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), 可實現(xiàn)對大型、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)對在施工安裝過程中產(chǎn)生的幾何偏差敏感性很強, 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)很難滿足施工中對于高精度和高效率的需求[1,2,3,4]。

　　隨著社會的發(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、無人機測量等, 同時數(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, 實現(xiàn)對鋼結(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)同點布設(shè)形成, 在每一個測量控制點上融合三維坐標(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、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化測量系統(tǒng), 結(jié)合工業(yè)三坐標(biāo)測量軟件 (如MetroIn) , 實現(xiàn)空間復(fù)雜鋼構(gòu)件的實時、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)計算模型比較清晰、嚴(yán)謹(jǐn), 對尺寸變化比較敏感。下料不精確, 會造成構(gòu)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(gòu)件微小的偏移會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器人自動測量系統(tǒng)對空中鋼結(jié)構(gòu)安裝進(jìn)行實時跟蹤定位, 即時分析其與設(shè)計偏差情況, 及時糾偏、校正, 實現(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三維坐標(biāo), 通過實時比較與設(shè)計位置的偏差, 指導(dǎo)鋼構(gòu)件快速、準(zhǔn)確就位; (2) 對滑移安裝, 使用全站儀自動測量系統(tǒng)測量三維坐標(biāo)法控制主要特征點的平面坐標(biāo)按設(shè)計就位; (3) 對整體提升安裝, 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時測量主要特征點高程位置; (4) 對巨型鋼構(gòu)件, 使用GPS動態(tài)定位 (RTK) 技術(shù), 通過在鋼構(gòu)件不同位置安裝多臺流動站接收機, 通過實時監(jiān)視流動站的姿態(tài)實現(xiàn)對巨型鋼構(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)。快速正確評估鋼架的拼接質(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, 若評估檢測與變形監(jiān)測不準(zhǔn)確, 往往會引發(fā)工程事故, 造成工程的延期, 浪費人力與物力成本。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(shè)計模型數(shù)據(jù)對比, 從而檢驗鋼件的焊接質(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, 并可以直接實現(xiàn)各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則、非標(biāo)準(zhǔn)的實體三維數(shù)據(jù)的完整采集, 進(jìn)而重構(gòu)出實體的線、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, 并按公共點轉(zhuǎn)換三維配準(zhǔn)算法, 獲得各特征點給定坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo), 比較與設(shè)計三維坐標(biāo)的偏差值來進(jìn)行成品檢驗。同時, 激光掃描數(shù)據(jù)可對構(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(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)字相機的標(biāo)定與自標(biāo)定;

　　(4) 基于編碼標(biāo)志和自動匹配技術(shù)的自動化測量技術(shù);

　　(5) 測量網(wǎng)形的優(yōu)化與設(shè)計。

　　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)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析, 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(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)變等信息及時匯總、分析、計算, 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、濕度計、應(yīng)力應(yīng)變計等眾多傳感器通過無線傳輸?shù)姆绞郊�成到計算機中, 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。

　　通過建立自動化監(jiān)測系統(tǒng), 使用智能全站儀, 結(jié)合自動監(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), 通過全站儀自動后方交會測量在鋼結(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, 并與設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比, 實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)無人值守的自動化、連續(xù)監(jiān)測技術(shù)自動、實時處理和自動報警。

　　通過在鋼結(jié)構(gòu)屋蓋上方安裝多臺GPS接收機, 實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)變形長期、自動監(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鋼結(jié)構(gòu)的自動變形監(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(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, 各特征點監(jiān)測值與設(shè)計值偏差 (X、Y、Z坐標(biāo)) 不超過10 mm。具有球結(jié)點的鋼構(gòu)件, 檢測球心坐標(biāo)值與設(shè)計值偏差 (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) 錯臺不超過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)對整體鋼結(jié)構(gòu)態(tài)進(jìn)行實時或準(zhǔn)實時的精確檢測和完整記錄, 形成了對整體工程實施動態(tài)與靜態(tài)變形監(jiān)測的自動化技術(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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