CN110424479B - 一种基于三维激光扫描的建筑物纠偏系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于三维激光扫描的建筑物纠偏系统和方法。该纠偏系统具体包括控制单元、三维激光扫描设备、顶升设备和监测设备；利用三维激光扫描设备扫描刻画出包含倾斜建筑物各边线和各角点的三维模型，并将外边线作为追踪线，铅垂线作为参考线，在三维坐标系统中，计算出每条边线与参考线之间的夹角和该边线顶部角点的基础沉降值；取最大夹角值的1/10作为第一次顶升目标，计算出对应变形顶部角点所需高度变化量即千斤顶的最大顶升量，通过似三角形原则计算出其它每个千斤顶第一次的顶升量，通过PLC主站给顶升施工系统控制站发布指令进行顶升纠偏工作。本发明提高了建筑物纠偏施工的科学性、准确性，使得纠偏可靠度更高、纠偏质量更好。
Description
技术领域
本发明涉及建筑物纠偏加固工程技术领域，具体的是一种基于三维激光扫描的建筑物纠偏系统和方法。
背景技术
随着我国城市建设的快速发展，部分建筑物由于设计、施工或者外部干扰等原因在建筑结构上发生倾斜，严重影响建筑正常使用的现象明显増多，对此我们应及时提出合理可行的纠偏顶升方案，尽快将建筑物纠偏扶正。在实际工作中只有在查明建筑物倾斜原因的基础上选择相应的纠偏顶升技术，才能达到既节约投资又安全可靠的目的。
目前常用的倾斜纠偏措施为顶升纠偏，即在建筑物基础沉降大的部位，采用千斤顶顶升的办法，通过调整建筑物各部位的沉降量来达到纠偏的目的。传统的顶升纠偏是在基础框架梁底部设置千斤顶，由原地基提供反力，通过千斤顶的顶升来调整水平位置，顶升后的空隙用砖砌体或楔形铁块妥善连接，达到纠偏的目的。这种方法需要在顶升过程中安装砖砌体或楔形铁块，并且安装精度要求比较髙，施工过程中不能保证建筑物的绝对安全靠，对大型建筑而言容易造成变形并影响纠偏精度。此外，传统方法的纠偏可控性差，纠偏效果有待提高。
发明内容
为克服现有技术中不足之处，本发明提供了一种基于三维激光扫描的建筑物纠偏系统和方法，采用三维激光扫描可以解决现有建筑物顶升纠偏施工过程中出现的顶升纠偏效果不佳、施工繁琐、甚至可能损伤建筑物、破坏建筑物原有结构的不足的问题。
为了解决上述问题，本发明提供的技术方案：所述一种基于三维激光扫描的建筑物纠偏系统，其特征在于：该纠偏系统包括控制单元、三维激光扫描设备、顶升设备和监测设备；
所述三维激光扫描设备，安装在待纠偏建筑物的施工现场，通过三维激光进行扫描，以获取待纠偏建筑物内部的点云数据，刻画出包含倾斜建筑物各边线和各角点的三维模型；
所述顶升设备，包括多个安装在待纠偏建筑物的基座下方的千斤顶；
所述监测设备包括安装在每个千斤顶与待纠偏建筑物的基座接触的位置位移传感器和安装在每个千斤顶的底部的压力传感器，多个位移传感器、压力传感器、三维激光扫描设备的信号输出端与控制单元的信号输入端连接，控制单元的信号输出端与顶升设备的控制端连接，利用多个位移传感器传输的数据确定千斤顶的每次抬升行程高度以及建筑物纠偏过程中建筑基础的运动轨迹；并通过多个压力传感器监测建筑基础内力变化。
本发明较优的技术方案：所述控制单元包括PLC集中控制站、顶升设备控制站和三维激光扫描计算站，顶升设备控制站和三维激光扫描计算站分别通过数据线对三维激光扫描设备、顶升设备和监测设备进行通讯和指令， PLC集中控制站与顶升设备控制站和三维激光扫描计算站通过信号连接。
本发明较优的技术方案：所述顶升设备中的千斤顶数量根据以下公式 (1)进行计算：
式中，N-千斤顶理论数量；Fn-建筑物基础承担的荷载；k-顶升安全系数； Qt-千斤顶抬升力。
本发明提供的一种基于三维激光扫描的建筑物纠偏方法，其特征在于该纠偏方法采用权利要求3中的建筑物纠偏系统进行纠偏，具体步骤如下：
(1)利用三维激光扫描设备扫描倾斜建筑物外轮廓，刻画出包含倾斜建筑物各边线和各角点的三维模型；
(2)利用三维激光扫描设备拾取出竖向上建筑物模型的外边线，并将之作为追踪线，且将铅垂线作为参考线，在三维坐标系统中，以建筑物模型外边线的底部角点b为基准点，建筑物外边线长度L固定不变，可得到每条外边线发生偏移后，其顶部角点a相对于底部角点b在铅垂线Z方向上的高度ha-b，按照公式
计算出每条边线与参考线之间的夹角θ，并按照公式H＝L-ha-b计算每条边线顶部角点a的基础沉降值H；
(3)根据步骤(2)计算的每条建筑物外边线与参考线之间的夹角值选出最大的夹角值θ以及该夹角值对应的外边线顶部角点的基础沉降值H，并取
作为第一次顶升目标，其第一次顶升纠偏后其建筑物外边线与参考线之间的最大倾斜夹角为
并根据公式
可计算得出第一次顶升后该倾斜角度下的外边线顶部角点a相对于角点b在铅垂线Z方向上的新的高度ha-b’，并按照公式H/＝L-ha-b’计算出纠偏后该边线顶部角点a 的基础沉降值H/，则得到该边线顶部角点a所需高度变化量ΔH＝H-H/，即某一千斤顶的最大顶升量。
(4)确定千斤顶数量以及千斤顶的布设，其千斤顶的数量按照根据公式(1)进行计算：
式中，N-千斤顶理论数量；Fn-建筑物基础承担的荷载；k-顶升安全系数； Qt-千斤顶抬升力；
计算好千斤顶数量之后，按照设计图纸布设千斤顶，其千斤顶安装在待纠偏建筑物的基座下方，并与偏建筑物的中轴线对称分布，在每个千斤顶与建筑物基座接触的位置安装有位移传感器，并在每个前千斤顶底部安装有压力传感器；
(5)以步骤(2)与参考线之间的夹角值最大的建筑物外边线所对应的基础部位作为最大顶升部位，该部位的千斤顶顶升值采用步骤(3)中计算的最大顶升值，假设建筑物地基是刚体结构，根据相似三角形原则，可以计算出其它每个千斤顶第一次的顶升量，并通过PLC主站给顶升施工系统控制站发布指令，输入各千斤顶所需顶升量开始第一次顶升纠偏工作，并在纠偏过程中通过每个千斤顶上的位移传感器进行顶升监控，同时通过压力传感器进行应力监控；
(6)第一次纠偏完成后，重复步骤(1)～(5)，三维激光扫描设备将第一次纠偏后的建筑物的追踪线再与参考线对比，读出新的夹角，系统将其转化为顶升指令传达给顶升施工系统控制站，同时对监测数据进行分析处理，如此反复，直到追踪线与参考线的夹角θ满足要求，整个自动纠偏过程结束。
本发明较优的技术方案：所述步骤(5)在顶升过程中，其位移传感器和压力传感器监测数据通过数据线在PLC主站汇总，利用采集的监测数据，及时绘制应力、应变曲线图，应力σ与应变ε满足σ＝E·ε，其中E是常数，为弹性模量；若采集到的位移或应力值均未超过限定允许值，则可以进行下一步，若采集到的位移或应力值有一方超过限定允许值，则停止顶升，调整顶升方案，待问题解决后再次进行顶升纠偏。
本发明较优的技术方案：所述步骤(4)中在进行千斤顶安装之前，先针对建筑物的基础进行加固并施工扩大承台，具体是先将建筑物进行保护，并在原基础侧面凿毛，焊接受力主筋、水平植筋，施工新的承台，其新的承台外挑基础0.5～1.5m宽；所述多个千斤顶安装在扩大承台的底部。
本发明通过PLC主站对抬升过程中构件的应力应变情况进行实时监测，防止抬升过程中局部结构应力集中，导致结构突然破坏，或局部发生开裂，并及时了解抬升过程中结构整体受力状况，以及时调整抬升方案，解决问题后开始进行下一步纠偏。
本发明中三维激光扫描设备可采用常规的三维激光扫描设备，可以设置有多台扫描仪同时进行多方位多角度的扫描。
本发明利用近年出现的新技术三维激光扫描技术解决现有建筑物顶升纠偏施工过程中出现的顶升纠偏效果不佳、施工繁琐、甚至可能损伤建筑物、破坏建筑物原有结构的不足的问题，提高建筑物纠偏施工的科学性、准确性，使得纠偏可靠度更高、纠偏质量更好；同时通过施工监测系统的建立，跟踪施工过程并获取建筑物结构的真实状态，不仅保证施工控制预测的可靠性，同时又是一个安全警报系统，可及时发现和避免建筑物在施工过程中出现超出合理范畴导致结构破坏的现象，为建筑物的维护和运营提供数据资料。
附图说明
图1是本发明的纠偏结构示意图；
图2是本发明的控制原理图；
图中：1—建筑物三维模型，2—建筑物外边线，3—建筑物外边线与铅垂线的夹角，4—铅垂线，5—建筑物基础，6—千斤顶，7—顶升设备控制站，8—三维激光扫描设备，9—PLC主站，10—三维激光扫描计算站，11 —位移传感器，12—压力传感器，13—数据线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1和图2均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中提供的一种基于三维激光扫描的建筑物纠偏系统，如图1所示，包括控制单元、三维激光扫描设备8、顶升设备和监测设备；所述控制单元包括PLC主站9、顶升设备控制站7和三维激光扫描计算站10，PLC 主站作为集中控制站，与顶升设备控制站、三维激光扫描计算站以及检测设备进行通讯和指令，顶升设备控制站和三维激光扫描计算站分别与三维激光扫描设备8和顶升设进行通讯和指令。所述三维激光扫描设备，包括一台或多台三维扫描仪，安装在待纠偏建筑物的施工现场，通过三维激光进行扫描，以获取待纠偏建筑物内部的点云数据，刻画出包含倾斜建筑物各边线和各角点的三维模型；所述顶升设备，包括多个安装在待纠偏建筑物的基座下方的千斤顶，其安装方式与现有的千斤顶纠偏方法安装方式相同。所述监测设备包括安装在每个千斤顶与待纠偏建筑物的基座接触的位置位移传感器和安装在每个千斤顶的底部的压力传感器，多个位移传感器和压力传感器的信号输出端与PLC主站9的信号输入端连接，利用多个位移传感器传输的数据确定千斤顶的每次抬升行程高度以及建筑物纠偏过程中建筑基础的运动轨迹；并通过多个压力传感器监测建筑基础内力变化。
本发明中的三维激光扫描技术是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。目前建筑物纠偏加固施工过程中，为随时掌握和控制纠偏速率，常需要固定的观测人员利用固定的水准仪等观测仪器设备站在固定观测点测量，每天进行5～6次信息收集和反馈，因此，将三维激光扫描技术应用于建筑物纠偏加固工程领域，提高纠偏的可靠度、纠偏质量，对工程实施具有十分重要的意义。
下面结合实施例对本发明的纠偏过程进一步说明，实施例针对某建筑进行纠偏，该建筑物为某水塔水箱，其有效容积50m3，有效高度40m，采用圆形桩筏基础。在近3年时间里该水塔顶部倾斜观测值从129.8mm逐渐增大到273.0mm，倾斜方向接近北偏东60度，倾斜率达到8.0‰。水塔东侧下沉较快导致水塔向东(北)方向累计倾斜变形的趋势加剧，存在向东北倾倒的可能性，非常危险，必须得纠偏加固。为了确保其纠偏效果，发明人使用上述基于三维激光扫描的建筑物纠偏系统进对某建筑物进行纠偏，同时进行智能位移监测-应力控制系统，在进行纠偏之前针对该建筑的基础进行施换加固，其具体加固方案如下：
(1)在水塔的西南侧施工3个竖向锚索，斜拉塔身；在东北侧施工1 个竖向锚索，斜拉塔身，并对水塔进行全面保护；
(2)在原基础侧面凿毛，焊接受力主筋、水平植筋，施工新的承台外挑基础0.8m宽，高0.9m；
(3)填基坑基槽，分层碾压，并对东北侧进行高压旋喷桩施工，桩中心距500mm，桩长6～8m，加固地基土，封闭基础与土体间的空隙，恢复地坪。
在上述基础加固方案(1)～(2)步施工完成之后，开始进行纠偏工作，纠偏结束后进行加固方案(3)步施工，其中纠偏工作的具体施工步骤如下：
(1)利用三维激光扫描计算站扫描倾斜建筑物外轮廓，刻画出包含倾斜建筑物各边线和各角点的三维模型；
(2)利用三维激光扫描计算站拾取出竖向上建筑物模型的外边线，并将之作为追踪线，且将重力方向(铅垂线)作为参考线，在三维坐标系统中计算出各追踪线与参考线之间的夹角θ和各角点的基础沉降值H；其中各追踪线与参考线之间的夹角θ以及各角点的基础沉降值H计算过程具体如下：
在三维坐标系统中，以建筑物模型外边线的底部角点b为基准点，建筑物外边线长度L固定不变，可得到每条外边线发生偏移后，其顶部角点a 相对于底部角点b在铅垂线Z方向上的高度ha-b，按照公式
计算出每条边线与参考线之间的夹角θ；并按照公式H＝L-ha-b计算每条边线顶部角点a的基础沉降值H；
(3)根据步骤(2)计算的每条建筑物外边线与参考线之间的夹角值选出最大的夹角值θ以及该夹角值对应的外边线顶部角点的基础沉降值 H，并取
作为第一次顶升目标，其第一次顶升纠偏后其建筑物外边线与参考线之间的最大倾斜夹角为
并根据公式
可计算得出第一次顶升后该倾斜角度下的外边线顶部角点a相对于角点b在铅垂线Z 方向上的新的高度ha-b’，并按照公式H/＝L-ha-b’计算出纠偏后该边线顶部角点a的基础沉降值H/，则得到该边线顶部角点a所需高度变化量ΔH＝H-H/ ，即某一千斤顶的最大顶升量。
(4)确定千斤顶数量以及千斤顶的布设，根据以下公式计算出千斤顶的理论数量为16台：
式中，N-千斤顶理论数量；Fn-建筑物基础承担的荷载；k-顶升安全系数； Qt-千斤顶抬升力；并将16台千斤顶安装在扩大的基础承台下方，并以建筑物中轴线对称分布，每台千斤顶与建筑物基础接触部位安装有位移传感器，千斤顶底部安装有压力传感器；
(5)以步骤(2)与参考线之间的夹角值最大的建筑物外边线所对应的基础部位作为最大顶升部位，该部位的千斤顶顶升值采用步骤(3)中计算的最大顶升值，假设建筑物地基是刚体结构，根据相似三角形原则，可以计算出其它每个千斤顶第一次的顶升量，并通过PLC主站给顶升施工系统控制站发布指令，输入各千斤顶所需顶升量开始第一次顶升纠偏工作；在顶升过程中，其位移传感器和压力传感器监测数据通过数据线在PLC主站汇总，利用采集的监测数据，及时绘制应力、应变曲线图，应力σ与应变ε满足σ＝E·ε，其中E是常数，为弹性模量；若采集到的位移或应力值均未超过限定允许值，则可以进行下一步，若采集到的位移或应力值有一方超过限定允许值，则停止顶升，调整顶升方案，待问题解决后再次进行顶升纠偏；
(6)第一次纠偏完成后，重复步骤(1)～(5)，三维激光扫描设备将第一次纠偏后的建筑物的追踪线再与参考线对比，读出新的夹角，系统将其转化为顶升指令传达给顶升施工系统控制站，同时对监测数据进行分析处理，如此反复，直到连续90日观测，水塔倾斜率稳定，且满足施工图中水塔倾斜率的验收标准(＜3‰，)，整个自动纠偏过程结束。
以上所述仅为本发明的具体实施方案的详细描述，并不以此限制本发明，凡在本发明的设计思路上所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于三维激光扫描的建筑物纠偏方法，其特征在于该纠偏方法采用建筑物纠偏系统进行纠偏，所述建筑物纠偏系统包括控制单元、三维激光扫描设备、顶升设备和监测设备；
所述三维激光扫描设备，安装在待纠偏建筑物的施工现场，通过三维激光进行扫描，以获取待纠偏建筑物内部的点云数据，刻画出包含倾斜建筑物各边线和各角点的三维模型；
所述顶升设备，包括多个安装在待纠偏建筑物的基座下方的千斤顶；所述顶升设备中的千斤顶数量根据以下公式(1)进行计算：
式中，N-千斤顶理论数量；Fn-建筑物基础承担的荷载；k-顶升安全系数；Qt-千斤顶抬升力；
所述监测设备包括安装在每个千斤顶与待纠偏建筑物的基座接触位置处的位移传感器和安装在每个千斤顶的底部的压力传感器，多个位移传感器、压力传感器、三维激光扫描设备的信号输出端与控制单元的信号输入端连接，控制单元的信号输出端与顶升设备的控制端连接，利用多个位移传感器传输的数据确定千斤顶的每次抬升行程高度以及建筑物纠偏过程中建筑基础的运动轨迹；并通过多个压力传感器监测建筑基础内力变化；
所述纠偏方法的具体步骤如下：
(1)利用三维激光扫描设备扫描倾斜建筑物外轮廓，刻画出包含倾斜建筑物各边线和各角点的三维模型；
(2)利用三维激光扫描设备拾取出竖向上建筑物模型的外边线，并将之作为追踪线，且将铅垂线作为参考线，在三维坐标系统中，以建筑物模型外边线的底部角点b为基准点，建筑物外边线长度L固定不变，得到每条外边线发生偏移后，其顶部角点a相对于底部角点b在铅垂线Z方向上的高度ha-b，按照公式
计算出每条边线与参考线之间的夹角θ，并按照公式H＝L-ha-b计算每条边线顶部角点a的基础沉降值H；
(3)根据步骤(2)计算的每条建筑物外边线与参考线之间的夹角值选出最大的夹角值θ以及该夹角值对应的外边线顶部角点的基础沉降值H，并取
作为第一次顶升目标，其第一次顶升纠偏后其建筑物外边线与参考线之间的最大倾斜夹角为
并根据公式
计算得出第一次顶升后该倾斜角度下的外边线顶部角点a相对于角点b在铅垂线Z方向上的新的高度ha-b’，并按照公式H/＝L-ha-b’计算出纠偏后该边线顶部角点a的基础沉降值H/，则得到该边线顶部角点a所需高度变化量ΔH＝H-H/，即某一千斤顶的最大顶升量；
(4)确定千斤顶数量以及千斤顶的布设，其千斤顶的数量根据公式(1)进行计算；计算好千斤顶数量之后，按照设计图纸布设千斤顶，其千斤顶安装在待纠偏建筑物的基座下方，并以建筑物的中轴线对称分布，在每个千斤顶与建筑物基座接触的位置安装有位移传感器，并在每个千斤顶底部安装有压力传感器；
(5)以步骤(2)与参考线之间的夹角值最大的建筑物外边线所对应的基础部位作为最大顶升部位，该部位的千斤顶顶升值采用步骤(3)中计算的最大顶升值，假设建筑物地基是刚体结构，根据相似三角形原则，计算出其它每个千斤顶第一次的顶升量，并通过PLC集中控制站给顶升设备控制站发布指令，输入各千斤顶所需顶升量开始第一次顶升纠偏工作，并在纠偏过程中通过每个千斤顶上的位移传感器进行顶升监控，同时通过压力传感器进行应力监控；
(6)第一次纠偏完成后，重复步骤(1)～(5)，三维激光扫描设备将第一次纠偏后的建筑物的追踪线再与参考线对比，读出新的夹角，系统将其转化为顶升指令传达给顶升设备控制站，同时对监测数据进行分析处理，如此反复，直到追踪线与参考线的夹角θ满足要求，整个自动纠偏过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的建筑物纠偏方法，其特征在于：所述控制单元包括PLC集中控制站、顶升设备控制站和三维激光扫描计算站，顶升设备控制站和三维激光扫描计算站分别通过数据线对三维激光扫描设备、顶升设备和监测设备进行通讯和指令，PLC集中控制站与顶升设备控制站和三维激光扫描计算站通过信号连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于三维激光扫描的建筑物纠偏方法，其特征在于：所述步骤(5)在顶升过程中，其位移传感器和压力传感器监测数据通过数据线在PLC集中控制站汇总，利用采集的监测数据，及时绘制应力、应变曲线图，应力σ与应变ε满足σ＝E·ε，其中E是常数，为弹性模量；若采集到的位移或应力值均未超过限定允许值，则进行下一步，若采集到的位移或应力值有一方超过限定允许值，则停止顶升，调整顶升方案，待问题解决后再次进行顶升纠偏。
4.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的建筑物纠偏方法，其特征在于：所述步骤(4)中在进行千斤顶安装之前，先针对建筑物的基础进行加固并施工扩大承台，具体是先将建筑物进行保护，并在原基础侧面凿毛，焊接受力主筋、水平植筋，施工新的承台，其新的承台外挑基础0.5～1.5m宽；多个所述千斤顶安装在扩大承台的底部。
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