CN107402001B - 基于3d扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统及方法，通过3D激光扫描子系统为扫描获取超高层建筑结构的点云数据，施工偏差数字化检验子系统对扫描获取到的点云数据进行处理得到3D扫描模型，对设计模型进行数字化处理，以及进行3D扫描模型与数字化后的设计模型的偏差分析，得到超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的检验评估，能够实现超高层建筑施工偏差精确快速的数字化检验。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统及方法。
背景技术
大中城市发展超高层建筑有利于解决人口剧增与土体资源极度匮乏的矛盾。当前，我国的超高层建筑处于繁荣发展期，据预测，到2020年，全球超过七成的超高层建筑将在中国。在超高层建筑的建造过程中，施工测量发挥极其重要的作用。与常规工程相比，超高层建筑测量控制精度要求更高，多数超过了现有规范的技术指标。同时，由于温差、日照、风载等因素对其高耸结构造成竖向高度变化、侧向挠曲、扭转、摆动等一系列影响，使得其测量不稳定，因此其测量难度更大。
超高层建筑施工控制测量主要包括平面、高程和竖向等方面测量。平面和高层控制测量通常分别布设三级和二级控制网，竖向测量通常采用外控法、内控法和综合法三种方法。其中竖向测量控制的垂直度测量是施工测量的难点，通常采用线锤铅直投测法、经纬仪斜投测法、激光测量法、全站仪竖向投测法、经纬天顶仪和天底仪竖向投测法等。
超高层建筑由于测量和施工本身误差不可避免使得实际所施工的结构或构件与设计存在偏差，一旦偏差超过规范允许值或范围，一方面不满足设计要求，另一方面存在安全隐患。针对施工偏差，当前缺乏有效快速的检验方法，并且施工测量缺乏快速的校核方法。因此，研究一种超高层建筑施工偏差精确快速的检验方法，已成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统及方法，能够实现超高层建筑施工偏差精确快速的数字化检验
为解决上述问题，本发明提供一种基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统，包括：
3D激光扫描子系统，用于扫描获取超高层建筑结构的点云数据；
施工偏差数字化检验子系统，用于对扫描获取到的点云数据进行处理得到 3D扫描模型，对设计模型进行数字化处理，以及进行3D扫描模型与数字化后的设计模型的偏差分析，得到超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的检验评估。
进一步的，在上述系统中，所述3D激光扫描子系统包括：
3D激光扫描仪组，用于扫描获取施工中超高层建筑主体部分、局部结构和标靶集点云数据；
GNSS，用于供3D激光扫描仪组的定位测量及辅助超高层建筑局部结构扫描测量；
控制点集，用于作为3D激光扫描仪组、GNSS的位置参考点，以及超高层建筑扫描测量的参考点，并且辅助所述点云数据配准、坐标转化和扫描模型装配；
无线通信模块，用于扫描测量控制的数据通信传输；
计算机与服务器，用于通过所述无线通信模块控制3D激光扫描仪组的扫描测量以及扫描数据的分析。
进一步的，在上述系统中，所述3D激光扫描仪组包括3台主控扫描仪和1 台辅助扫描仪，分别用于超高层建筑主体和局部结构的扫描测量，得到超高层建筑主体和局部结构的点云数据；
所述GNSS包括2台GNSS基准接收机和2台GNSS流动接收机；
所述控制点集包括主控扫描仪位置控制点，GNSS基准接收机位置控制点和标靶集，其中，所述主控扫描仪位置控制点作为所述主控扫描仪位置参考点，所述GNSS基准接收机位置控制点作为所述GNSS基准接收机位置参考点，标靶集作为超高层建筑扫描测量的参考点。
进一步的，在上述系统中，所述施工偏差数字化检验子系统包括：
设计模型及场景3D数字化模块，用于根据超高层建筑的CAD设计图纸建立结构及场景3D参考数字模型并生成建造过程的虚拟仿真，根据超结构及场景 3D参考数字模型和建造过程的虚拟仿真生成计划工况下3D设计模型和当前施工工况下的3D设计模型；
3D激光扫描数据处理模块，用于对超高层建筑的主体和局部结构的点云数据进行处理，包括降噪、修补、优化、点云数据配准、坐标转化和模型装配，得到完整的点云数据模型；
扫描数据3D数字化模块，用于根据完整的点云数据模型建立当前施工工况下的超高层建筑完整3D几何模型；
数据储存传输模块，用于对超高层建筑完整3D几何模型进行储存和传输；
施工进度偏差检验模块，用于对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型与计划工况下3D设计模型对比分析，检验施工进度偏差；
施工位置偏差检验模块，用于对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的轴线与对应的3D设计模型的轴线对比分析，检验常规测量误差及结构位置偏差，对偏差超过允许范围的构件进行标记显示；
施工几何尺寸偏差检验模块，用于对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面与对应的3D设计模型的表面对比分析，检验施工尺寸偏差，对偏差超过允许范围的位置进行标记显示；
施工变形监测模块，用于对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面与前期施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面对比分析，得到施工期建筑结构3D变形云图；
3D数字化显示及输出模块，用于根据施工进度偏差、常规测量误差、结构位置偏差、施工尺寸偏差和施工期建筑结构3D变形云图，进行施工进度、位置和几何偏差的3D可视化显示，并在施工完毕后输出超高层建筑竣工验收和运营维修3D数字模型。
根据本发明的另一面，提供一种基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验方法，采用上述的3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统，所述方法包括：
采用施工偏差数字化检验子系统对设计模型进行数字化处理；
采用3D激光扫描子系统扫描获取超高层建筑结构的点云数据；
采用所述施工偏差数字化检验子系统对扫描获取到的点云数据进行处理得到3D扫描模型；
采用施工偏差数字化检验子系统进行3D扫描模型与数字化后的设计模型的偏差分析，得到超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的检验评估。
进一步的，在上述方法中，采用施工偏差数字化检验子系统对设计模型进行数字化处理，包括：
采用设计模型及场景3D数字化模块，根据超高层建筑CAD设计图纸建立结构及场景3D参考数字模型并生成建造过程的虚拟仿真；
根据结构及场景3D参考数字模型和建造过程的虚拟仿真，设置计划工况下 3D设计模型和当前施工工况下对应的3D参考数字模型。
进一步的，在上述方法中，采用3D激光扫描子系统扫描获取超高层建筑结构的点云数据，包括：
布设控制点集，包括：布设主控扫描仪位置控制点及GNSS基准接收机位置控制点，根据超高层建筑情况确定标靶的数量，确定标靶的数量后布设标靶集并编号，保证主控扫描仪视觉范围内的标靶集中的各标靶通视；
架设3D激光扫描仪组和GNSS，包括：根据主控扫描仪位置控制点和GNSS 基准接收机位置控制点分别架设主控扫描仪和GNSS基准接收机；
基于无线通信模块，采用计算机与服务器控制主控扫描仪和GNSS流动接收机，进行超高层建筑的主体结构和标靶集的扫描作业；
随超高层建筑施工高度增加，所述计算机与服务器判断扫描范围是否超过主控扫描仪的测量范围，若超过测量范围，控制辅助扫描仪和GNSS流动接收机，进行超高层建筑的局部结构、标靶集和超范围主体结构的扫描作业；其中， GNSS流动接收机布设于作业面待测量位置，辅助扫描仪布设于作业面的施工平台，其控制点位置由GNSS流动接收机测得。
进一步的，在上述方法中，采用施工偏差数字化检验子系统对扫描获取到的点云数据进行处理得到3D扫描模型，包括：
采用3D激光扫描数据处理模块对超高层建筑的主体和局部结构的点云数据进行处理，依次进行点云数据的降噪、修补、优化、点云数据配准、坐标转化和模型装配，得到完整的点云数据模型；
根据完整的点云数据模型，采用扫描数据3D数字化模块建立当前施工工况下的超高层建筑的完整3D几何模型。
进一步的，在上述方法中，采用施工偏差数字化检验子系统进行3D扫描模型与数字化后的设计模型的偏差分析，得到超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的检验评估，包括：
采用施工进度偏差检验模块对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型与计划工况下3D设计模型对比分析，检验施工进度偏差；
采用施工位置偏差检验模块对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的轴线与对应的3D设计模型的轴线对比分析，检验常规测量误差及结构位置偏差，对偏差超过允许范围的构件进行标记显示；
施工几何尺寸偏差检验模块对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面与对应的3D设计模型的表面对比分析，检验施工尺寸偏差，对偏差超过允许范围的位置进行标记显示；
采用施工变形监测模块对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面与前期施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面对比分析，得到施工期建筑结构3D变形云图；
采用数据储存传输模块对超高层建筑完整3D几何模型进行储存和传输；
采用3D数字化显示及输出模块根据施工进度偏差、常规测量误差、结构位置偏差、施工尺寸偏差和施工期建筑结构3D变形云图，进行施工进度、位置和几何偏差的3D可视化显示；
施工完毕后，采用扫描数据3D数字化模块根据施工进度偏差、常规测量误差、结构位置偏差、施工尺寸偏差和施工期建筑结构3D变形云图，建立3D扫描数字模型，并采用3D数字化显示及输出模块根据施工进度偏差、常规测量误差、结构位置偏差、施工尺寸偏差和施工期建筑结构3D变形云图，输出超高层建筑竣工验收和运营维修3D数字模型。
与现有技术相比，本发明通过3D激光扫描子系统为扫描获取超高层建筑结构的点云数据，施工偏差数字化检验子系统对扫描获取到的点云数据进行处理得到3D扫描模型，对设计模型进行数字化处理，以及进行3D扫描模型与数字化后的设计模型的偏差分析，得到超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的检验评估，能够实现超高层建筑施工偏差精确快速的数字化检验。
附图说明
图1是本发明一实施例的基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统原理图；
图2是本发明一实施例的基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验方法流程图；
图3是本发明一实施例的设计模型及场景3D数字化模块虚拟显示示意图图；
图4是本发明一实施例的超高层建筑施工过程中3D激光扫描现场实施示意图；
图5是本发明一实施例的高层建筑施工过程中3D扫描模型与设计模型对比的示意图；
图6是本发明一实施例的超高层建筑施工过程中垂直度测量误差检验现场布置示意图；
图7是本发明一实施例的超高层建筑施工过程中垂直度的常规测量与扫描结果对比示意图；
图8是本发明一实施例的超高层建筑局部结构施工与设计尺寸偏差示意图；
其中，100-激光扫描子系统，110-3D-激光扫描仪组，111-主控扫描仪LS1， 112-主控扫描仪LS2，113-主控扫描仪LS3，114-辅助扫描仪LS；
120-GNSS，121-GNSS基准接收机RE1，122-GNSS流动接收机MO1， 123-GNSS流动接收机MO2，124-GNSS基准接收机RE2；
130-控制点集，131-主控扫描仪，LS1位置控制点，132-主控扫描仪LS2位置控制点，133-主控扫描仪LS3位置控制点，134-GNSS基准接收机RE1位置控制点，135-GNSS基准接收机RE2位置控制点，136-标靶集；
200-施工偏差数字化检验子系统，300-超高层建筑设计模型，400-施工现场超高层建筑，500-超高层建筑扫描模型；
600-施工垂直度测量轴线检验结果，610-设计轴线，620-常规测量拟合轴线，630-扫描拟合轴线，640-预留孔洞扫描点云，650-建筑边界扫描点云。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统，包括3D激光扫描子系统100和施工偏差数字化检验子系统200，其中，
3D激光扫描子系统100，用于扫描获取超高层建筑结构的点云数据；
施工偏差数字化检验子系统200，用于对扫描获取到的点云数据进行处理得到3D扫描模型，对设计模型进行数字化处理，以及进行3D扫描模型与数字化后的设计模型的偏差分析，得到超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的检验评估。
本发明利用激光雷达探测和测距技术的全新技术手段，即3D激光扫描技术。采用该技术可大面积、高精度、非接触地快速获取被测对象表面的三维坐标点云数据。本发明通过引入3D激光扫描技术并结合其他数字化技术手段，实现超高层建筑施工偏差精确快速的数字化检验。
如图1所示，本发明的基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统一实施例中，3D激光扫描子系统100包括：3D激光扫描仪组110、GNSS 120、控制点集130、无线通信模块140、计算机与服务器150，其中，
3D激光扫描仪组110，用于扫描获取施工中超高层建筑主体部分、局部结构和标靶集点云数据；
GNSS 120，用于供3D激光扫描仪组110的定位测量及辅助超高层建筑局部结构扫描测量；
控制点集130，用于作为3D激光扫描仪组110、GNSS 120的位置参考点，以及超高层建筑扫描测量的参考点，并且辅助点云数据配准、坐标转化和扫描模型装配；
无线通信模块140，用于扫描测量控制的数据通信传输；
计算机与服务器150，用于通过无线通信模块140控制3D激光扫描仪组110 的扫描测量以及扫描数据的分析。
如图3和4所示，本发明的基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统一实施例中，3D激光扫描仪组110包括3台主控扫描仪LS1 111～LS3 113 和1台辅助扫描仪LS114(或者主控扫描仪和辅助扫描仪至少各1台)，分别用于超高层建筑主体和局部结构的扫描测量，得到超高层建筑主体和局部结构的点云数据；
GNSS 120包括2台GNSS基准接收机RE1 121、RE2 124和2台GNSS流动接收机MO1122、MO2 123(或者GNSS基准接收机和GNSS流动接收机至少各1台)；
控制点集130包括主控扫描仪LS1 111～LS3 113位置控制点131～133，GNSS 基准接收机RE1 121、RE2 124位置控制点134、135和标靶集136，主控扫描仪 LS1 111～LS3 113位置控制点131～133作为主控扫描仪LS1 111～LS3 113位置参考点，GNSS基准接收机RE1121、RE2 124位置控制点134、135作为GNSS 基准接收机RE1 121、RE2 124位置参考点，标靶集136作为超高层建筑扫描测量的参考点。
如图1所示，本发明的基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统一实施例中，施工偏差数字化检验子系统200包括：设计模型及场景3D数字化模块210、3D激光扫描数据处理模块220、扫描数据3D数字化模块230、数据储存传输模块240、施工进度偏差检验模块250、施工位置偏差检验模块260、施工几何尺寸偏差检验模块270、施工变形监测模块280、3D数字化显示及输出模块290，其中，
如图3所示，设计模型及场景3D数字化模块210，用于根据超高层建筑CAD 设计图纸建立结构及场景3D参考数字模型并生成建造过程的虚拟仿真；
3D激光扫描数据处理模块220，用于对超高层建筑的主体和局部结构的点云数据进行处理，包括降噪、修补、优化、点云数据配准、坐标转化和模型装配，得到完整的点云数据模型；
扫描数据3D数字化模块230，用于根据完整的点云数据模型建立超高层建筑完整3D几何模型；
数据储存传输模块240，用于对超高层建筑完整3D几何模型进行储存和传输；
如图5所示，施工进度偏差检验模块250，用于对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型与计划工况下3D设计模型对比分析，检验施工进度偏差；
如图5～7所示，施工位置偏差检验模块260，用于对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的轴线与对应的3D设计模型的轴线对比分析，检验常规测量误差(垂直度、水平偏差)及结构位置偏差，对偏差超过允许范围的构件进行标记显示；
如图5所示，施工几何尺寸偏差检验模块270，用于对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面与对应的3D设计模型的表面对比分析，检验施工尺寸偏差，对偏差超过允许范围的位置进行标记显示；
施工变形监测模块280，用于对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面与前期施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面对比分析，得到施工期建筑结构3D变形云图；
如图8所示，3D数字化显示及输出模块290，用于根据施工进度偏差、常规测量误差、结构位置偏差、施工尺寸偏差和施工期建筑结构3D变形云图，进行施工进度、位置和几何偏差的3D可视化显示，并在施工完毕后输出超高层建筑竣工验收和运营维修3D数字模型。
如图1和2所示，根据本发明的另一面，还提供一种基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验方法，包括：
采用施工偏差数字化检验子系统200对设计模型进行数字化处理；
采用3D激光扫描子系统100扫描获取超高层建筑结构的点云数据；
采用施工偏差数字化检验子系统200对扫描获取到的点云数据进行处理得到3D扫描模型；
采用施工偏差数字化检验子系统200进行3D扫描模型与数字化后的设计模型的偏差分析，得到超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的检验评估。
如图2所示，本发明的基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验方法一实施例中，采用施工偏差数字化检验子系统200对设计模型进行数字化处理，包括：
a)采用设计模型及场景3D数字化模块210，根据超高层建筑CAD设计图纸建立结构及场景3D参考数字模型并生成建造过程的虚拟仿真；
b)根据结构及场景3D参考数字模型和建造过程的虚拟仿真，设置计划工况下3D设计模型和当前施工工况下对应的3D参考数字模型。
如图2所示，本发明的基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验方法一实施例中，采用3D激光扫描子系统100扫描获取超高层建筑结构的点云数据，包括：
a)布设控制点集130，包括：布设主控扫描仪LS1 111～LS3 113位置控制点131～133及GNSS基准接收机RE1、RE2位置控制点134、135，根据超高层建筑情况确定标靶的数量(每次扫描范围内至少3个标靶)，确定标靶的数量后布设标靶集136并编号，保证主控扫描仪LS1 111～LS3 113视觉范围内的标靶集中的各标靶通视；
b)架设3D激光扫描仪组110和GNSS 120，包括：根据主控扫描仪LS1 111～LS3 113位置控制点131～133和GNSS基准接收机RE1、RE2位置控制点 134、135分别架设主控扫描仪LS1 111～LS3 113和GNSS基准接收机RE1、RE2；
c)基于无线通信模块140，采用计算机与服务器150控制主控扫描仪LS1 111～LS3113和GNSS流动接收机MO1、MO2，进行超高层建筑的主体结构和标靶集的扫描作业；
d)随超高层建筑施工高度增加，判断扫描范围Hm是否超过主控扫描仪LS1 111～LS3的测量范围，若超过测量范围，控制辅助扫描仪LS 114和GNSS流动接收机MO1、MO2，进行超高层建筑的局部结构、标靶集和超范围主体结构的扫描作业；其中，GNSS流动接收机MO1、MO2布设于作业面待测量位置，辅助扫描仪LS布设于作业面的施工平台，其控制点位置由GNSS流动接收机 MO1、MO2测得。
如图2所示，本发明的基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验方法一实施例中，采用施工偏差数字化检验子系统200对扫描获取到的点云数据进行处理得到3D扫描模型，包括：
a)采用3D激光扫描数据处理模块220对超高层建筑的主体和局部结构的点云数据进行处理，依次进行点云数据的降噪、修补、优化、点云数据配准、坐标转化和模型装配，得到完整的点云数据模型；
b)根据完整的点云数据模型，采用扫描数据3D数字化模块230建立当前施工工况下的超高层建筑的完整3D几何模型。
如图2所示，本发明的基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验方法一实施例中，采用施工偏差数字化检验子系统200进行3D扫描模型与数字化后的设计模型的偏差分析，得到超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的检验评估，包括：
a)采用施工进度偏差检验模块250对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型与计划工况下3D设计模型对比分析，检验施工进度偏差；
b)采用施工位置偏差检验模块260对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的轴线与对应的3D设计模型的轴线对比分析，检验常规测量误差(垂直度、水平偏差)及结构位置偏差，对偏差超过允许范围的构件进行标记显示；
c)施工几何尺寸偏差检验模块270对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面与对应的3D设计模型的表面对比分析，检验施工尺寸偏差，对偏差超过允许范围的位置进行标记显示；
d)采用施工变形监测模块280对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面与前期施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面对比分析，得到施工期建筑结构3D变形云图；
e)采用数据储存传输模块240对超高层建筑完整3D几何模型进行储存和传输；
f)采用3D数字化显示及输出模块290根据施工进度偏差、常规测量误差、结构位置偏差、施工尺寸偏差和施工期建筑结构3D变形云图，进行施工进度、位置和几何偏差的3D可视化显示；
g)施工完毕后，采用扫描数据3D数字化模块230根据施工进度偏差、常规测量误差、结构位置偏差、施工尺寸偏差和施工期建筑结构3D变形云图，建立3D扫描数字模型，并采用3D数字化显示及输出模块290根据施工进度偏差、常规测量误差、结构位置偏差、施工尺寸偏差和施工期建筑结构3D变形云图，输出超高层建筑竣工验收和运营维修3D数字模型。
综上所述，本发明利用激光雷达探测和测距技术的全新技术手段，即3D激光扫描技术。采用该技术可大面积、高精度、非接触地快速获取被测对象表面的三维坐标点云数据。本发明通过引入3D激光扫描技术并结合其他数字化技术手段，实现超高层建筑施工偏差精确快速的数字化检验。
本发明的主要优势在于可实现超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的精确快速数字化检验，对常规施工测量技术手段测量结果的快速校核以增大测量冗余度，同时为施工验收与运营维修提供3D数字模型，以满足超高层建筑施工测量精度和设计要求。
在一具体的实施例中，可以采用所开发的系统对某超高层建筑施工偏差进行检验，高度H超过300m。3D激光扫描子系统100中主控扫描仪LS1 111～LS3 113和辅助扫描仪LS 114均采用Z+F IMAGER 5010C扫描仪(共4台)；GNSS 120均采用华测X91RTK测量系统(共4套)；控制点集130的标靶136为多个自制打印标靶组成；无线通信模块140通信距离大于2km；计算机及服务器150 分别采用内存为16G，CPU为8核CPU的计算机和内存为128G，CPU为E5-2697 v2(12核CPU并行)的服务器。施工偏差数字化检验子系统200中3D激光扫描数据处理模块220采用Z+F LaserControl和Geomagic Control等；数据储存传输模块240可实现3D模型数据进行储存和传输；设计模型及场景3D数字化模块210、扫描数据3D数字化模块230、施工进度偏差检验模块250、施工位置偏差检验模块260、施工几何尺寸偏差检验模块270、施工变形监测模块280和 3D数字化显示及输出模块290核心计算采用Fortran语言编写，并结BIM软件。 GNSS测量实施中满足《工程测量规范》(GB 50026—2007)、《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314—2009)和《卫星定位测量技术规范》 (DGTJ08-2121-2013)相关规定。图3为实施例的设计模型及场景3D数字化模块虚拟显示示意图，图中300为超高层建筑设计模型。图4为实施例超高层建筑施工过程中3D激光扫描现场实施示意图，图中400为施工现场超高层建筑。图5为实施例高层建筑施工过程中3D扫描模型与设计模型对比的示意图，图中 500为超高层建筑扫描模型。图6为实施例超高层建筑施工过程中垂直度测量误差检验现场布置示意图；图7为实施例超高层建筑施工过程中垂直度的常规测量与扫扫描结果对比示意图，图中600为施工垂直度测量轴线检验结果，610为设计轴线，620为常规测量拟合轴线，630为扫描拟合轴线，640为预留孔洞扫描点云，650为建筑边界扫描点云。图8为实施例高层建筑局部结构施工与设计尺寸偏差示意图。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (2)
1.一种基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统，其特征在于，包括：
3D激光扫描子系统，用于扫描获取超高层建筑结构的点云数据；
施工偏差数字化检验子系统，用于对扫描获取到的点云数据进行处理得到3D扫描模型，对设计模型进行数字化处理，以及进行3D扫描模型与数字化后的设计模型的偏差分析，得到超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的检验评估；
其中，所述3D激光扫描子系统包括：
3D激光扫描仪组，用于扫描获取施工中超高层建筑主体部分、局部结构和标靶集点云数据；
GNSS，用于供3D激光扫描仪组的定位测量及辅助超高层建筑局部结构扫描测量；
控制点集，用于作为3D激光扫描仪组、GNSS的位置参考点，以及超高层建筑扫描测量的参考点，并且辅助所述点云数据配准、坐标转化和扫描模型装配；
无线通信模块，用于扫描测量控制的数据通信传输；
计算机与服务器，用于通过所述无线通信模块控制3D激光扫描仪组的扫描测量以及扫描数据的分析；
所述3D激光扫描仪组包括3台主控扫描仪和1台辅助扫描仪，分别用于超高层建筑主体和局部结构的扫描测量，得到超高层建筑主体和局部结构的点云数据；
所述GNSS包括2台GNSS基准接收机和2台GNSS流动接收机；
所述控制点集包括主控扫描仪位置控制点，GNSS基准接收机位置控制点和标靶集，其中，所述主控扫描仪位置控制点作为所述主控扫描仪位置参考点，所述GNSS基准接收机位置控制点作为所述GNSS基准接收机位置参考点，标靶集作为超高层建筑扫描测量的参考点；
所述施工偏差数字化检验子系统包括：
设计模型及场景3D数字化模块，用于根据超高层建筑的CAD设计图纸建立结构及场景3D参考数字模型并生成建造过程的虚拟仿真，根据超结构及场景3D参考数字模型和建造过程的虚拟仿真生成计划工况下3D设计模型和当前施工工况下的3D设计模型；
3D激光扫描数据处理模块，用于对超高层建筑的主体和局部结构的点云数据进行处理，包括降噪、修补、优化、点云数据配准、坐标转化和模型装配，得到完整的点云数据模型；
扫描数据3D数字化模块，用于根据完整的点云数据模型建立当前施工工况下的超高层建筑完整3D几何模型；
数据储存传输模块，用于对超高层建筑完整3D几何模型进行储存和传输；
施工进度偏差检验模块，用于对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型与计划工况下3D设计模型对比分析，检验施工进度偏差；
施工位置偏差检验模块，用于对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的轴线与对应的3D设计模型的轴线对比分析，检验常规测量误差及结构位置偏差，对偏差超过允许范围的构件进行标记显示；
施工几何尺寸偏差检验模块，用于对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面与对应的3D设计模型的表面对比分析，检验施工尺寸偏差，对偏差超过允许范围的位置进行标记显示；
施工变形监测模块，用于对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面与前期施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面对比分析，得到施工期建筑结构3D变形云图；
3D数字化显示及输出模块，用于根据施工进度偏差、常规测量误差、结构位置偏差、施工尺寸偏差和施工期建筑结构3D变形云图，进行施工进度、位置和几何偏差的3D可视化显示，并在施工完毕后输出超高层建筑竣工验收和运营维修3D数字模型。
2.一种基于3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的3D扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统，所述方法包括：
采用施工偏差数字化检验子系统对设计模型进行数字化处理；
采用3D激光扫描子系统扫描获取超高层建筑结构的点云数据；
采用所述施工偏差数字化检验子系统对扫描获取到的点云数据进行处理得到3D扫描模型；
采用施工偏差数字化检验子系统进行3D扫描模型与数字化后的设计模型的偏差分析，得到超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的检验评估；
其中，采用施工偏差数字化检验子系统对设计模型进行数字化处理，包括：
采用设计模型及场景3D数字化模块，根据超高层建筑CAD设计图纸建立结构及场景3D参考数字模型并生成建造过程的虚拟仿真；
根据结构及场景3D参考数字模型和建造过程的虚拟仿真，设置计划工况下3D设计模型和当前施工工况下对应的3D参考数字模型；
采用3D激光扫描子系统扫描获取超高层建筑结构的点云数据，包括：
布设控制点集，包括：布设主控扫描仪位置控制点及GNSS基准接收机位置控制点，根据超高层建筑情况确定标靶的数量，确定标靶的数量后布设标靶集并编号，保证主控扫描仪视觉范围内的标靶集中的各标靶通视；
架设3D激光扫描仪组和GNSS，包括：根据主控扫描仪位置控制点和GNSS基准接收机位置控制点分别架设主控扫描仪和GNSS基准接收机；
基于无线通信模块，采用计算机与服务器控制主控扫描仪和GNSS流动接收机，进行超高层建筑的主体结构和标靶集的扫描作业；
随超高层建筑施工高度增加，所述计算机与服务器判断扫描范围是否超过主控扫描仪的测量范围，若超过测量范围，控制辅助扫描仪和GNSS流动接收机，进行超高层建筑的局部结构、标靶集和超范围主体结构的扫描作业；其中，GNSS流动接收机布设于作业面待测量位置，辅助扫描仪布设于作业面的施工平台，其控制点位置由GNSS流动接收机测得；
采用施工偏差数字化检验子系统对扫描获取到的点云数据进行处理得到3D扫描模型，包括：
采用3D激光扫描数据处理模块对超高层建筑的主体和局部结构的点云数据进行处理，依次进行点云数据的降噪、修补、优化、点云数据配准、坐标转化和模型装配，得到完整的点云数据模型；
根据完整的点云数据模型，采用扫描数据3D数字化模块建立当前施工工况下的超高层建筑的完整3D几何模型；
采用施工偏差数字化检验子系统进行3D扫描模型与数字化后的设计模型的偏差分析，得到超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的检验评估，包括：
采用施工进度偏差检验模块对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型与计划工况下3D设计模型对比分析，检验施工进度偏差；
采用施工位置偏差检验模块对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的轴线与对应的3D设计模型的轴线对比分析，检验常规测量误差及结构位置偏差，对偏差超过允许范围的构件进行标记显示；
施工几何尺寸偏差检验模块对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面与对应的3D设计模型的表面对比分析，检验施工尺寸偏差，对偏差超过允许范围的位置进行标记显示；
采用施工变形监测模块对当前施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面与前期施工工况下的超高层建筑3D几何模型的表面对比分析，得到施工期建筑结构3D变形云图；
采用数据储存传输模块对超高层建筑完整3D几何模型进行储存和传输；
采用3D数字化显示及输出模块根据施工进度偏差、常规测量误差、结构位置偏差、施工尺寸偏差和施工期建筑结构3D变形云图，进行施工进度、位置和几何偏差的3D可视化显示；
施工完毕后，采用扫描数据3D数字化模块根据施工进度偏差、常规测量误差、结构位置偏差、施工尺寸偏差和施工期建筑结构3D变形云图，建立3D扫描数字模型，并采用3D数字化显示及输出模块根据施工进度偏差、常规测量误差、结构位置偏差、施工尺寸偏差和施工期建筑结构3D变形云图，输出超高层建筑竣工验收和运营维修3D数字模型。
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