摘要:采用智能全站儀、三維激光掃描、近景攝影測量、多源數據融合等大數據獲取技術組成的智能測量技術, 可實現對大型、特大型鋼結構工程安裝的空間位置關系進行高精度檢測與調整, 并對卸載后的鋼結構進行安全監測。本文詳細介紹了鋼結構施工測量的各個環節智能測量技術的應用, 并提出了相應的技術指標。

  關鍵詞:智能測量; 三維激光掃描; 鋼結構; 多源數據融合;

  鋼結構對在施工安裝過程中產生的幾何偏差敏感性很強, 其測量的精度與效率直接關系到鋼結構的施工質量和安全性能。隨著特大型、異形、超高層等鋼結構在國內外的蓬勃興起, 鋼結構測量工作內容日益復雜, 測量精度要求越來越高、技術難度越來越大, 且施工項目多為政府標志性工程, 測量工期要求緊、測量環境復雜惡劣等特點愈加明顯, 采用傳統的測量手段已經很難滿足施工中對于高精度和高效率的需求[1,2,3,4]。

  隨著社會的發展和科技的進步, 工程測量行業在儀器設備、測量手段、數據傳輸與處理等方面, 涌現出一批更高效、更精準的信息化、智能化測量技術。如測量儀器由傳統的光學經緯儀、水準儀、鋼卷尺等, 發展到帶自動馬達的全站儀、衛星定位系統、三維激光掃描儀、數字攝影測量、無人機測量等, 同時數據傳輸手段也從傳統的手簿記錄、數據線傳輸, 發展到基于物聯網的無線傳輸技術, 測量數據處理也由單一數據源處理發展到多源信息的融合處理[5,6,7,8,9,10]。

  作為工程測量技術的重要組成部分, 鋼結構測量技術也應該向高效智能化的智能測量技術方向發展, 從而提高鋼結構建筑的施工精度、效率, 提升鋼結構工程建設的整體質量。

  1、 技術概述

  鋼結構智能測量技術是指在鋼結構施工的不同階段, 采用智能全站儀、三維激光掃描、近景攝影測量、多源數據融合等更高效精準的智能測量技術, 提高鋼結構安裝的精度、質量和施工效率, 解決傳統鋼結構測量方法難以解決的測量速度、精度、變形等技術難題, 實現對鋼結構施工進度、質量、安全的有效控制。

  2、 智能測量技術內容

  鋼結構智能測量技術主要包含了在高精度三維測量控制網布設、鋼結構地面拼裝、鋼結構精準空中智能化快速定位、高精度鋼結構姿態及變形檢測等鋼結構施工環節的智能測量技術應用。

  2.1、 高精度三維測量控制網布設技術

  高精度三維測量控制網由平面控制網和高程控制網同點布設形成, 在每一個測量控制點上融合三維坐標即形成三維測量控制網。高精度三維測量控制網布設技術是指采用衛星定位技術, 結合智能型全站儀 (如Leica公司的TCA系列/TS系列) 和高精度電子水準儀 (如天寶公司的DINI系列) , 按照現行測量規范, 建立多層級、高精度的三維測量控制網[11]。

  2.2、 鋼結構地面拼裝智能測量技術

  在三維測量控制網的基礎上, 利用具有無線傳輸功能的自動化測量系統, 結合工業三坐標測量軟件 (如MetroIn) , 實現空間復雜鋼構件的實時、逐步、快速地面拼裝定位。

  2.3、 鋼結構精準空中智能化快速定位技術

  鋼結構力學計算模型比較清晰、嚴謹, 對尺寸變化比較敏感。下料不精確, 會造成構件的變形;安裝時不能就位, 影響承載效果。同時在高層建筑中, 房屋高, 體型大, 誤差積累非常顯著, 柱子或其他構件微小的偏移會造成上部很大的變位, 極大地改變結構的受力, 影響設計效果, 甚至產生工程質量事故。

  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器人自動測量系統對空中鋼結構安裝進行實時跟蹤定位, 即時分析其與設計偏差情況, 及時糾偏、校正, 實現鋼結構快速精準安裝, 解決鋼結構空中拼裝施工過程中因測量定位的精度不足引發的安裝質量問題及鋼結構施工過程中因高空傳統測量作業困難導致的安裝效率低下問題。具體測量模式如下: (1) 對空中散拼安裝, 利用三維控制網成果, 使用智能型全站儀結合小棱鏡、球形棱鏡或反射片, 快速測量吊裝單元特征點三維坐標, 通過實時比較與設計位置的偏差, 指導鋼構件快速、準確就位; (2) 對滑移安裝, 使用全站儀自動測量系統測量三維坐標法控制主要特征點的平面坐標按設計就位; (3) 對整體提升安裝, 使用電子水準儀高程放樣法或智能全站儀三角高程法實時測量主要特征點高程位置; (4) 對巨型鋼構件, 使用GPS動態定位 (RTK) 技術, 通過在鋼構件不同位置安裝多臺流動站接收機, 通過實時監視流動站的姿態實現對巨型鋼構件的協助就位安裝[12,13]。

  2.4、 高精度鋼結構姿態及變形檢測技術

  在鋼結構建筑的施工過程中, 安裝姿態檢測及變形監測是其中的重要環節?焖僬_評估鋼架的拼接質量及全面系統地掌握鋼結構的變形趨勢是施工的重要工作, 對降低施工成本、保障施工快速安全地完成具有重要的意義。

  由于整體鋼結構是剛性構件, 若評估檢測與變形監測不準確, 往往會引發工程事故, 造成工程的延期, 浪費人力與物力成本。然而鋼結構建筑往往沒有固定特征, 構件的數量非常多, 施工過程中的質量檢測與變形監測非常復雜, 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行。

  傳統的鋼結構建筑物安裝檢測和變形監測手段主要通過全站儀觀測部分鋼結構特征部位, 結合機載對邊測量程序, 通過檢驗給定兩特征點的空間斜距、平距及高差等方式與設計模型數據對比, 從而檢驗鋼件的焊接質量與變形信息。常用工具包括:Matlab編程、MetroIn三坐標軟件坐標系轉換、AutoCAD模型三維配準等。這種方法工作周期長、檢測密度不足難以實現直觀全面的檢測, 無法滿足鋼結構建筑施工過程中的安裝檢測與健康監測的需求。

  采用用三維激光掃描技術, 可以深入到鋼結構復雜現場環境進行掃描操作, 并可以直接實現各種大型、復雜、不規則、非標準的實體三維數據的完整采集, 進而重構出實體的線、面、體、空間等各種三維數據。利用數據后處理軟件進行構件面、線特征擬合后提取特征點, 并按公共點轉換三維配準算法, 獲得各特征點給定坐標系下的三維坐標, 比較與設計三維坐標的偏差值來進行成品檢驗。同時, 激光掃描數據可對構件的特征線、特征面進行分析比較, 可更全面反映構件拼裝質量。

  采用數字近景攝影測量技術, 通過即時獲取某一瞬間被攝物的數字影像, 經過解算獲得所有被攝點的瞬時位置, 具有信息量大、速度快、即時性強等特點, 因此廣泛應用于建筑物的變形監測、大型工業設備變形檢測、鋼結構的性能檢測等領域。針對大尺寸鋼結構工業三坐標測量, 數字近景工業攝影測量的關鍵技術如下:

  (1) 高質量“準二值影像”的獲取;

  (2) 標志中心高精度定位算法;

  (3) 數字相機的標定與自標定;

  (4) 基于編碼標志和自動匹配技術的自動化測量技術;

  (5) 測量網形的優化與設計。

  采用高精度鋼結構姿態及變形檢測技術所取得的點云數據, 還可以與鋼結構BIM模型相結合, 與設計數據進行對比分析, 保障現場施工質量達到優質標準[14]。

  2.5、 基于物聯網和無線傳輸的變形監測技術

  鋼結構安裝過程中對天氣、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對安裝精度產生影響。鋼結構分段拼裝施工過程中將不同部位的溫度、濕度、應力應變等信息及時匯總、分析、計算, 將有力確保鋼結構施工的精準性和安全性。將鋼結構施工現場的溫度計、濕度計、應力應變計等眾多傳感器通過無線傳輸的方式集成到計算機中, 克服傳統傳感器需要傳輸線而不適合施工現場條件的弊端。

  通過建立自動化監測系統, 使用智能全站儀, 結合自動監測軟件, 以及配套持續供電裝置及無線數據傳輸技術, 利用已建立的高精度三維控制網, 通過全站儀自動后方交會測量在鋼結構構件上預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, 并與設計數據進行對比, 實現鋼結構無人值守的自動化、連續監測技術自動、實時處理和自動報警。

  通過在鋼結構屋蓋上方安裝多臺GPS接收機, 實現鋼結構變形長期、自動監測, 通過三維激光掃描、數字近景攝影測量也可以獲取對鋼結構的自動變形監測數據[15]。

  最終將集成后的傳感器測量數據、測量機器人系統數據、三維激光掃描數據等眾多信息在施工監控系統中融合、分析、演算, 最終確保鋼結構的狀態符合設計要求。

  3、 主要技術指標

  3.1、 高精度三維控制網技術指標

  建立的高精度三維控制網相鄰點平面相對點位中誤差不超過3 mm, 高程上相對高差中誤差不超過2 mm;單點平面點位中誤差不超過5 mm, 高程中誤差不超過2 mm。

  3.2、 鋼結構拼裝空間定位技術指標

  拼裝完成的單體構件即吊裝單元, 主控軸線長度偏差不超過±3 mm, 各特征點監測值與設計值偏差 (X、Y、Z坐標) 不超過10 mm。具有球結點的鋼構件, 檢測球心坐標值與設計值偏差 (X、Y、Z坐標均) 不超過3 mm。構件就位后各端口坐標 (X、Y、Z) 偏差均不超過10 mm, 且接口 (共面、共線) 錯臺不超過2 mm。

  3.3、 鋼結構變形監測技術指標

  三維坐標觀測精度應達到允許變形值的1/20~1/10。

  4、 適用范圍

  上述一系列鋼結構智能測量技術是基于大數據快速獲取的智能測量技術, 適用于大型復雜或特殊復雜、超高層、大跨徑等鋼結構施工過程的施工測量及變形觀測等。

  5、 結語

  智能測量技術對整體鋼結構態進行實時或準實時的精確檢測和完整記錄, 形成了對整體工程實施動態與靜態變形監測的自動化技術和方法, 貫穿于鋼結構施工的全過程, 能夠確保鋼結構施工測量的高精度和高效率, 保障施工安全和質量, 節省人力, 推進施工生產過程的技術進步。

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