秦 富 王 原 张伟光 王 芳

（中建二局第四建筑工程有限公司，天津 300457）

1 三维激光测量技术概述

随着我国建筑行业的发展和钢铁产能的不断提高，钢结构构件在建筑工程中的应用范围不断扩大。在取得了良好应用效果的同时，各类钢结构构件的结构复杂程度不断提升，钢结构构件的制作难度也在不断加大。在我国经济水平高速发展的背景下，对建筑工程的建造效率和质量的要求不断提升，传统采用人工方式对钢结构构件进行测量、放样的方式已经难以满足当前构件的精确度要求。因此，在现代建筑工程钢结构构件的制作中，三维激光测量技术的应用越来越广泛。

三维激光测量技术，也叫全方位测量技术，是利用测距、扫描、角位移、定向这4种测量原理获取被测物体的三维坐标测量数据的测量方式。测量人员可通过得到的三维坐标测量数据建立三维模型，在制作钢结构的过程中可以通过将三维模型和实际构件进行对比得出构件的尺寸偏差，还可根据对比数据对钢结构构件进行相应的处理，使其能充分满足建筑工程的建造标准。

目前，应用在建筑工程中的钢结构构件种类较多，其中空间弯扭构件是钢结构构件中制造难度较高的构件种类。应用三维激光测量技术能快速、准确地得到构件的尺寸数据，对提高构件的制作质量具有非常重要的辅助作用。本文以三维激光测量技术在空间弯扭构件制作中的应用为例，总结并分析了三维激光测量技术在实际应用过程中的优缺点，并探讨了三维激光测量技术的应用前景。

2 基于三维激光扫描技术的BIM预制验证方案

传统测量方式中对钢结构设计模型的各项参数进行测量和比对时，主要利用全站仪、游标卡尺等对钢结构各项参数数据进行采集，不仅测量效率较低，而且难以对齐基准。另外，在建筑工程结构复杂度不断提升的背景环境下，此种较为原始的测量方式逐渐难以适应大型复杂钢结构环境下的误差检测和结构变形监测等多项施工需求。因此，应用以三维激光测量技术为基础的建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）预制验证方案，对提高建筑钢结构的施工质量具有重要意义，具体应用方法如下。

首先，先合理选用软硬件系统，如应用云梯、便携式激光扫描仪、地面三维激光扫描仪等先进仪器采集结构复杂的钢结构各隐蔽结点数据，以及应用Geomagic Studio、Geomagic Qualify、FARO SCENE等软件进行数据转换、点云去噪、误差分析等操作。其次，以实地考察的形式深入了解制作目标下钢结构的形式、尺寸、规格等详细参数，并选用合适的三维激光扫描设备，确定如可应用地面三维激光扫描仪、便携式扫描仪和激光跟踪仪等对钢结构整体、隐蔽性结点等进行扫描测量。若钢结构的复杂程度较高，也可利用多测站、多视角环绕式扫描设备对钢结构进行分区扫描，最后利用计算机设备将扫描数据进行汇总和处理。在对大型复杂钢结构进行焊接的过程中，可应用三维框架控制扫描技术在钢结构制作过程中进行结点监控，以提高大型复杂钢结构的制作质量。再次，对钢结构特征或靶标信息进行采集、分块点云融合、格式转换和赋色，根据数据量大小选择是否需要对融合后的数据进行进一步分割，以提高数据应用的效率，然后以三维数据对比的方式比对钢结构建造的误差结果，并依托比对结果进一步调整和制定后续工程施工方案。最后，为保障三维激光扫描设备实际扫描数据与BIM预制模型坐标的一致性，需要对实际扫描的数据以Geomagic进行逆向建模处理。详细工艺流程如图1所示。

图1 钢结构构件三维激光扫描流程

3 应用案例

3.1 工程概况

以某市建设的文体中心为例，该工程总建筑面积约80 000 m2。由于建筑造型别致，结构中采用了大量弯曲箱型钢结构构件，钢结构模型图如图2所示。本文选取的钢结构构件最大截面为箱型构件，其尺寸为1 200 mm×1 200 mm，板厚为45 mm，材质为Q345GJCZ15，总长为54 m，单根构件长14 m，为复杂的双扭曲箱型梁，位置如图2所示，构件示意图如图3所示。

图2 该工程中弯曲箱型钢结构构件示意图

图3 双扭曲箱型钢结构构件示意图

3.2 设备选用

本工程中制作钢结构构件时采用的三维特征点捕捉设备为Lecica AT402三维激光仪，配置Power lock自动目标识别技术，具有无线操作功能，能对被测物体的三维特征进行全面、快速、准确地测量。完成测量后，利用Spatial Analyzer New River Kinematics 软件将点云导入系统中，并转化为CAD线模格式，在软件中对比设计模型和点云数据。

3.3 工艺流程

空间弯扭构件的主要制作工艺包含零件展开、制作样箱、零件下料折弯、胎架搭设和装配、焊接、取点测量、喷砂涂装等。其中，零件展开、制作样箱和三维测量是该钢结构构件制作中的特殊工艺[1]。

3.3.1 零件展开

先应用Auto CAD软件制作钢结构构件模型，然后利用Auto POL软件进行零件展开放样，并对钢结构构件中零件的坡口方向、工艺信息、长度方向等进行详细注释。此时，需要注意在长度方向上应预留适当余量。

3.3.2 样箱制作

制作样箱的目的是获得折弯点和放样数据，从而验证后续钢板下料弯折的可行性[2]。一般情况下，样箱制作材料可选择5 mm厚胶合板，龙骨选择规格为50 mm×50 mm的木方，样箱和实际钢结构构件的比例为1∶1。样箱的制作顺序依次为组立木方龙骨、制作底板、安装内隔板、安装腹板。完成样箱的制作后，用三维激光测量技术测量样箱的空间尺寸，标注存在误差的点云数据，并将其信息反馈在零件板上，从而为后续下料和折弯工艺的应用提供参考。

3.3.3 胎架搭设和装配

结合已经得到的空间三维坐标数据确定原点坐标，并以原点坐标为基准建设三维坐标轴。之后用水准仪验证各点位的水平位置，确保所有点位处于相同水平面上[3]。

3.3.4 焊接

因为本工程中需要制作的钢结构构件规则性差，所以需要采用灵活性更强的分段焊接技术，以降低焊接过程中产生的热量对钢结构构件空间尺寸的影响。全焊缝采用CO2气体保护焊接，焊丝采用直径为1.2 mm的实心焊丝，打底电流为180～240 A，电压为30～32 V，焊接速度为34～38 cm·min-1。填充盖面电流为240～280 A，电压为32～36 V，焊接速度为32～36 cm·min-1。焊缝等级为一级全熔透焊缝，应加强对焊接作业的质量控制力度，尽量使其一次成型，以规避因返工造成的应力变形。定位焊厚度应在3 mm以上，长度应在40 mm以上，定位焊间距控制在300～600 mm范围内。组装焊件之前，应彻底清理对接表面和坡口周围25 mm范围内的毛刺、锈迹、油渍等，以提高焊接组装质量。焊接过程中应保证作业条件内最大风速小于2 m·s-1，导电嘴和工件之间的距离应控制在12～18 cm，坡口外禁止熄弧、引弧，且引弧板和引出板的长度不能小于25 cm。

3.3.5 取点测量

在端面平面中均匀选取3个测量点，4个侧面曲面中含有多个折弯线，每条折弯线附近取3个测量点。整个钢结构构件中选取的三维坐标点共135个。

3.4 测量结果

利用三维激光测量技术对样箱三维坐标点进行测量后，得到较为全面的三维模型坐标集，然后利用Spatial Analyzer New River Kinematics软件将点云数据导入系统中，并将点云数据和实际模型坐标集数据进行对比。结果显示，本工程中钢结构模型的制作标准满足建筑工程钢结构的检验要求[4]。

4 三维激光测量技术的优缺点分析

4.1 优点分析

利用三维激光测量技术能实现自动切换坐标系的操作，还能够快速获取采集点数据。其配套软件成熟度较高，将测量数据直接导入软件中，同时将模型测量数据和点云数据进行深入对比，能够直接获得钢结构模型和点云数据的误差报告，以帮助钢结构制作人员更好地掌握钢结构制作中存在的问题，使其能在后续操作中对相关问题进行针对性处理，从而提高钢结构构件的制作质量和建筑工程的整体施工质量。

随着社会经济高速发展，建筑工程的造型和结构复杂程度越来越高，应用传统人工测量放样的方式难以保证钢结构尺寸的精准度。此外，当前很多建筑工程中应用的成品扭曲构件结构非常复杂，测量难度较大。三维激光测量技术的应用则打破了实体结构形状的限制，对复杂度较高的钢结构构件测量放样效果较好。

4.2 缺点分析

三维激光测量技术应用过程中使用的配套设备成本较高，并且对使用人员的操作水平具有较高要求，难以在制作现场频繁使用。三维激光测量技术测量数据精准度过高。以本工程中使用的测量设备为例，测量数据的精准度高出行业要求的允许误差范围几十倍，使得三维激光测量技术应用的性价比存在浪费。

5 三维激光测量技术的应用前景展望

目前，应用在建筑工程中的钢结构构件类型主要包含H型柱、钢板剪力墙、箱型、圆管以及晚修结构等类型[5]。三维激光测量技术的应用能打破传统人工测量放样对构件结构形状的限制，在复杂钢结构构件的测量和制作中具有良好的应用效果。然而，应用在建筑工程中的复杂钢结构构件整体数量较少，而三维激光测量技术的应用成本较高，因此该技术目前还未能在钢结构构件的制作中得到广泛应用。随着我国工业革命的持续深入，传统钢结构制作工艺势必会经历重大变革，三维激光测量技术也必然会得到更进一步的应用。

6 结语

本文以复杂程度较高的空间弯扭钢构件的制作为例，阐述了三维激光测量技术的具体应用方式，并分析了该技术应用过程中的优缺点。该技术能快速获取大型不规则构件的三维数据，具有传统测量技术难以达到的精度标准，但是应用成本较高。在未来的发展中，三维激光测量技术的应用势必会对钢结构制作行业起到非常积极的促进作用。