CN109726508A - 基于3d扫描的大直径市政管道模拟拼装装置及拼装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置，包括钢筋混凝土雨污水管段，所述钢筋混凝土雨污水管段的两端分别设有钢筋混凝土雨污水管段插口和钢筋混凝土雨污水管段承口，所述钢筋混凝土雨污水管段内设有管底滚动筒，所述管底滚动筒的轴心处安装有激光测距仪，所述钢筋混凝土雨污水管段外设有带标尺伸缩杆，所述带标尺伸缩杆上固定有3D激光扫描仪，所述带标尺伸缩杆下方安装有CCD成像靶块，所述3D激光扫描仪上设有定位模块。本发明能在精确定位后进行高精度3D扫描发现尺寸偏差大的不合格的管道，并进行模拟拼接，提高质检效率，提升拼接精度和速度，降低管段泄露的风险。

Description

基于3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置及拼装方法

技术领域

本发明涉及管道拼装技术领域，具体来说，涉及基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置及拼装方法。

背景技术

根据相关国家规范，对于较大口径的钢筋混凝土雨污水管的管口端面垂直度偏差允许值为6-9mm，而两个管段拼接后的管口的纵向间隙要求为5-15mm。当两个管道拼接前的垂直度偏差分别均符合规范，但均达到8-9mm时，即使不考虑两个管段管口间橡胶圈的加工误差和两个管段基础的高差，两个管线拼接后的管口间隙易达到16-18mm，即大于规范要求，质量不合格导致返工。所以，根据规范要求，单个大口径的钢筋混凝土雨污水管的端面垂直度偏差允许值需达到2.5-7.5mm才能保证拼接后的纵向间隙尺寸达标。

施工现场对于大口径钢筋混凝土雨污水管缺乏进场质检措施，采用铅垂和卷尺等手段难以发现大口径混凝土管的毫米级加工误差。此外，施工中一般采用管道吊装试拼装后测量的方式查看两个管段拼接后的管口的纵向间隙，在这种方式下，经常在两个管段拼插接完成后发现间隙超标，这时需要使用汽车吊再次吊起管道旋转管道，尝试调小间隙。在旋转调试失败后，还需要更换其他新管段再次拼插接，直至间隙符合要求。而旋转和更换吊装其他新管段造成工时、设备台班成本增加和工期延误，还可能对管口和密封胶圈造成损坏。

目前建筑工程领域开始大量采用激光扫描技术。但是，由于大直径管道拼接精度要求高（扫描时需达到mm级精度）等原因，在大直径管道高精度拼接方面应用较少。由于激光扫描仪的扫描精度与距离扫描对象的距离直接相关，对于几何对称的扫描对象，如将扫描仪与扫描对象对中、保证距离扫描对象两边距离一致，可有效提高扫描的精度。比如，对左右对称的古建筑进行的扫描，均将扫描仪架设在建筑外部正中。但是，由于面对大口径钢筋混凝土雨污水管（比如直径2000）时，其内部的空腔（不是类似建筑外表面的平面）正对激光扫描仪，难以利用现有技术完成扫描仪和管段的对中调整。

扫描仪在扫描中，往往需要在扫描对象上布设定位标靶作为扫描基准点，定位标靶的位置精确确定也有利于提高扫描精度。

此外，目前我国智慧城市建设在大规模开展，但是对于市政大管径雨污水管路的施工质量和完工后长期的质量监测和运行监测却缺乏措施，发生管段接口处泄露也无法及时发现。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置及拼装方法，能够克服现有技术的上述不足。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置，包括钢筋混凝土雨污水管段，所述钢筋混凝土雨污水管段的两端分别设有钢筋混凝土雨污水管段插口和钢筋混凝土雨污水管段承口，所述钢筋混凝土雨污水管段内设有管底滚动筒，所述管底滚动筒的轴心处安装有激光测距仪，所述钢筋混凝土雨污水管段外设有带标尺伸缩杆，所述带标尺伸缩杆上固定有3D激光扫描仪，所述带标尺伸缩杆下方安装有CCD成像靶块，所述3D激光扫描仪上设有定位模块，所述管底滚动筒的外径大于等于40mm。

进一步的，所述钢筋混凝土雨污水管段的筋混凝土雨污水管段承口通过密封橡胶圈和另一个钢筋混凝土雨污水管段的钢筋混凝土雨污水管段承口连接。

进一步的，所述钢筋混凝土雨污水管段的两端粘接有管段粘接定位标靶且所述钢筋混凝土雨污水管段的两端喷涂有管段喷涂标号。

进一步的，所述钢筋混凝土雨污水管段内设有两个透明定位球，所述透明定位球为一壁厚为5 mm的硬质塑料透明球，且外径与管底滚动筒外径相同，所述透明定位球包括定位球壁，所述定位球壁内充注体积为球内容积95%的透明液体，所述透明液体上有5%的红色气体泡。

进一步的，所述CCD成像靶块包括透光块，所述透光块的长度大于等于200mm、且中心处开设有直径不大于5mm的圆柱状透光孔，所述透光块上设有与所述圆柱状透光孔配合的CCD成像板，所述CCD成像板采集的图像可实时传输至3D激光扫描仪内并显示在其自带的彩色液晶屏幕上。

进一步的，所述钢筋混凝土雨污水管段的插口端部外表面和管段外表面均设有光纤压力传感器，所述钢筋混凝土雨污水管段的内表面设有光纤温度传感器。

本发明还提供基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置的拼装方法，包括如下步骤：

S1：将若干段钢筋混凝土雨污水管段运至施工现场材料场地，并按照施工规范放置；

S2：将管底滚动筒贴钢筋混凝土雨污水管段内壁距离底部大约20cm高处释放，使其贴内壁面自由滚动，当滚动停止后，管底滚动筒静止在钢筋混凝土雨污水管段内管底中心处，将2个透明定位球在距离管底滚动筒前端和后端约5公分距离钢筋混凝土雨污水管段底部大约15cm高处分别释放，2个透明定位球贴钢筋混凝土雨污水管段内壁面自由滚动，当滚动停止后，2个透明定位球也静止于钢筋混凝土雨污水管段内管底中心处，利用2个透明定位球上的红色气体泡，根据红色气体泡位置是否偏心有效识别球由于底部不够光滑未滚落到最低点的情况，如果未到最低点，再次在15cm高处释放定位球滚动；确认2个透明定位球已经滚动至管道内底中心最低点后，使用激光测距仪发出激光束穿过透明定位球，辅助管底滚动筒和透明定位球的对中调整，透明定位球与管底滚动筒的对中使用目视方法，调整管底滚动筒的轴心线即激光束所在位置与透明定位球顶部的红色气体泡的中心对齐，调整当中保持2个已在管底最低点的透明定位球不动，仅调整管底滚动筒；

S3：通过搬动3D激光扫描仪、移动3D激光扫描仪的云台和伸缩带标尺伸缩杆，将激光测距仪发射的激光束、2个透明定位球的球心、CCD成像靶块的圆柱状透光孔轴心调整到位于一条直线上且与CCD成像板垂直，完成3D激光扫描仪和钢筋混凝土雨污水管段的位置对中，此时，CCD成像板被激光束照射，图像实时传输至3D激光扫描仪内并显示在其自带的彩色液晶屏幕上，使用者观察后可确定对中完成；为避免透明定位球内的液体对激光束产生折射，在本步骤保持管底滚动筒不动、将透明定位球移开；

S4：对待扫描质检管段粘接管段粘接定位标靶，并喷涂管段喷涂标号，其中至少一个定位标靶位于管底滚动筒轴心的正下方的管底上，且至少一个定位标靶位于管底滚动筒轴心的正上方的管顶上；

S5：定位后，采用3D激光扫描仪对管段接口部位进行扫描得到管段三维信息；

S6：使用3D激光扫描仪上设的定位模块、激光测距仪以及标尺伸缩杆确定钢筋混凝土雨污水管段内底中心的空间坐标位置信息，并记录于扫描仪内，将管段三维信息和一一对应的管段内底中心的空间坐标位置信息导入计算机，建立管段三维电子模型数据库和管段在材料堆场内的空间位置数据库；

S7：将扫描结果与标准管段数据对比，及时剔除管口端面垂直度偏差允许值超过规范要求的不合格管段；

S8：利用BIM软件进行管段的模拟拼插连接，记录模拟拼装的管段编号和拼装次序，直至完成所有管段的拼装；

S9:根据BIM模拟拼装的结果进行现场拼装施工，施工过程中，分别监测插口端部外表面和管段外表面的光纤压力传感器的压力值，当拼接完成管段插口的端部外表面压力值过低，即密封面未压紧时应要求施工人员进行调整；当管段外表面光纤压力传感器压力值高于设定值，即为管段与基础紧密接触，反之基础可能局部未夯实或有沉降，通过监测可提高施工质量，降低漏水隐患；

S10：在施工完成后使用光纤压力传感器继续监测钢筋混凝土雨污水管段插口的端部外表面和钢筋混凝土雨污水管段外表面的压力值，当插口的端部外表面压力值过低时，可及时安排运维人员查看该位置是否有土层沉降，及时在保修期内要求施工单位无偿修复；针对用于雨水的大直径市政管线使用光纤温度传感器监测管段内的水温情况；当水温过高、高于室外气温时，为有污水违规排入雨水管网；当室外气温低（低于埋管的土壤温度，比如室外气温为10℃）且降雨量大（比如超过20mm）,而管段内表面的光纤温度传感器（地下埋设的光纤温度传感器的温度接近土壤温度）未感知温度变化，或管段内表面的光纤压力传感器未感知到压力变化时，即室外雨水口堵塞或上游管线漏水，可及时通知管理人员进行处置。

进一步的，步骤S8中具体包括：

S8.1：在BIM软件内选择两个钢筋混凝土雨污水管段，在其中一个管段的筋混凝土雨污水管段承口内放入密封橡胶圈，将另外一个管段的钢筋混凝土雨污水管段插口插入该管段的承口，完成模拟拼装；

S8.2：模拟拼装完成后，对接口纵向间距进行测距，将测距值与规范要求值进行比对，纵向间距位于规范中位值范围或小于中位值时，认为模拟拼装合格，此时记录模拟拼装的管段编号和拼装次序；当纵向间距大于规范中位值范围时，认为模拟拼装不合格，此时更换其他管段进行拼装，直至合格；

S8.3：重复步骤S8.2的操作，直至完成所有管段的拼装。

进一步的，步骤S8.1中的密封橡胶圈的尺寸由厂家提供的标准数据建模得到；或者是由现场采集得到的符合要求的密封橡胶圈，将待测试密封橡胶圈安装在标准管段的钢筋混凝土雨污水管段承口，利用3D激光扫描仪扫描检查密封橡胶圈与标准管段的承口吻合度，吻合度在允许范围内的密封橡胶圈即为符合要求的密封橡胶圈。

进一步的，步骤S8中模拟拼插连接要根据管段在材料堆场内的空间位置数据，尽可能利用距离相近的管段、易于同时运输的管段进行拼接，降低施工中的吊运工作量。

本发明的有益效果：

1、可进行3D扫描质检。利用激光3D扫描装置对管线接口部位进行扫描，与管线标准数据进行比对，发现尺寸偏差大的不合格的管道，实现进场管道的快速、精确质检。且设有管底滚动筒、透明定位球、激光测距仪、CCD成像靶块等，显著提高了激光3D扫描基准点确定的精度，进而提高了激光3D扫描的质量。

2、设有激光测距仪10、定位模块13可确定每一个接受扫描的管段的位置，在模拟拼接中考虑实际拼接管段运输方便，避免管段运输距离过远。

3、进场管道电子数据库。对扫描质检管道进行编号，采集激光3D扫描获得的数据入计算机，建立进场管道三维电子模型数据库。

4、模拟拼装，将管道三维电子模型数据库导入BIM软件，在BIM软件中进行管道模拟拼装。模拟拼装中可灵活替换各种管道，找到拼装后缝隙满足要求、且运输距离和难度较小的管线组合。

5、辅助发现基础施工的问题，现场施工中，由于基础存在高差也容易导致管段纵向接口间隙过大。通过BIM模拟拼接纵向间隙合格的管道，在现场施工中如果纵向间隙偏大，即可初步判断管线基础偏差较大。即辅助发现基础施工中存在的问题。

6、在材料库堆场采集的管段3D数字化模型稍加处理，可形成材料堆场三维数字信息库。在进行模拟拼装、调用材料时，优先利用吊运方便、运输距离近的材料，提高材料堆场的工作效率。

7、采集的管段3D数字化模型资料可作为建立后期地下管线BIM运维模型的基础。

8、提高管段拼接精度，降低生活污水和带有面源污染的雨水通过管段接口泄露的风险。

9、设有光纤压力传感器、光纤温度传感器可对管段的施工安装和运行状态进行监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置的结构示意图；

图2是CCD成像靶块的结构示意图；

图3是密封橡胶圈的结构示意图；

图4是透明定位球的结构示意图；

图中：1、钢筋混凝土雨污水管段；2、光纤温度传感器；31、钢筋混凝土雨污水管段插口；32、钢筋混凝土雨污水管段承口；4、管段粘接定位标靶；5、管段喷涂标号；6、密封橡胶圈；7、光纤压力传感器；8、3D激光扫描仪；9、管底滚动筒；10、激光测距仪；11、CCD成像靶块；111、透光块；112、CCD成像板；12、带标尺伸缩杆；13、定位模块；14、透明定位球；141、红色气体泡；142、透明液体；143、定位球壁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，根据本发明实施例所述的基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置，包括钢筋混凝土雨污水管段1，所述钢筋混凝土雨污水管段1的两端分别设有钢筋混凝土雨污水管段插口31和钢筋混凝土雨污水管段承口32，所述钢筋混凝土雨污水管段1内设有管底滚动筒9，所述管底滚动筒9的轴心处安装有激光测距仪10，所述钢筋混凝土雨污水管段1外设有带标尺伸缩杆12，所述带标尺伸缩杆12上固定有3D激光扫描仪8，所述带标尺伸缩杆12下方安装有CCD成像靶块11，所述3D激光扫描仪8上设有定位模块13，所述管底滚动筒9的外径大于等于40mm。

在一具体实施例中，所述钢筋混凝土雨污水管段1的筋混凝土雨污水管段承口32通过密封橡胶圈6和另一个钢筋混凝土雨污水管段1的钢筋混凝土雨污水管段承口32连接。

在一具体实施例中，所述钢筋混凝土雨污水管段1的两端粘接有管段粘接定位标靶4，且所述钢筋混凝土雨污水管段1的两端喷涂有管段喷涂标号5。

在一具体实施例中，所述钢筋混凝土雨污水管段1内设有两个透明定位球14，所述透明定位球14为一壁厚为5 mm的硬质塑料透明球，且外径与管底滚动筒9外径相同，所述透明定位球14包括定位球壁143，所述定位球壁143内充注体积为球内容积95%的透明液体142，所述透明液体142上有5%的红色气体泡141。

在一具体实施例中，所述CCD成像靶块11包括透光块111，所述透光块111的长度大于等于200mm、且中心处开设有直径不大于5mm的圆柱状透光孔，所述透光块111上设有与所述圆柱状透光孔配合的CCD成像板112，所述CCD成像板112采集的图像可实时传输至3D激光扫描仪8内并显示在其自带的彩色液晶屏幕上。

在一具体实施例中，所述钢筋混凝土雨污水管段1的插口端部外表面和管段外表面均设有光纤压力传感器7，所述钢筋混凝土雨污水管段1的内表面设有光纤温度传感器2。

本发明还提供基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置的拼装方法，包括如下步骤：

S1：将若干段钢筋混凝土雨污水管段1运至施工现场材料场地，并按照施工规范放置；

S2：将管底滚动筒9贴钢筋混凝土雨污水管段1内壁距离底部大约20cm高处释放，使其贴内壁面自由滚动，当滚动停止后，管底滚动筒9静止在钢筋混凝土雨污水管段1内管底中心处，将2个透明定位球14在距离管底滚动筒9前端和后端约5公分距离钢筋混凝土雨污水管段1底部大约15cm高处分别释放，2个透明定位球14贴钢筋混凝土雨污水管段1内壁面自由滚动，当滚动停止后，2个透明定位球14也静止于钢筋混凝土雨污水管段1内管底中心处，利用2个透明定位球14上的红色气体泡141，根据红色气体泡141位置是否偏心有效识别球由于底部不够光滑未滚落到最低点的情况，如果未到最低点，再次在15cm高处释放定位球滚动；确认2个透明定位球14已经滚动至管道内底中心最低点后，使用激光测距仪10发出激光束穿过透明定位球14，辅助管底滚动筒9和透明定位球14的对中调整，透明定位球14与管底滚动筒9的对中使用目视方法，调整管底滚动筒9的轴心线即激光束所在位置与透明定位球14顶部的红色气体泡141的中心对齐，调整当中保持2个已在管底最低点的透明定位球14不动，仅调整管底滚动筒9；

S3：通过搬动3D激光扫描仪8、移动3D激光扫描仪8的云台和伸缩带标尺伸缩杆12，将激光测距仪10发射的激光束、2个透明定位球14的球心、CCD成像靶块11的圆柱状透光孔轴心调整到位于一条直线上且与CCD成像板112垂直，完成3D激光扫描仪8和钢筋混凝土雨污水管段1的位置对中，此时，CCD成像板112被激光束照射，图像实时传输至3D激光扫描仪8内并显示在其自带的彩色液晶屏幕上，使用者观察后可确定对中完成；为避免透明定位球14内的液体对激光束产生折射，在本步骤保持管底滚动筒9不动、将透明定位球14移开；

S4：对待扫描质检管段粘接管段粘接定位标靶4，并喷涂管段喷涂标号5，其中至少一个定位标靶4位于管底滚动筒9轴心的正下方的管底上，且至少一个定位标靶4位于管底滚动筒9轴心的正上方的管顶上；

S5：定位后，采用3D激光扫描仪8对管段接口部位进行扫描得到管段三维信息；

S6：使用3D激光扫描仪8上设的定位模块13、激光测距仪10以及标尺伸缩杆12确定钢筋混凝土雨污水管段1内底中心的空间坐标位置信息，并记录于扫描仪内，将管段三维信息和一一对应的管段内底中心的空间坐标位置信息导入计算机，建立管段三维电子模型数据库和管段在材料堆场内的空间位置数据库；

S7：将扫描结果与标准管段数据对比，及时剔除管口端面垂直度偏差允许值超过规范要求的不合格管段；

S8：利用BIM软件进行管段的模拟拼插连接，记录模拟拼装的管段编号和拼装次序，直至完成所有管段的拼装；

S9:根据BIM模拟拼装的结果进行现场拼装施工，施工过程中，分别监测插口端部外表面和管段外表面的光纤压力传感器7的压力值，当拼接完成管段插口的端部外表面压力值过低，即密封面未压紧时应要求施工人员进行调整；当管段外表面光纤压力传感器7压力值高于设定值，即为管段与基础紧密接触，反之基础可能局部未夯实或有沉降，通过监测可提高施工质量，降低漏水隐患；

S10：在施工完成后使用光纤压力传感器7继续监测钢筋混凝土雨污水管段插口的端部外表面和钢筋混凝土雨污水管段外表面的压力值，当插口的端部外表面压力值过低时，可及时安排运维人员查看该位置是否有土层沉降，及时在保修期内要求施工单位无偿修复；针对用于雨水的大直径市政管线使用光纤温度传感器2监测管段内的水温情况；当水温过高、高于室外气温时，为有污水违规排入雨水管网；当室外气温低（低于埋管的土壤温度，比如室外气温为10℃）且降雨量大（比如超过20mm）,而管段内表面的光纤温度传感器2（地下埋设的光纤温度传感器的温度接近土壤温度）未感知温度变化，或管段内表面的光纤压力传感器7未感知到压力变化时，即室外雨水口堵塞或上游管线漏水，可及时通知管理人员进行处置。

在一具体实施例中，步骤S5中具体包括：

S8.1：在BIM软件内选择两个钢筋混凝土雨污水管段1，在其中一个管段的筋混凝土雨污水管段承口32内放入密封橡胶圈6，将另外一个管段的钢筋混凝土雨污水管段插口31插入该管段的承口，完成模拟拼装；

S8.2：模拟拼装完成后，对接口纵向间距进行测距，将测距值与规范要求值进行比对，纵向间距位于规范中位值范围或小于中位值时，认为模拟拼装合格，此时记录模拟拼装的管段编号和拼装次序；当纵向间距大于规范中位值范围时，认为模拟拼装不合格，此时更换其他管段进行拼装，直至合格；

S8.3：重复步骤S8.2的操作，直至完成所有管段的拼装。

在一具体实施例中，步骤S8.1中的密封橡胶圈6的尺寸由厂家提供的标准数据建模得到；或者是由现场采集得到的符合要求的密封橡胶圈，将待测试密封橡胶圈安装在标准管段的钢筋混凝土雨污水管段承口，利用3D激光扫描仪扫描检查密封橡胶圈与标准管段的承口吻合度，吻合度在允许范围内的密封橡胶圈即为符合要求的密封橡胶圈。

在一具体实施例中，步骤S8中模拟拼插连接要根据管段在材料堆场内的空间位置数据，尽可能利用距离相近的管段、易于同时运输的管段进行拼接，降低施工中的吊运工作量。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

根据本发明所述的基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置，包括：钢筋混凝土雨污水管段1、钢筋混凝土雨污水管段插口31、钢筋混凝土雨污水管段承口32、管段粘接定位标靶4、管段喷涂标号5、密封橡胶圈6、光纤压力传感器7、3D激光扫描仪8、管底滚动筒9、激光测距仪10、CCD成像靶块11、带标尺伸缩杆12和定位模块13。

其中，钢筋混凝土雨污水管段1均按现有技术生产符合国家标准的市政工程用钢筋混凝土管，也可为其他类型的加工精度不高的非金属管道或预制混凝土构件，比如地下混凝土管廊预制段。

钢筋混凝土雨污水管段上均有钢筋混凝土雨污水管段插口31和钢筋混凝土雨污水管段承口32各一个，在钢筋混凝土雨污水管段承口32内安装密封橡胶圈6后，将钢筋混凝土雨污水管段插口31插入钢筋混凝土雨污水管段承口32，可将两段钢筋混凝土雨污水管段连接。

每个钢筋混凝土雨污水管段上均有2个管段粘接定位标靶4和2个管段喷涂标号5，其中，管段粘接定位标靶为长方体，长度为管段长度的2%，宽度和高度为管段直径的1%，由轻质工程塑料制作，使用强力胶粘贴在,钢筋混凝土雨污水管段1的管壁靠近管口的位置，边沿与管口边沿平齐。管段粘接定位标靶4的粘接位置在钢筋混凝土雨污水管段插口31和钢筋混凝土雨污水管段承口32边上，分别各设1个，粘贴在管道顶部。在钢筋混凝土雨污水管段1的两侧沿圆周间隔180°各设一个管段喷涂标号5。在进行3D扫描时，管段粘接定位标靶4可作为管道定位基准点，管段喷涂标号5可作为管道标识。

密封橡胶圈6可在钢筋混凝土雨污水管段插口31和钢筋混凝土雨污水管段承口32之间受到挤压起到密封作用。

为检查密封橡胶圈6的尺寸，设有标准管段，标准管段为经过3D激光扫描仪8扫描后，在一批次管段内误差相对最小的管段。标准管段上也设有钢筋混凝土雨污水管段插口31和钢筋混凝土雨污水管段承口32。将密封橡胶圈6安装在标准管段的钢筋混凝土雨污水管段承口32上后，使用3D激光扫描仪扫描检查密封橡胶圈6与标准管段的承口吻合度，进而判断密封橡胶圈6的尺寸是否符合要求。

3D激光扫描仪8为大范围空间扫描仪，可对大型管道、橡胶圈或其他构件进行扫描。该扫描仪环境防护等级应达到 IP 54 级以上，并采用防侵入设计，防止泥土、灰尘、雾和雨水以及其他恶劣扫描条件下常见的户外异物侵入扫描设备，最大测量距离不小于60米。

为避免管段粘接定位标靶4粘贴的位置产生偏差，本发明还设有管底滚动筒9，管底滚动筒9为一个表面光滑的金属厚壁筒，可沿着管内壁自由滚动，在重力作用下最终停在管底与管道圆断面垂直的轴向中心线位置，形成激光扫描基准点，并可在此基准点粘贴定位标靶。管底滚动筒9的停留位置的管底滚动筒内部轴心处安装有激光测距仪10，激光测距仪10可发射可见激光束进行钢筋混凝土雨污水管段和3D激光扫描仪之间距离的测量，并将距离数据自动传输至3D激光扫描仪8内存储。

CCD成像靶块在带标尺伸缩杆12下方安装，带标尺伸缩杆12上方固定在3D激光扫描仪的旋转基座云台中心下方。

CCD成像靶块由一个中心处开有圆柱状透光孔的工程塑料透光块111和一个CCD成像板112组成。当激光测距仪10发射的激光束与CCD成像靶块11垂直对中时，激光束从圆柱状透光孔穿过工程塑料长方体照射在CCD成像板上，此时即可认为钢筋混凝土雨污水管段与3D激光扫描仪8位置对中且垂直，在此时开始激光3D扫描有利于提高激光3D扫描效果。

CCD成像板112可将视频信号传输到激光3D扫描仪的显示面板上，操作者可根据显示面板上的图像及时发现激光束照射到了CCD面板上，并及时开始进行扫描。

3D激光扫描仪8和CCD成像靶块11均自带水平仪，一直保持水平。CCD成像靶块11工作中与3D激光扫描仪的旋转基座云台始终保持平行且和水平状态下的3D激光扫描仪镜头垂直对中。

定位模块可实时记录每一次完成定位进行激光扫描的位置信息，结合激光测距仪的信息，可确定被扫描的钢筋混凝土雨污水管段的位置。在进行模拟拼接时，根据钢筋混凝土雨污水管段的位置信息，尽量采用距离相近的钢筋混凝土雨污水管段进行模拟拼接，避免在实际拼接时使用在管道物料堆场相聚较远的管段拼接而增加管道运输的工作量。

为保证模拟拼装合格的管段在实际拼装中的质量，并对管线的接口质量进行长期监测，在一个或多个钢筋混凝土雨污水管段插口的端面外表面上粘贴有片状光纤压力传感器7（不是每个管段都设），光纤可通过接口的缝隙或在现场开槽的线槽内安装。在管道拼接和后期运行时，实时观测各个位置光纤压力传感器7的压力值，压力值高于设定值的即为密封面紧密接触。压力值低于正常值的即为密封面未紧密接触，说明安装不到位或后期运行时发出基础沉降等问题。

在1钢筋混凝土雨污水管段外表面也粘贴有光纤压力传感器7，根据这个位置的光纤压力传感器7的压力情况，可实时监测管道下部基础的沉降情况和雨水管道过流情况。光纤压力传感器7压力值高于设定值的即为管段与基础紧密接触，压力跃升又下降的说明管段有污水流过。压力值低于正常值的即为密封面未紧密接触，说明安装不到位或后期运行时发出基础沉降等问题。

各个位置光纤压力传感器7的正常值可使用现有技术计算。

在个别钢筋混凝土雨污水管段1内表面安装有光纤温度传感器2，可每1公里管道设一个。光纤温度传感器2可实时测量管段内的温度，当有雨水或污水通过时，管段内的温度会发出变化，可使得管理者实时了解管段内是否有污水流过。比如，有工厂将温度较高的生产污水（比如50℃）偷排至钢筋混凝土雨污水管段1内侧光纤温度传感器可监测到污水温度变化，进而发出报警，提示管理者及时进行查处。

在雨污水管道后期的运行监测中，光纤压力传感器和光纤温度传感器的位置可以植入BIM模型，管理者基于BIM模型和光纤压力传感器和光纤温度传感器的参数即可掌握管道的状态和运行情况。

为避免筒状的管底滚动筒9滚动后静止时出现中心线与管内底中心线无法重合的现象，本发明还设有2个透明定位球14。所述透明定位球14为一壁厚为5 mm的硬质塑料透明球，外径与管底滚动筒9外径相同。空心内充注体积为球内容积95%的无色透明液体，另外5%为红色气体，在顶部形成类似水平仪内气泡的红色气体泡（141），这样的空心充注无色透明液体和红色气体的结构可高效找到球顶面的中心点且可根据气泡位置是否偏心有效识别球由于底部不够光滑未滚落到最低点的个别情况（发出这种情况后可重新进行滚动直至气泡在球静止在管底时居中）。透明定位球14内的液体可透射激光束，可使用管底滚动筒9内激光测距仪发出激光束穿过透明定位球14，辅助管底滚动筒9和透明定位球14的对中调整。正常情况下，透明定位球14可沿着管内壁自由滚动，在重力作用下最终停在管底与管道圆断面垂直的轴向中心线位置。使用时将2个透明定位球14分别放置在管底滚动筒9前端和后端进行滚动，静止后将2个透明定位球14以及管底滚动筒9调整对中，即可保证管底滚动筒9的中心线与管内底中心线重合，为激光扫描提供准确的中心基准点。

管底滚动筒9位置对中完成应进行固定，固定后可将透明定位球14移走。

钢筋混凝土雨污水管段1的数量根据工程需要确定。在钢筋混凝土雨污水管段1运抵施工现场材料场地后，应将各管段根据规范要求整齐放置（管径较小的可层叠堆放）。在堆放时，应注意提前完成管段粘接定位标靶4的粘贴和管段喷涂标号5的喷涂。并注意堆放的管道端部之间预留足够3D激光扫描仪进行扫描工作的间距。

使用3D激光扫描仪扫描管段三维信息后，将管段三维信息导入计算机的BIM软件中。首先剔除管口端面垂直度偏差允许值超过规范要求的不合格管道。之后由工程人员利用BIM软件进行管段的模拟拼插连接。在进行模拟拼插连接时，在BIM软件内选择某一钢筋混凝土雨污水管段A和另一钢筋混凝土雨污水管段B，在其中一个管段的承口内放入橡胶圈的族文件（可根据厂家提供的标准数据建模或根据现场样品采集），将另一个管段的插口插入另一官段的承口，完成模拟拼装。模拟拼装完成后，对拼装的接口进行三维检查，对接口纵向间距进行测距，与规范要求值进行比对，纵向间距大小位于规范中位值范围或小于中位值时，认为模拟拼装合格，此时记录模拟拼装的管段编号和拼装次序。当模拟拼装纵向间距大小大于规范中位值范围时，认为模拟拼装不合格，此时更换其他管段进行拼装，直至合格。2个管段的一次模拟拼装可由一个操作员一台电脑在几分钟内完成。而实际工程中，2段大型混凝土雨水管道的一次拼装往往需要专业吊装设备和4-5人班组在1小时左右完成，拼装不合格，拆开再次更换管段拼装的耗时更长。可见，BIM软件模拟拼接比实物拼接效率大大提高。

综上所述，本发明本发明能发现尺寸偏差大的不合格的管道，实现进场管道的快速、精确质检；本发明提高管段拼接精度，降低带有面源污染的雨水的无组织泄露的风险；本发明通过BIM模拟拼接纵向间隙合格的管道，在现场施工中如果纵向间隙偏大，即可初步判断管线基础偏差较大。即辅助发现基础施工中存在的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置，其特征在于，包括钢筋混凝土雨污水管段（1），所述钢筋混凝土雨污水管段（1）的两端分别设有钢筋混凝土雨污水管段插口（31）和钢筋混凝土雨污水管段承口（32），所述钢筋混凝土雨污水管段（1）内设有管底滚动筒（9），所述管底滚动筒（9）的轴心处安装有激光测距仪（10），所述钢筋混凝土雨污水管段（1）外设有带标尺伸缩杆（12），所述带标尺伸缩杆（12）上固定有3D激光扫描仪（8），所述带标尺伸缩杆（12）下方安装有CCD成像靶块（11），所述3D激光扫描仪（8）上设有定位模块（13），所述管底滚动筒（9）的外径大于等于40mm。

2.根据权利要求1所述的基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置，其特征在于，所述钢筋混凝土雨污水管段（1）的筋混凝土雨污水管段承口（32）通过密封橡胶圈（6）和另一个钢筋混凝土雨污水管段（1）的钢筋混凝土雨污水管段承口（32）连接。

3.根据权利要求2所述的基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置，其特征在于，所述钢筋混凝土雨污水管段（1）的两端粘接有管段粘接定位标靶（4）且所述钢筋混凝土雨污水管段（1）的两端喷涂有管段喷涂标号（5）。

4.根据权利要求3所述的基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置，其特征在于，所述钢筋混凝土雨污水管段（1）内设有两个透明定位球（14），所述透明定位球（14）为一壁厚为5 mm的硬质塑料透明球，且外径与管底滚动筒（9）外径相同，所述透明定位球（14）包括定位球壁（143），所述定位球壁（143）内充注体积为球内容积95%的透明液体（142），所述透明液体（142）上有5%的红色气体泡（141）。

5.根据权利要求1所述的基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置，其特征在于，所述CCD成像靶块（11）包括透光块（111），所述透光块（111）的长度大于等于200mm、且中心处开设有直径不大于5mm的圆柱状透光孔，所述透光块（111）上设有与所述圆柱状透光孔配合的CCD成像板（112），所述CCD成像板（112）采集的图像可实时传输至3D激光扫描仪（8）内并显示在其自带的彩色液晶屏幕上。

6.根据权利要求1所述的基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置，其特征在于，所述钢筋混凝土雨污水管段（1）的插口端部外表面和管段外表面均设有光纤压力传感器（7），所述钢筋混凝土雨污水管段（1）的内表面设有光纤温度传感器（2）。

7.一种如权利要求1-6任一所述的基于高精度3D扫描的大直径市政管道模拟拼装装置的拼装方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将若干段钢筋混凝土雨污水管段（1）运至施工现场材料场地，并按照施工规范放置；

S2：将管底滚动筒（9）贴钢筋混凝土雨污水管段（1）内壁距离底部大约20cm高处释放，使其贴内壁面自由滚动，当滚动停止后，管底滚动筒（9）静止在钢筋混凝土雨污水管段（1）内管底中心处，将2个透明定位球（14）在距离管底滚动筒（9）前端和后端约5公分距离钢筋混凝土雨污水管段（1）底部大约15cm高处分别释放，2个透明定位球（14）贴钢筋混凝土雨污水管段（1）内壁面自由滚动，当滚动停止后，2个透明定位球（14）也静止于钢筋混凝土雨污水管段（1）内管底中心处，利用2个透明定位球（14）上的红色气体泡（141），根据红色气体泡（141）位置是否偏心有效识别球由于底部不够光滑未滚落到最低点的情况，如果未到最低点，再次在15cm高处释放定位球滚动；确认2个透明定位球（14）已经滚动至管道内底中心最低点后，使用激光测距仪（10）发出激光束穿过透明定位球（14），辅助管底滚动筒（9）和透明定位球（14）的对中调整，透明定位球（14）与管底滚动筒（9）的对中使用目视方法，调整管底滚动筒（9）的轴心线即激光束所在位置与透明定位球（14）顶部的红色气体泡（141）的中心对齐，调整当中保持2个已在管底最低点的透明定位球（14）不动，仅调整管底滚动筒（9）；

S3：通过搬动3D激光扫描仪（8）、移动3D激光扫描仪（8）的云台和伸缩带标尺伸缩杆（12），将激光测距仪（10）发射的激光束、2个透明定位球（14）的球心、CCD成像靶块（11）的圆柱状透光孔轴心调整到位于一条直线上且与CCD成像板（112）垂直，完成3D激光扫描仪（8）和钢筋混凝土雨污水管段（1）的位置对中；此时，CCD成像板112被激光束照射，图像实时传输至3D激光扫描仪（8）内并显示在其自带的彩色液晶屏幕上，使用者观察后可确定对中完成；为避免透明定位球（14）内的液体对激光束产生折射，在本步骤可保持管底滚动筒（9）不动、将透明定位球（14）移开；

S4：对待扫描质检管段粘接管段粘接定位标靶（4），并喷涂管段喷涂标号（5），其中至少一个定位标靶（4）位于管底滚动筒（9）轴心的正下方的管底上，且至少一个定位标靶（4）位于管底滚动筒（9）轴心的正上方的管顶上；

S5：定位后，采用3D激光扫描仪（8）对管段接口部位进行扫描得到管段三维信息；

S6：使用3D激光扫描仪（8）上设的定位模块（13）、激光测距仪（10）以及标尺伸缩杆（12）确定钢筋混凝土雨污水管段（1）内底中心的空间坐标位置信息，并记录于扫描仪内，将管段三维信息和一一对应的管段内底中心的空间坐标位置信息导入计算机，建立管段三维电子模型数据库和管段在材料堆场内的空间位置数据库；

S7：将扫描结果与标准管段数据对比，及时剔除管口端面垂直度偏差允许值超过规范要求的不合格管段；

S8：利用BIM软件进行管段的模拟拼插连接，记录模拟拼装的管段编号和拼装次序，直至完成所有管段的拼装；

S9:根据BIM模拟拼装的结果进行现场拼装施工，施工过程中，分别监测插口端部外表面和管段外表面的光纤压力传感器（7）的压力值，当拼接完成管段插口的端部外表面压力值过低，即密封面未压紧时应要求施工人员进行调整；当管段外表面光纤压力传感器（7）压力值高于设定值，即为管段与基础紧密接触，反之基础可能局部未夯实或有沉降，通过监测可提高施工质量，降低漏水隐患；

S10：在施工完成后使用光纤压力传感器（7）继续监测钢筋混凝土雨污水管段插口的端部外表面和钢筋混凝土雨污水管段外表面的压力值，当插口的端部外表面压力值过低时，可及时安排运维人员查看该位置是否有土层沉降，及时在保修期内要求施工单位无偿修复；针对用于雨水的大直径市政管线使用光纤温度传感器（2）监测管段内的水温情况；当水温过高、高于室外气温时，为有污水违规排入雨水管网；当室外气温低且降雨量大,而管段内表面的光纤温度传感器（2）未感知温度变化，或管段内表面的光纤压力传感器（7）未感知到压力变化时，即室外雨水口堵塞或上游管线漏水，及时通知管理人员进行处置。

8.根据权利要求7所述的一种大直径市政管道模拟拼装装置的拼装方法，其特征在于，步骤S8中具体包括：

S8.1：在BIM软件内选择两个钢筋混凝土雨污水管段（1），在其中一个管段的筋混凝土雨污水管段承口（32）内放入密封橡胶圈（6），将另外一个管段的钢筋混凝土雨污水管段插口（31）插入该管段的承口，完成模拟拼装；

S8.2：模拟拼装完成后，对接口纵向间距进行测距，将测距值与规范要求值进行比对，纵向间距位于规范中位值范围或小于中位值时，认为模拟拼装合格，此时记录模拟拼装的管段编号和拼装次序；当纵向间距大于规范中位值范围时，认为模拟拼装不合格，此时更换其他管段进行拼装，直至合格；

S8.3：重复步骤S8.2的操作，直至完成所有管段的拼装。

9.根据权利要求8所述的一种大直径市政管道模拟拼装装置的拼装方法，其特征在于，步骤S8.1中的密封橡胶圈（6）的尺寸由厂家提供的标准数据建模得到；或者是由现场采集得到的符合要求的密封橡胶圈，将待测试密封橡胶圈安装在标准管段的钢筋混凝土雨污水管段承口，利用3D激光扫描仪扫描检查密封橡胶圈与标准管段的承口吻合度，吻合度在允许范围内的密封橡胶圈即为符合要求的密封橡胶圈。

10.根据权利要求7所述的一种大直径市政管道模拟拼装装置的拼装方法，其特征在于，步骤S8中模拟拼插连接要根据管段在材料堆场内的空间位置数据，尽可能利用距离相近的管段、易于同时运输的管段进行拼接，降低施工中的吊运工作量。