三维扫描在装配式钢板预制梁的生产和安装中应用

随着党和政府以及城市居民对文明施工和环境影响的日益重视，降低市政工程施工对日常生活影响的需求越来越强，快速施工、绿色施工成为当前城市桥梁建设面临的迫切需求。

装配式桥梁具有**“ 工厂化、预制化、装配化”**的特性，生产标准化程度高、现场安装快速便捷、可减少对周围环境和道路交通的影响、工程质量易保障，更符合节能减排、低碳环保的施工工艺要求，成为桥梁建设发展的必然趋势。

而其中，装配式钢板组合梁作为一种新兴的预制装配式桥梁上部结构形式，可充分发挥钢结构材料强度大、适合工业生产、便于运输、安装速度快等显著的优点，在桥梁建设中被广泛接纳和采用。

装配式钢板预制梁在设计完成之后交由工厂加工，一般由钢板构件焊接加工而成。
在一座桥梁的建设中一般会用到横梁、纵梁、挑臂等构件，钢板预制梁的加工精度将直接决定施工后的桥梁精度。而在预制梁完成现场安装后，也需对安装后的钢梁进行整体检测以判断其整体线型是否符合桥梁设计要求。
本案例中，我们将介绍三维激光扫描技术在不同时期的检测和预拼装中的应用。

一、三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，激光发射器通过发射激光直射棱镜中心，棱镜会在作业过程中高速旋转，这样就形成了一个竖向的圆形扫描带。在作业过程中机身会以与棱镜中心点同轴的轴心作180°旋转，从而形成水平方向的360°的扫描带。棱镜与机身同时协作即可将以扫描仪本身为中心的球形范围内的事物扫描形成点云数据。即用点阵的形式表示被扫描物体的表面，获得与真实事物1：1的尺寸信息、灰度值、反射强度与每个点的三维坐标信息，开启彩色扫描更可获得被测物体表面的色彩与纹理等信息度。这种技术正被广泛应用于工厂、建筑、测绘、文化遗产保护、船舶、司法鉴定、影视等各大领域。

三维扫描现场

3D检测是一种数字化的尺寸检测方式，我们通过三维扫描的方式，获取桥钢板预制梁的点云数据，将得到的数据与理论模型进行对比，可得到实际状态相较于理论状态的偏差值，这样的检测方式，具有十分高效、直观的优势。

本案例中，沪敖的工程师使用天宝TrimbleX7三维激光扫描仪在工厂中对预制梁的加工精度进行检测。三维扫描相较于传统测绘方式的优势在于具有其非接触性。三维激光扫描仪在整个数据采集过程中不需要接触采集对象，在一定程度上确保作业人员安全施工，同时避免了因接触给物件本体带来的损坏.
而使用Trimble X7三维扫描仪较之于其他同类型设备而言的优势在于：
1、Trimble X7配备军标平板电脑
1.1、所见即所得
三维点云数据的采集、处理、三维可视化直接就可以在平板电脑上进行，“所见即所得”，如果有哪部分数据采集不理想，当时就可以发现问题，马上进行二次扫描补救，避免了市面上其他三维扫描设备要到内业处理环节才能看到点云数据发现问题。
一边扫描，一边就可完成自动无目标配准和点云着色。系统对点云配准进行精化处理，详细的配准报告含有测站误差和一致性检验结果。
外业现场的无目标自动配准帮助我们将工作效率又提高了一个等级。我们不必再回到办公室处理数据；我们不必再使用高性能的计算机并等待相当长的时间进行点云配准与着色。扫描完成后即可立即使用点云进行三维建模、绘图等工作，真正地实现了即扫即用，当场即可获取整体质量报告，当场即可提交成果。
下图是此前沪敖工程师的惨痛教训,使用的是其他品牌的扫描仪，由于当时无法看到扫描数据，回公司后才发有部分缺失，但飞机已经飞走不方便补救，只能后续额外再出场，耗时耗力。


3、X7扫描设备的可靠性
3.1 Trimble X7使用超声波液体马达，保证了设备本身的密封性不受外界影响，更保证了设备的高稳定性、高精度、高可靠性。
3.2 设备自动校准
天宝的自动校准功能是极其智能的，它会检测环境温度、光线、振动、仪器温度和垂直速度各影响因素，以综合优化校准过程。
自动校准可以有效补偿温差带来的误差，还可以校准运输时的冲击和振动带来的偏差（这对于较强需要经常出外业检测的情况十分友好）。

展望

随着国内城市交通的大发展，预制装配式桥梁也得到了快速发展，装配式桥梁的快速施工，便于城市交通快速恢复，有利于城市建设发展。
装配式桥梁建设方法适用于中小跨径桥梁,相比现场浇筑工艺而言，桥梁的部分或全部构件，通过在预制厂内加工成型构件后运输至现场吊装拼接，因此既保证了施工质量，又提高了建设效率，解决了传统桥梁施工中的诸多难题。

三维激光扫描技术的加入，为预制装配式桥梁的应用提供了良好的精度保障，本案例中，客户在预制阶段就对钢梁进行全方位的检测以确保加工精度，减少不必要的物料浪费和避免运至现场出现无法安装的问题。在安装过程中，提取钢梁安装后的整体线型，控制安装精度，保障工程质量。

事实上，三维扫描除了以上二种应用以外，还可以对预制梁进行预拼装（本案例客户尚未使用，但相信在以后会有拓展应用）。

三维激光扫描在预拼装中的应用
为保证钢构件的现场安装精度，需在加工场地进行预装配工作（特别是针对于首件产品）。在以往没有很好解决方案的情况下，预装配工作要由人工完成，工人需要在工作平台中将钢构件吊至预先绘制好的区域，然后工人将需要相互配合的钢构件组装在一起。其局限性在于预装配所需施工人员多、人工预装配耗时长、精确度不高、占用场地较大等问题。

三维扫描能准确反映被测预制梁的表面信息，在获取点云数据后，除了可以检测钢构件的制作误差之外，还可以通过对节段数字模型的空间定位实现虚拟装配。

虚拟装配的本质是构件装配面的吻合。实际上，节段的制作误差存在于XYZ三个方向，这些误差的存在使得装配面的角度和尺寸容易发生偏差。
采用３Ｄ比较方法进行节段模型与理论数据对比，可分析检测节段的制作误差，另一方面还可计算节段模型的形心点、轴线等几何特征，以轴线位置和扭转角度为控制参数对节段进行定位；分析相邻节段的装配误差，不断调整节段的空间姿态直至满足装配精度要求；最后将节段的制作误差和满足装配精度的控制点坐标反馈给加工、施工单位，为钢构件的实际生产和施工提供数据支持，最终实现节段定位参数的预先调控，提高实际装配现场施工的效率和精度。

我国工厂化生产正在大踏步的发展，提高工厂的预制质量，解决预制构件之间的装配问题，合理安排预制装配式结构的施工进度，减少结构施工过程中的风险都是我们亟需解决的问题，相信随着对技术应用的不断深入研究，预制装配式工程一定会得到更广泛的应用。

来源：HuAo_3D