基于激光扫描的公路钢梁桥模拟预拼装方法.pdf
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1、 施工技术(中英文)年 月下第 卷 第 期:基于激光扫描的公路钢梁桥模拟预拼装方法罗博仁,刘德强,吴游宇,余绍淮(中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉)摘要 钢梁桥在钢结构制造厂完成构件制造后,需在制造厂或架设施工现场进行实体预拼装来测试构件生产精度及整体拼装效果,实体预拼过程费时费力,有必要采用数字化方法模拟实体预拼装过程。三维激光扫描技术在三维建模、逆向工程等领域取得了良好的应用效果,可尝试用于模拟预拼装。采用高精度三维激光扫描仪逐个测站完成钢梁桥节段扫描,基于多测站扫描数据融合获取钢梁桥节段表面完整三维点云,建立节段精细三维模型,基于多节段模型数据模拟实体预拼装过程获取拼接误差
2、,评价节段生产制作精度,为钢梁桥节段修正提供指导。以武汉市某公路钢梁桥为例,验证该技术可行性。研究表明,基于三维激光扫描技术可完成钢梁桥节段的制造精度检测和模拟预拼装,达到实体预拼装同等精度水平,且可显著节省人力物力、缩短工期。关键词 桥梁工程;钢梁桥;架设;数值模拟;预拼装;激光扫描中图分类号 文献标识码 文章编号(),(,):,:;年度中交集团青年创新项目作者简介 罗博仁,高级工程师,:收稿日期 引言 钢梁桥构件类型较多、形式复杂,且构件间的空间关联性较强,因此,对构件间衔接的制造精度要求也很高。由于制造误差难以避免,在桥梁施工现场架设钢梁桥节段时若发现安装精度不够,将难以修正和调整,严重
3、影响工期。所以,依据相关标准规范要求,钢梁桥在架设前必须在制造厂或施工现场开展实体预拼工作,检测制造精度,测试整体拼装效果,以便及时修正,加快吊装速度,确保一次 罗博仁等:基于激光扫描的公路钢梁桥模拟预拼装方法 性架设成功。目前,实体预拼工作均是在专设的胎架上进行,该方式面临以下问题:对拼装场地空间、设备要求高;拼装工作耗时长,需搭设大型胎架,测量、检测时间长;测量精度、效率有待提升;整体经济性较差。而现实中,受项目工期、场地等多方面因素制约,有时不具备实体预拼条件。因此,有必要考虑数字模拟预拼装方式,即采用数字化技术手段,获取钢梁桥各节段真实、精细三维模型,在计算机端获得钢梁桥节段的制造精度
4、,以模拟预拼装取代实体预拼装。传统数字化模拟预拼装通常采用全站仪、数字摄影测量的方法获取钢梁桥节段少量关键点三维坐标,通过分析、比对节段间关键点坐标匹配性实现模拟预拼装,此类方法获取的关键点数量较少,难以全面表征节段的整体情况。随着三维激光扫描技术的发展和推广,研究人员尝试利用三维激光扫描技术获取钢梁桥节段表面完整点云,通过对点云的测量、比对、分析实现模拟预拼装。但从文献所展示的工程应用实例中可看出,基于激光扫描的节段模拟预拼装技术主要有以下难点。)节段完整高精度点云采集困难,需架设多个测站并将多测站点云数据拼接才能获取节段完整点云,但拼接过程中极易造成误差累积,从而降低数据精度。)节段精确建
5、模困难,节段结构复杂,难以利用激光点云进行建模实现对节段的精准表达。)节段间匹配拼装误差获取困难,当前节段模拟预拼装仅利用点云与节段设计模型进行简单比对、测量,自动化程度低、易引入人为误差。针对以上问题,本文依托武汉市某人行钢梁桥项目,基于三维激光扫描技术,从节段完整扫描、高精度建模、模拟预拼装精度分析,给出以上问题的工程解决方案,验证本项目技术可行性。本文技术流程如图 所示。工程概况 武汉市某公路钢梁桥全宽 ,净宽,全长,路基段,上部结构采用连续钢箱梁。选取上部结构钢箱梁中连续 段钢箱梁进行试验验证,依次进行节段的激光点云数据采集、预处理、建模,基于节段三维模型测量梁宽、梁高、钢板厚度等参数
6、,并对多节段进行模拟拼装,检验节段间接口焊缝间隙、对接缝错边量等参数,验证本项目技术图 技术流程 可行性。钢梁桥节段扫描与数据预处理方法 节段完整、精确扫描是模拟预拼装的基础。但由于钢梁桥节段结构复杂,内部各种板、肋交错,相互间遮挡较严重,必须架设多个测站才能实现对节段完整覆盖扫描。而且施工现场环境复杂,扫描过程极易受环境干扰。由于以上原因,导致单节段点云数据扫描、多节段点云数据拼接过程中极易出现误差累积,而大幅度降低数据精度。本文采用如下方法实现节段完整、精确扫描。对于单个钢箱梁节段,利用地面式激光扫描仪需扫描 个测站,测站布设在节段四角,测站位置与节段最近点距离应,若节段体积较大,可在测站
7、,间与测站,间各增加 个测站。依次将地面式激光扫描仪架设在测站 处对钢梁桥节段进行扫描,并在扫描范围内布设 个球形靶标。通过调整地面式激光扫描仪的扫描范围,确保每一测站至少能扫描到 个球形靶标。本文采用 地面式激光扫描仪进行数据采集,该型号扫描仪精度为 处测距精度。每根钢箱梁共设 个测站,布设 个球形靶标,设置扫描分辨率为 距离处约。钢箱梁节段扫描方法如图 所示。图 钢箱梁节段扫描方法 扫描获取的原始数据包含大量环境杂点且点云数据过于密集,不利于后续轻量化建模,需删除 施工技术(中英文)第 卷环境杂点,并对节段点云进行降采样以减少点云数据量。节段点云降采样需结合钢箱梁节段形态特征,对于板肋结构
8、复杂部位需尽量多保留点,对于结构简单、特征较少部位(如顶、底板)可保留较少点。本文采用如下算法实现点云自适应降采样。)对钢梁桥节段点云,采用边长为 的空间三维网格将钢梁桥节段点云划分成块,如果块内点云数量 个,则不进行后续计算。)将每块点云以 的空间三维网格划分为体素,每块三维网格包含 个体素。如果体素内激光点 个,则记为有效体素,且参与后续计算,否则不参与后续计算。记录当前块内有效体素数量为。)针对每个体素,在点云中选取距离当前体素中心最近的点,计算点云数据在此点处的法向量,记为当前体素方向向量。)针对每块点云,将其包含体素方向向量集合记为 ,。计算集合 内方向向量两两夹角,统计夹角的数量为
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