CN113048956B

CN113048956B - 一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法及系统

Info

Publication number: CN113048956B
Application number: CN202110242766.0A
Authority: CN
Inventors: 张健; 杨伟; 王雷; 刘大伟; 李白; 康清明; 马高峰; 唐新权; 杨世杰; 黄韬睿; 李文德
Original assignee: China Railway Construction Corp International Ltd
Current assignee: China Railway Construction Corp International Ltd
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2041-03-05
Also published as: WO2022183650A1; CN113048956A

Abstract

本发明提供了一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法及系统，该方法包括：获取钢结构的施工图模型；在第一时刻对钢结构进行三维扫描以确定第一时刻点云数据；在第二时刻对钢结构进行三维扫描以确定第二时刻点云数据，其中，第二时刻在第一时刻之后；针对钢结构的设定部位确定第一时刻点云数据与施工图模型之间的第一位型差；针对钢结构的设定部位确定第二时刻点云数据与施工图模型之间的第二位型差；根据第一位型差和第二位型差确定第一时刻与第二时刻之间的位型差值；比较位型差值与预设位型差限值以判断是否超限。本发明提供的监测方法可监测钢结构任意点位的位型变化，监测精度高，无需高空作业，且人力投入少、设备成本低。

Description

一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法及系统

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，具体涉及一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法及系统。

背景技术

在大型体育场的施工过程中，钢结构临时支撑塔架的卸载是最重要的环节之一，操作流程多、技术难度大和施工风险高，卸载结果将很大程度上决定后续的施工精度和结构整体的安全性。卸载过程中，传统的全站仪监测法和应力计监测法往往只能实现对目标的单点监测，效率较低且误差较大。大型体育场结构复杂，监控点多达数百个，依靠传统的监测方式难以实现对大量点位的快速有效测量。在卸载应变的检测方面，利用全站仪的监测方法必须在构件进行贴片或放置观测棱镜，作业危险系数高，且随着观测距离的增大，监测精度往往难以满足要求，甚至需要多次测量。实际工程中，经常出现因监测方法采用不当而导致卸载失败的案例。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提出了基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法及系统。

本发明第一方面提供一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法，其包括：

获取钢结构的施工图模型；

在第一时刻对所述钢结构进行三维扫描以确定第一时刻点云数据；

在第二时刻对所述钢结构进行三维扫描以确定第二时刻点云数据，其中，所述第二时刻在所述第一时刻之后；

针对所述钢结构的设定部位确定所述第一时刻点云数据与所述施工图模型之间的第一位型差；

针对所述钢结构的所述设定部位确定所述第二时刻点云数据与所述施工图模型之间的第二位型差；

根据所述第一位型差和所述第二位型差确定所述钢结构的所述设定部位的所述第一时刻与所述第二时刻之间的位型差值；

比较所述位型差值与预设位型差限值以判断是否超限。

进一步地，所述第一时刻点云数据和所述第二时刻点云数据的确定过程包括：

处理，包括：在软件中导入棋盘板三维坐标，应用包括边缘伪像过滤器的软件过滤器进行过滤处理；

配准，包括：运用公共参考点，利用所述软件将各三维扫描数据进行拼接；同时，选用基于俯视图和云对云的配准方式，选择应用倾角仪选项，取消应用罗盘传感器选项；

点云生成，包括：选择去除重复点选项，利用所述软件生成点云数据，针对所述设定部位进行裁剪，导出预设格式的点云数据。

进一步地，所述预设位型差限值的确定过程包括：

建立所述钢结构的各施工阶段的BIM模型，包括所述第一时刻的BIM模型、所述第二时刻的BIM模型以及其它各施工阶段的BIM模型；

确定所述钢结构的所述第一时刻的BIM模型和所述第二时刻的BIM模型之间的理论位型差，确定所述理论位型差为所述位型差限值。

进一步地，在确定所述第一时刻点云数据之后，还包括：将所述第一时刻点云数据与所述第一时刻的BIM模型的理论位型进行对比，判断是否具备施工条件。

进一步地，还包括：

在所述第一时刻和所述第二时刻之间的施工过程中，采用全站仪和/或应力监测仪对所述钢结构的所述设定部位进行监测以得到仪器测量值，将所述仪器测量值与相应施工阶段的BIM模型的理论位型和/或理论应力值进行对比以判断是否超限；

当判断为超限时，对所述钢结构进行三维扫描以确定超限时刻的点云数据；针对所述钢结构的所述设定部位确定所述超限时刻的点云数据与第一时刻点云数据之间的超限位型差，用于问题分析。

进一步地，还包括：

在所述第一时刻采用全站仪对所述钢结构的所述设定部位进行监测以得到第一时刻仪器测量值；

在所述第二时刻采用全站仪对所述钢结构的所述设定部位进行监测以得到第二时刻仪器测量值；

根据所述第一时刻仪器测量值和所述第二时刻仪器测量值确定所述第一时刻和所述第二时刻之间的仪器测量差值；

将所述仪器测量差值与所述位型差值进行对比以相互验证监测结果的可靠性。

进一步地，所述施工图模型为所述钢结构的竣工后的模型；所述第一时刻和所述第二时刻为同一天或不同天中的同一时段；所述设定部位选取所述钢结构的应变程度大于预设值的部位。

进一步地，所述第一时刻在所述钢结构的支撑塔架被卸载前；所述第二时刻在所述钢结构的支撑塔架被卸载后；在所述第一时刻，所述钢结构已合拢。

进一步地，所述三维扫描的设定角度大于45度；其中，所述设定角度是所述三维扫描的激光与被测构件之间的角度；当多次所述三维扫描的环境温度差超过设定值时，应用温度修正系数对监测数据进行温度修正。

本发明第二方面提供一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测系统，其包括：

BIM模型建立模块，用于获取钢结构的施工图模型；

扫描模型获取模块，用于：

模型整合对比模块，用于：

超限判断模块，用于比较所述位型差值与预设位型差限值以判断是否超限。

本发明将3D激光扫描技术与BIM技术进行结合与创新，对钢结构临时支撑塔架的卸载进行监测，将卸载前后的钢结构的三维扫描数据和钢结构的BIM参考模型通过整合软件进行比对测量并确定监测结果。本发明提供的监测方法及系统突破了传统的监测手段只能进行单点测量的限制，采用三维扫描来获取钢结构的点云数据，可监测任意点位的位型变化，监测精度高，无需高空作业，且降低了对其他施工作业的相互干扰。本发明采用的高精度3D激光扫描仪每秒钟最快可采集976000个点的坐标，形成的点云数据能够可视化展示和数字化存储，比传统监测方法更加高效便捷，且人力投入较少、设备成本较低。本发明在施工前进行施工条件判断，施工中进行过程监测，施工后进行钢结构应力应变分析，保证了钢结构施工质量控制的可靠性。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法的基本流程图；

图2为根据本发明实施例的一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测系统的组成框图。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述根据本发明的实施例，描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的要素。要说明的是，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表本发明的所有实施方式。它们仅是与如权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的例子，本发明的范围并不局限于此。在不矛盾的前提下，本发明各个实施例中的特征可以相互组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明实施例提供了一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法的实施例，如图1所示，包括步骤S1至S7：

在步骤S1中，获取钢结构的施工图模型。在本发明实施例中，采用Midas软件建立钢结构的BIM模型，根据Midas建立的竣工后的模型采用Tekla软件建立详细的施工图BIM模型IFC(Issue for Construction，施工图)，模型发展等级为LOD350。该IFC模型通过Revit软件转化为Navisworks的.NWC格式后，可作为基准参考模型使用。

在步骤S2中，在第一时刻对所述钢结构进行三维扫描以确定第一时刻点云数据。

在步骤S3中，在第二时刻对所述钢结构进行三维扫描以确定第二时刻点云数据，其中，所述第二时刻在所述第一时刻之后。

在本发明实施例中，设定了两个时间点来对钢结构位型变化进行监测比较。在第一时刻，通过高精度3D扫描仪对钢结构进行扫描以获取现场扫描数据，并通过扫描仪软件Scene对获取的扫描数据进行处理、配准、点云生成与裁剪以得到第一时刻点云数据。同理，可得到第二时刻点云数据。在本发明实施例中，选用FARO S350型扫描仪，该扫描仪350米内测距误差仅为1mm，角精度达到19角秒，当测距为25米时三维位置精度达到3.5mm，最大测量速度达到976000pts/秒。在进行扫描前，需要利用扫描仪软件Scene对扫描仪进行现场补偿(On-Site Compensation)，即对转角精度进行检查和校准，以提高扫描数据的可靠性。在进行扫描前，需对扫描仪各项参数进行设置，基于扫描对象、距离与精度要求，选取扫描分辨率为1/4、质量为4x，打开倾角仪，并拍摄全景彩色照片。在扫描时，需要使用棋盘板式标靶，使用全站仪对其三维坐标进行测量，以建立空间坐标系统。

在步骤S4中，针对所述钢结构的设定部位确定所述第一时刻点云数据与所述施工图模型之间的第一位型差。

在步骤S5中，针对所述钢结构的设定部位确定所述第二时刻点云数据与所述施工图模型之间的第二位型差。

在步骤S6中，根据所述第一位型差和所述第二位型差确定所述钢结构的所述设定部位的所述第一时刻与所述第二时刻之间的位型差值。

在本发明实施例中，由于点云数据之间难以进行位型对比，需借用参考模型。通过分别计算第一时刻点云数据和第二时刻点云数据与该参考模型的位型差值，进而得到第一时刻点云数据和第二时刻点云数据之间的位型差值。该参考模型为步骤S1中建立的施工图IFC模型。在本发明实施例中，采用模型整合软件NavisWorks将第一时刻的点云数据和第二时刻的点云数据分别与钢结构的施工图IFC参考模型进行整合。由于点云数据和IFC模型采用了统一的坐标体系，在NavisWorks软件中整合时可自动对准，无需其他对准操作处理。利用NavisWorks的剖分工具和测量工具，分别得到第一时刻和第二时刻点云数据与该IFC参考模型的位型差值，进而得到第一时刻点云数据和第二时刻点云数据之间的位型差值。

在步骤S7中，比较所述位型差值与预设位型差限值以判断是否超限。在本发明实施例中，采用Midas软件建立钢结构施工各阶段的BIM模型，其中包括上述第一时刻和第二时刻的BIM模型，并在Midas软件中模拟计算这两个时刻的BIM模型之间的理论位型差，作为预设的位型差限值。若步骤S6中得到的位型差值超过该预设的位型差限值，则钢结构在这两个时刻之间的位型差超限。

本发明将3D激光扫描技术与BIM技术进行结合与创新，提供了一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法。三维扫描技术是指对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标的技术，其重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。BIM技术将建筑项目的所有相关信息都整合到三维可视化模型之中，供各参与方进行交互式管理和协同工作，可以提高工作效率和节省资源，可提升项目管理精细化程度。在很多应用场景中，BIM是反馈信息并最终实现指导现场施工的重要载体。

本发明提供的监测方法突破了传统监测手段只能进行单点测量的限制，可监测任意点位的位型变化，监测精度高，监测高效便捷，无需高空作业，且降低了对其他施工作业的相互干扰。本发明采用高精度3D激光扫描仪，形成的点云数据能够可视化展示和数字化存储，并可通过整合软件将点云数据与施工图BIM模型进行对比测量，为钢结构应力应变分析提供精确的数据，从而保证了钢结构施工质量控制的可靠性。

可选地，所述第一时刻点云数据和所述第二时刻点云数据的确定过程包括：

在本发明实施例中，所述处理的主要目的为运用各种过滤器提高单个扫描的成像质量。处理前，需将.CSV格式的棋盘板三维坐标导入，扫描仪软件Scene可进行自动识别并将坐标赋予扫描视图中的棋盘板。勾选“使扫描点变为彩色”选项进行扫描点着色。考虑到本实施例钢结构扫描对象与扫描环境的特点，对深色扫描点过滤器、距离过滤器、离散点过滤器与边缘伪像过滤器可只选择应用边缘伪像过滤器。同时，查找标靶选项中需选择棋盘板。

在本发明实施例中，所述配准为：运用公共参考点，利用扫描仪软件Scene将各扫描数据进行拼接，以精确建立各扫描间的三维空间联系。具体地，选用Scene软件中配准精度最高的“基于俯视图和云对云”的配准方式，为了进一步提高精度，需选择应用倾角仪选项。同时，为了减小钢结构对罗盘的影响，需取消应用罗盘传感器。本发明采用指定的公共参考点作为坐标原点，利用棋盘板三维坐标作为扫描数据的参考坐标，其中，棋盘板坐标通过全站仪测定。

在本发明实施例中，为了进一步提高扫描质量和方便数据对比，利用扫描仪软件Scene生成点云数据时需选择去除重复点选项，并在点云数据生成后运用软件Scene自带的裁剪框功能对钢结构的设定部位进行裁剪，然后导出格式为.RCS的点云数据。RCS格式的点云数据可直接导入到NavisWorks软件中进行后续的处理。点云数据是三维扫描数据可视化的理想解决方案，可大幅提高三维扫描的运算和加载速度，并可将点云数据导出为多种格式用于其他软件的操作。设定部位选取钢结构中应变或应力较大的部位，针对该部位进行监测和分析。

可选地，所述预设位型差限值的确定过程包括：建立所述钢结构的各施工阶段的BIM模型，包括所述第一时刻的BIM模型、所述第二时刻的BIM模型以及其它各施工阶段的BIM模型；确定所述钢结构的所述第一时刻的BIM模型和所述第二时刻的BIM模型之间的理论位型差，确定所述理论位型差为所述位型差限值。在本发明实施例中，采用Midas软件建立钢结构各施工阶段的BIM模型，并将所述第一时刻的BIM模型和所述第二时刻的BIM模型之间的理论位型差作为所述位型差限值，所述位型差限值作为对现场实测的三维扫描点云数据进行分析判断的标准。当所述钢结构的设定部位的第一时刻点云数据与第二时刻点云数据之间的位型差值超过所述位型差限值时，认为相应的钢结构监测结果数据超限。Midas软件建立的模型精度较高，模型文件小，建模速度快，建模所需人员较少。

可选地，在确定所述第一时刻点云数据之后，还包括：将所述第一时刻点云数据与所述第一时刻的BIM模型的理论位型进行对比，判断是否具备施工条件。在本发明实施例中，所述钢结构施工的监测包括：对钢结构的临时支撑塔架卸载前后及中间过程的钢结构的位型变化的监测。所述第一时刻在钢结构的临时支撑塔架卸载前，所述第二时刻在钢结构的临时支撑塔架卸载后。在钢结构的临时支撑塔架卸载前，对钢结构进行三维扫描并确定点云数据，将该点云数据与Midas建立的第一时刻的钢结构的BIM模型进行比对。在比对前，根据Midas建立的BIM模型采用Tekla软件及Revit软件得到.NWC格式的BIM模型，然后采用NavisWorks软件进行整合、测量、计算以得到第一时刻的钢结构的实测点云数据与该.NWC格式的BIM模型之间的位型差值，将该位型差值与设定的误差范围比较，以判断是否具备钢结构临时支撑塔架的卸载条件。

可选地，还包括：在所述第一时刻和所述第二时刻之间的施工过程中，采用全站仪和/或应力监测仪对所述钢结构的所述设定部位进行监测以得到仪器测量值，将所述仪器测量值与相应施工阶段的BIM模型的理论位型和/或理论应力值进行对比以判断是否超限；当判断为超限时，对所述钢结构进行三维扫描以确定超限时刻的点云数据；针对所述钢结构的所述设定部位确定所述超限时刻的点云数据与第一时刻点云数据之间的超限位型差，用于问题分析。在本发明实施例中，在第一时刻和第二时刻之间的卸载过程中同时采用全站仪和/或应力监测仪进行监测，如果全站仪和/或应力监测仪的测量结果数据和相应施工阶段的钢结构的BIM模型的理论位型和/或理论应力值相比超限，则对相关部位进行三维扫描，将三维扫描的点云数据与卸载前的第一时刻的点云数据进行对比，帮助分析问题产生的原因。采用NavisWorks软件将超限时刻点云数据、第一时刻点云数据和施工图IFC模型进行整合、测量、计算以得到超限时刻点云数据与第一时刻点云数据之间的位型差值。

可选地，还包括：在所述第一时刻采用全站仪对所述钢结构的所述设定部位进行监测以得到第一时刻仪器测量值；在所述第二时刻采用全站仪对所述钢结构的所述设定部位进行监测以得到第二时刻仪器测量值；根据所述第一时刻仪器测量值和所述第二时刻仪器测量值确定所述第一时刻和所述第二时刻之间的仪器测量差值；将所述仪器测量差值与所述位型差值进行对比以相互验证监测结果的可靠性。在本发明实施例中，选取重点部位，将三维扫描的钢结构临时支撑塔架的卸载监测结果数据与全站仪的卸载监测结果数据进行对比，以相互验证卸载监测结果的可靠性。

可选地，所述施工图模型为所述钢结构的竣工后的模型；所述第一时刻和所述第二时刻为同一天或另一天中的同一时段；所述设定部位选取所述钢结构的应变程度大于预设值的部位。在本发明实施例中，通过借用参考模型来计算第一时刻点云数据和第二时刻点云数据之间的位型差值。由Midas软件建立钢结构竣工后的最终状态的模型，并通过Tekla软件和Revit软件转换为该参考模型，模型发展等级为LOD350。第一时刻(卸载前)和第二时刻(卸载后)的三维扫描应尽量安排在同一天或不同天的同一时间段内，以消除日照和气温变化所引起的钢结构的热胀冷缩效应的影响。例如，钢结构的临时支撑塔架的卸载施工计划从9月10日上午9点开始，三维扫描数据外业采集时间针对一个塔架为1小时，那么，可计划在9月9日前完成卸载前的准备工作，在9月10日上午8点至9点之间对塔架A支撑的钢结构部分进行卸载前扫描，随后进行塔架A卸载施工，在9月11日上午8点至9点之间对该钢结构部分进行卸载后扫描，这样卸载前后的扫描时间在同一时段，扫描数据比对受气温等影响相对较小。对于其他塔架可以此类推。实际卸载施工中，可能会同步卸载多个对称塔架，这时可采用多个3D扫描仪对塔架所支撑的钢结构进行同步扫描，以节约卸载监测时间。

可选地，所述第一时刻在所述钢结构的支撑塔架被卸载前；所述第二时刻在所述钢结构的支撑塔架被卸载后；在所述第一时刻，所述钢结构已合拢。在本发明实施例中，所述钢结构施工的监测包括：对钢结构的临时支撑塔架卸载前后及中间过程的钢结构的位型变化的监测。所述第一时刻在钢结构的临时支撑塔架卸载前，所述第二时刻在钢结构的临时支撑塔架卸载后。在钢结构的临时支撑塔架卸载前，需要完成钢结构的合拢，完成卸载前的各项施工。

可选地，所述三维扫描的设定角度大于45度；其中，所述设定角度是所述三维扫描的激光与被测构件之间的角度；当多次所述三维扫描的环境温度差超过设定值时，应用温度修正系数对监测数据进行温度修正。在本发明实施例中，在架设三维扫描仪时，尽量保证激光与被测构件的表面夹角大于45°；同时，在进行数据对比时，尽量选取激光与被监测构件的表面夹角大于45°的测点进行分析。在数据处理时，可进行温度修正。通过实验确定不同温度对钢结构热胀冷缩的影响，总结出温度修正系数，当多次扫描的环境温度差超过限值时，对监测数据进行温度修正。

本发明另一实施例提供一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测系统，如图2所示，其包括：

模型建立模块100，用于获取钢结构的施工图模型；

扫描模型获取模块101，用于：

在第二时刻对所述钢结构进行三维扫描以确定第二时刻点云数据，其中，所述第二时刻在所述第以一时刻之后；

模型整合对比模块102，用于：

超限判断模块103，用于比较所述位型差值与预设位型差限值以判断是否超限。

本发明将3D激光扫描技术与BIM技术进行结合与创新，对钢结构临时支撑塔架的卸载进行监测，突破了传统的监测手段只能进行单点测量的限制，可监测任意点位的位型变化，监测精度高，无需高空作业，且降低了对其他施工作业的相互干扰。本发明采用的高精度3D激光扫描仪每秒钟最快可采集976000个点的坐标，形成的点云数据能够可视化展示和数字化存储，比传统监测方法更加高效便捷，且人力投入较少、设备成本较低。本发明在施工前进行施工条件判断，施工中进行过程监测，施工后进行钢结构应力应变分析，保证了钢结构施工质量控制的可靠性。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法，其特征在于，包括：

获取钢结构的施工图模型；

比较所述位型差值与预设位型差限值以判断是否超限。

2.根据权利要求1所述的基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法，其特征在于，所述第一时刻点云数据和所述第二时刻点云数据的确定过程包括：

3.根据权利要求1所述的基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法，其特征在于，所述预设位型差限值的确定过程包括：

4.根据权利要求3所述的基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法，其特征在于，在确定所述第一时刻点云数据之后，还包括：将所述第一时刻点云数据与所述第一时刻的BIM模型的理论位型进行对比，判断是否具备施工条件。

5.根据权利要求3所述的基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求1所述的基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求1至6任一项所述的基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法，其特征在于，

所述施工图模型为所述钢结构的竣工后的模型；

所述第一时刻和所述第二时刻为同一天或不同天中的同一时段；

所述设定部位选取所述钢结构的应变程度大于预设值的部位。

8.根据权利要求7所述的基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法，其特征在于，

所述第一时刻在所述钢结构的支撑塔架被卸载前；

所述第二时刻在所述钢结构的支撑塔架被卸载后；

在所述第一时刻，所述钢结构已合拢。

9.根据权利要求7所述的基于三维扫描技术的钢结构施工的监测方法，其特征在于，

所述三维扫描的设定角度大于45度；其中，所述设定角度是所述三维扫描的激光与被测构件之间的角度；

当多次所述三维扫描的环境温度差超过设定值时，应用温度修正系数对监测数据进行温度修正。

10.一种基于三维扫描技术的钢结构施工的监测系统，其特征在于，包括：

BIM模型建立模块，用于建立钢结构的施工图模型；

扫描模型获取模块，用于：

在第一时刻对所述钢结构进行三维扫描以得到扫描数据，并确定第一时刻点云数据；

在第二时刻对所述钢结构进行三维扫描以得到扫描数据，并确定第二时刻点云数据，其中，所述第二时刻在所述第一时刻之后；

模型整合对比模块，用于：

超限判断模块，用于对比所述位型差值与设定的位型差限值以判断是否超限。