn)場條件的弊端。
通過建立自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng), 使用智能全站儀, 結(jié)合自動(dòng)監(jiān)測軟件, 以及配套持續(xù)供電裝置及無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù), 利用已建立的高精度三維控制網(wǎng), 通過全站儀自動(dòng)后方交會(huì)測量在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上預(yù)先焊接連接桿安插棱鏡或直接粘貼反射片作為變形特征點(diǎn), 并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比, 實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)無人值守的自動(dòng)化、連續(xù)監(jiān)測技術(shù)自動(dòng)、實(shí)時(shí)處理和自動(dòng)報(bào)警。
通過在鋼結(jié)構(gòu)屋蓋上方安裝多臺(tái)GPS接收機(jī), 實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)變形長期、自動(dòng)監(jiān)測, 通過三維激光掃描、數(shù)字近景攝影測量也可以獲取對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的自動(dòng)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)[15]。
最終將集成后的傳感器測量數(shù)據(jù)、測量機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)、三維激光掃描數(shù)據(jù)等眾多信息在施工監(jiān)控系統(tǒng)中融合、分析、演算, 最終確保鋼結(jié)構(gòu)的狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。
3、 主要技術(shù)指標(biāo)
3.1、 高精度三維控制網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)
建立的高精度三維控制網(wǎng)相鄰點(diǎn)平面相對(duì)點(diǎn)位中誤差不超過3 mm, 高程上相對(duì)高差中誤差不超過2 mm;單點(diǎn)平面點(diǎn)位中誤差不超過5 mm, 高程中誤差不超過2 mm。
3.2、 鋼結(jié)構(gòu)拼裝空間定位技術(shù)指標(biāo)
拼裝完成的單體構(gòu)件即吊裝單元, 主控軸線長度偏差不超過±3 mm, 各特征點(diǎn)監(jiān)測值與設(shè)計(jì)值偏差 (X、Y、Z坐標(biāo)) 不超過10 mm。具有球結(jié)點(diǎn)的鋼構(gòu)件, 檢測球心坐標(biāo)值與設(shè)計(jì)值偏差 (X、Y、Z坐標(biāo)均) 不超過3 mm。構(gòu)件就位后各端口坐標(biāo) (X、Y、Z) 偏差均不超過10 mm, 且接口 (共面、共線) 錯(cuò)臺(tái)不超過2 mm。
3.3、 鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測技術(shù)指標(biāo)
三維坐標(biāo)觀測精度應(yīng)達(dá)到允許變形值的1/20～1/10。
4、 適用范圍
上述一系列鋼結(jié)構(gòu)智能測量技術(shù)是基于大數(shù)據(jù)快速獲取的智能測量技術(shù), 適用于大型復(fù)雜或特殊復(fù)雜、超高層、大跨徑等鋼結(jié)構(gòu)施工過程的施工測量及變形觀測等。
5、 結(jié)語
智能測量技術(shù)對(duì)整體鋼結(jié)構(gòu)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的精確檢測和完整記錄, 形成了對(duì)整體工程實(shí)施動(dòng)態(tài)與靜態(tài)變形監(jiān)測的自動(dòng)化技術(shù)和方法, 貫穿于鋼結(jié)構(gòu)施工的全過程, 能夠確保鋼結(jié)構(gòu)施工測量的高精度和高效率, 保障施工安全和質(zhì)量, 節(jié)省人力, 推進(jìn)施工生產(chǎn)過程的技術(shù)進(jìn)步。
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