CN112304233A - 悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法 - Google Patents

悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，本发明结合BIM与三维激光扫描技术，通过先进的控制测量、高精度三维激光扫描、坐标体系预设及3D比较分析等技术精确探测施工过程中钢结构的全构件变形情况，为建筑施工提供可靠的数据保证。本发明旨在通过获取悬挑构件全尺寸几何数据来对悬挑构件进行变形分析，以解答悬挑构件在实际受力过程中是否存在非线性变形，如弯曲、扭转等变形，解决传统变形监测方法无法获取悬挑结构全构件真实变形的问题。本发明能够有效探知悬挑构件非线性变形情况，弥补现阶段对于悬挑构件安全监测的理论方法与实施方案。

Description

悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法
技术领域
本发明涉及一种悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法。
背景技术
随着社会经济快速发展，城市综合体、超高层等大型工程越来越多，钢结构建筑也越来越多，空间结构复杂多变，对建筑施工过程中的变形控制要求越来越高。这类钢结构建筑的施工，需要严格控制各构件的变形。但是，目前建筑结构施工变形监测还是以传统方法为主，使用全站仪、水准仪、卷尺等仪器在现场使用纯人工方式建立平面基准控制点、布设施工控制网，然后进行放样定位及施工变形监测。这类方法受单点测量方式和传统测量理论限制，数据无法完整描述构件几何状态，同时不考虑线性构件自身的弯曲、扭曲变形等复杂情况，仅通过悬挑末端端点变形最大值控制构件整体变形。总的来说，传统测量方法具有操作复杂、工作量大、效率低、耗时多、误差大，并且无法反映建筑结构整体变形等缺点。
为了解决这些问题，行业内开始尝试通过三维激光扫描、BIM技术等来辅助变形监测。但是，其方法在控制测量设计、点云拼接误差控制、坐标纠正误差控制以及结果分析方法上仍存在较多问题，这些问题导致分析结果的精度无法达到监测要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法。
为解决上述问题，本发明提供一种悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，包括：
步骤S1，在施工现场非主体监测且稳固的部位布设基准靶标，以来建立变形探测过程中的不变基准；
步骤S2，利用高精度三维激光扫描仪在预设位置布设扫描点位，以对悬挑钢结构构件及所述基准靶标分别进行单站绝对精度小于第一预设阈值的前次工况和后次工况的点云数据采集；
步骤S3，基于采集到的点云数据的法线特征进行全测站初始位置匹配，之后对正确的相邻测站的点云数据进行ICP精确配准拼接，通过调节ICP参数控制相邻测站的点云数据拼接误差小于第二预设阈值，以分别得到前次工况和后次工况的拼接后的点云数据；
步骤S4，从前次工况和后次工况的拼接后的点云数据中分别获取对应的前次工况和后次工况的对象主体点云数据；
步骤S5，利用所布置的基准靶标分别对前次工况和后次工况的对象主体点云数据进行坐标体系转换，以转换为统一基准坐标系；
步骤S6，计算统一基准坐标系后的前次工况和后次工况的对象主体点云数据之间的三维偏差。
进一步的，上述方法中，步骤S4，可以包括：
第一步，分别删除前次工况和后次工况的拼接后的点云数据中的大量非对象主体的冗余点云数据，以分别得到前次工况和后次工况的第一对象主体点云数据；
第二步，分别计算并删除前次工况和后次工况的第一对象主体点云数据的离群噪声点与体外孤点，以得到第二对象主体点云数据；
第三步，分别对前次工况和后次工况的第二对象主体点云数据进行基于曲率的下采样，以分别得到前次工况和后次工况的第三对象主体点云数据。
进一步的，上述方法中，所述非对象主体的冗余点云数据包括：周边环境点云和地面点云。
进一步的，上述方法中，步骤S6，包括：
第一步：对统一基准坐标系后的前次工况的对象主体点云数据进行三角格网封装，并设置三角格网封装后的对象主体点云数据为参考文件；
第二步：设置统一基准坐标系后的后次工况的对象主体点云数据为测试文件；
第三步 计算所述测试文件中的测试点云元素到参考文件的参考平面的最小距离
进一步的，上述方法中，步骤S6之后，还包括：
步骤S7，基于统一基准坐标系后的前次工况和后次工况的第三对象主体点云数据之间的三维偏差，判断所述悬挑钢结构构件是否存在非均匀线性变化。
进一步的，上述方法中，步骤S7，包括：
基于统一基准坐标系后的前次工况和后次工况的第三对象主体点云数据之间的三维偏差，对悬挑钢结构构件在长度方向上建立变形曲线，检验是否存在长度方向上的非均匀线性变化。
进一步的，上述方法中，步骤S7，包括：
基于统一基准坐标系后的前次工况和后次工况的第三对象主体点云数据之间的三维偏差，对悬挑钢结构构件在横截面方向上建立变形曲线，检验是否存在横截面方向上的非均匀线性变化。
进一步的，上述方法中，所述第一预设阈值为2mm。
进一步的，上述方法中，所述第二预设阈值为3mm。
与现有技术相比，本发明提出结合BIM与三维激光扫描技术的大型悬挑钢悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，通过先进的控制测量、高精度三维激光扫描、坐标体系预设及3D比较分析等技术精确探测施工过程中钢结构的全构件变形情况，为建筑施工提供可靠的数据保证。
本发明旨在通过获取悬挑构件全尺寸几何数据来对悬挑构件进行变形分析，以解答悬挑构件在实际受力过程中是否存在非线性变形，如弯曲、扭转等变形，解决传统变形监测方法无法获取悬挑结构全构件真实变形的问题。
本发明能够有效探知悬挑构件非线性变形情况，弥补现阶段对于悬挑构件安全监测的理论方法与实施方案。
附图说明
图1是本发明一实施例的悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法的流程图；
图2是本发明一实施例的具体实施方式与实施过程；
图3是本发明一实施例的结果对比图。
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1～3所示，本发明提供一种悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，包括：
步骤S1，统一基准设置：在施工现场非主体监测且稳固的部位布设基准靶标，以来建立变形探测过程中的不变基准；
在此，可以对所测悬挑钢结构项目进行资料收集，借助图纸理解建筑主体悬挑部位的尺寸、变形限值、预起拱技术方案等信息；
可以利用一种可粘贴的油性防水平面靶标(A4纸尺寸)作为基准靶标，在悬挑钢结构部位周边的稳固混凝土基础、控制测量水泥墩等位置均匀张贴7个平面靶标；
步骤S2，高精度三维点云采集：利用高精度三维激光扫描仪在预设位置布设扫描点位，以对悬挑钢结构构件及所述基准靶标分别进行单站绝对精度小于2mm的前次工况和后次工况的点云数据采集；
在此，可以利用Z+F 5010C三维激光扫描仪，采用参数设置(分辨率-superhigh、质量-high、i-scan内置相机)对悬挑部位进行点云数据采集；
步骤S3，点云拼接：基于采集到的点云数据的法线特征进行全测站初始位置匹配，之后对正确的相邻测站的点云数据进行ICP精确配准拼接，通过调节ICP参数控制相邻测站的点云数据拼接误差小于3mm，以分别得到前次工况和后次工况的拼接后的点云数据；
在此，对步骤S2采集的多站点云数据利用JRC Reconstructor3.4.0软件进行拼接，ICP拼接收敛设置为3mm；
步骤S4，点云数据质量提升：从前次工况和后次工况的拼接后的点云数据中分别获取对应的前次工况和后次工况的对象主体点云数据；
优选的，步骤S4，可以包括：
第一步，分别删除前次工况和后次工况的拼接后的点云数据中的大量非对象主体的冗余点云数据，以分别得到前次工况和后次工况的第一对象主体点云数据，其中，非对象主体的冗余点云数据如周边环境点云、地面点云等；
第二步，分别计算并删除前次工况和后次工况的第一对象主体点云数据的离群噪声点与体外孤点，以得到第二对象主体点云数据；
第三步，分别对前次工况和后次工况的第二对象主体点云数据进行基于曲率的下采样，以分别得到前次工况和后次工况的第三对象主体点云数据；
在此，可以对步骤S3拼接完成后的整体点云所述进行数据质量提升可以，利用Autodesk Recap、Geomagic Studio等工具对整体点云的非对象噪声、主体对象体外孤点以及非连接点噪声进行选择并删除；并进行基于曲率的下采样轻量化处理；
步骤S5，坐标体系转换：利用所布置的基准靶标分别对前次工况和后次工况的对象主体点云数据进行坐标体系转换，以转换为统一基准坐标系；
在此，从第一次采集并处理完成的对象主体点云数据中提起步骤S1所布设的7个基准靶标的位置坐标，并作为控制点坐标对后续历次的对象主体点云数据进行坐标变换；
步骤S6，悬挑构件变形计算：计算统一基准坐标系后的前次工况和后次工况的对象主体点云数据之间的三维偏差；
在此，可以在Geomagic Qualify中对前、后历次经过坐标变换的对象主体点云数据进行三维偏差分析，以前次对象主体点云数据为参考，后次对象主体点云数据为测试文件；
优选的，步骤S6，包括：
第一步：对统一基准坐标系后的前次工况(或前次扫描)的对象主体点云数据进行三角格网封装，并设置三角格网封装后的对象主体点云数据为参考文件；
第二步：设置统一基准坐标系后的后次工况(或后次扫描)的对象主体点云数据为测试文件；
第三步 计算所述测试文件中的测试点云元素到参考文件的参考平面的最小距离；
优选的，步骤S6之后，还可以包括：
步骤S7，悬挑构件真实变形分析：基于统一基准坐标系后的前次工况和后次工况的第三对象主体点云数据之间的三维偏差，判断所述悬挑钢结构构件是否存在非均匀线性变化；
优选的，步骤S7，可以包括：
基于统一基准坐标系后的前次工况和后次工况的第三对象主体点云数据之间的三维偏差，对悬挑钢结构构件在长度方向上建立变形曲线，检验是否存在长度方向上的非均匀线性变化(挠度变形)；
基于统一基准坐标系后的前次工况和后次工况的第三对象主体点云数据之间的三维偏差，对悬挑钢结构构件在横截面方向上建立变形曲线，检验是否存在横截面方向上的非均匀线性变化(扭转变形)。
在此，以步骤S6的结果为基础，在Geomagic Qualify中对特定悬挑梁构件在长度和横截面方向上分别提取二维偏差结果，其中二维切片厚度设置为1c m，偏差超限色谱值设备5mm。
本发明对某在建大型钢结构工程项目进行实际实施，对其典型悬挑钢结构部位进行了偏差探测，本发明实施例结果与传统监测手段获取的变形结果进行比较，结果如图3所示。
综上所述，本发明提出结合BIM与三维激光扫描技术的大型悬挑钢悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，通过先进的控制测量、高精度三维激光扫描、坐标体系预设及3D比较分析等技术精确探测施工过程中钢结构的全构件变形情况，为建筑施工提供可靠的数据保证。
本发明旨在通过获取悬挑构件全尺寸几何数据来对悬挑构件进行变形分析，以解答悬挑构件在实际受力过程中是否存在非线性变形，如弯曲、扭转等变形，解决传统变形监测方法无法获取悬挑结构全构件真实变形的问题。
本发明能够有效探知悬挑构件非线性变形情况，弥补现阶段对于悬挑构件安全监测的理论方法与实施方案。
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 (9)

1.一种悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，其特征在于，包括：
步骤S1，在施工现场非主体监测且稳固的部位布设基准靶标，以来建立变形探测过程中的不变基准；
步骤S2，利用高精度三维激光扫描仪在预设位置布设扫描点位，以对悬挑钢结构构件及所述基准靶标分别进行单站绝对精度小于第一预设阈值的前次工况和后次工况的点云数据采集；
步骤S3，基于采集到的点云数据的法线特征进行全测站初始位置匹配，之后对正确的相邻测站的点云数据进行ICP精确配准拼接，通过调节ICP参数控制相邻测站的点云数据拼接误差小于第二预设阈值，以分别得到前次工况和后次工况的拼接后的点云数据；
步骤S4，从前次工况和后次工况的拼接后的点云数据中分别获取对应的前次工况和后次工况的对象主体点云数据；
步骤S5，利用所布置的基准靶标分别对前次工况和后次工况的对象主体点云数据进行坐标体系转换，以转换为统一基准坐标系；
步骤S6，计算统一基准坐标系后的前次工况和后次工况的对象主体点云数据之间的三维偏差。
2.如权利要求1所述的悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，其特征在于，步骤S4，可以包括：
第一步，分别删除前次工况和后次工况的拼接后的点云数据中的大量非对象主体的冗余点云数据，以分别得到前次工况和后次工况的第一对象主体点云数据；
第二步，分别计算并删除前次工况和后次工况的第一对象主体点云数据的离群噪声点与体外孤点，以得到第二对象主体点云数据；
第三步，分别对前次工况和后次工况的第二对象主体点云数据进行基于曲率的下采样，以分别得到前次工况和后次工况的第三对象主体点云数据。
3.如权利要求2所述的悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，其特征在于，所述非对象主体的冗余点云数据包括：周边环境点云和地面点云。
4.如权利要求1所述的悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，其特征在于，步骤S6，包括：
第一步：对统一基准坐标系后的前次工况的对象主体点云数据进行三角格网封装，并设置三角格网封装后的对象主体点云数据为参考文件；
第二步：设置统一基准坐标系后的后次工况的对象主体点云数据为测试文件；
第三步 计算所述测试文件中的测试点云元素到参考文件的参考平面的最小距离。
5.如权利要求1所述的悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，其特征在于，步骤S6之后，还包括：
步骤S7，基于统一基准坐标系后的前次工况和后次工况的第三对象主体点云数据之间的三维偏差，判断所述悬挑钢结构构件是否存在非均匀线性变化。
6.如权利要求5所述的悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，其特征在于，步骤S7，包括：
基于统一基准坐标系后的前次工况和后次工况的第三对象主体点云数据之间的三维偏差，对悬挑钢结构构件在长度方向上建立变形曲线，检验是否存在长度方向上的非均匀线性变化。
7.如权利要求5所述的悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，其特征在于，步骤S7，包括：
基于统一基准坐标系后的前次工况和后次工况的第三对象主体点云数据之间的三维偏差，对悬挑钢结构构件在横截面方向上建立变形曲线，检验是否存在横截面方向上的非均匀线性变化。
8.如权利要求1所述的悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，其特征在于，所述第一预设阈值为2mm。
9.如权利要求1所述的悬挑钢结构构件施工过程变形探测方法，其特征在于，所述第二预设阈值为3mm。
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