CN113378285A - 一种建筑结构自动化合模分析系统及方法 - Google Patents

一种建筑结构自动化合模分析系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种建筑结构自动化合模分析系统及方法，涉及施工质量检查技术领域。针对现有结构模型与设计模型的对准方法存在工作效率低，无法控制质量检测精度的问题。它包括数字扫描设备、标靶及工作站，数字扫描设备和标靶布设于待检测空间，且标靶中心点与实际参照基准点位于同一垂线，数字扫描设备与工作站通讯连接。方法步骤：在每个实际参照基准点的位置放置一个标靶，且标靶中心点与实际参照基准点位于同一垂线，扫描待检测空间并将扫描数据转换为三维点云模型，将标靶中心点坐标作为实际参照基准点坐标，将待检测空间设计模型转换为轻量化表皮网格模型并设置虚拟参照基准点，使虚拟参照基准点与实际参照基准点的坐标重合完成合模。

Description

一种建筑结构自动化合模分析系统及方法
技术领域
本发明涉及施工质量检查技术领域，特别涉及一种建筑结构自动化合模分析系统及方法。
背景技术
在建筑工程的建造过程中，为保证施工质量这一关键技术指标，施工单位须按设计图纸施工，并在完成各个工序后对成果进行检测核对。随着工程规模的增大及结构复杂程度的提高，结构施工质量检测的要求越来越高，质量管理人员需要花费大量时间将施工现场与设计图纸进行比对。
目前，BIM技术也逐渐应用于施工质量检测工作，通过机器人全站仪、三维扫描仪或无人机倾斜摄影等设备获取施工现场的三维尺寸数据，利用检测所得的三维尺寸数据逆向建模形成与施工现场一致的结构模型，再将该结构模型与设计模型进行比对，找出施工现场结构模型与设计模型之间存在的偏差，但是，施工现场结构模型与设计模型的合模往往需要依靠人工进行对准，不但工作效率低，而且难以保证两个模型准确对准，无法控制质量检测的精度。
发明内容
针对现有将逆向建模形成的施工现场结构模型与设计模型依靠人工对准的合模方法，存在工作效率低，无法控制质量检测的精度的问题。本发明的目的是提供一种建筑结构自动化合模分析系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种建筑结构自动化合模分析系统，它包括：数字扫描设备、标靶及工作站，数字扫描设备和标靶布设于施工现场的待检测空间，且标靶中心点与所述待检测空间控制网的实际参照基准点位于同一垂线，多台所述数字扫描设备分别与所述工作站通讯连接。
本发明的建筑结构自动化合模分析系统，包括数字扫描设备、标靶及工作站，数字扫描设备和标靶布设于待检测空间，且标靶中心点与施工现场控制网的实际参照基准点位于同一垂线，数字扫描设备扫描待检测空间，工作站将扫描数据转换为三维点云模型，并在三维点云模型中获取标靶中心点所在坐标作为实际参照基准点坐标，工作站将待检测空间的设计模型转换为轻量化表皮网格模型并设置虚拟参照基准点，使任意三个不在同一直线的虚拟参照基准点与实际参照基准点的坐标重合即实现合模，本发明的建筑结构自动化合模分析系统，以施工现场三维点云模型的实际参照基准点坐标为参照基准，通过工作站将轻量化表皮网格模型的虚拟参照基准点坐标与实际参照基准点坐标进行自动对准，进而实现了逆向建模所得模型与设计模型的快速、准确的自动化合模，提高了施工质量检测的效率和准确性。
所述数字扫描设备包括由下至上设置并依次连接的三脚架、支座、云台和扫描头，所述支座的旋转机构一与所述云台连接并带动所述云台水平转动，所述云台的旋转机构二与所述扫描头连接并带动所述扫描头沿竖直方向转动。
所述工作站包括数据存储模块、数据模型读取模块及模型转换模块，所述数据存储模块用于存储数字扫描设备的扫描数据，所述数据模型读取模块用于读取所述扫描数据，所述模型转换模块将所述扫描数据转换为三维点云模型，并能够将建筑结构的设计模型转换为轻量化表皮网格模型。
所述支座底部还设有水准器。
另外，本发明还提供了一种建筑结构自动化合模分析方法，步骤如下：
S1：根据建筑结构的设计模型的坐标体系，在施工现场的待检测空间布设控制网，并在控制网的关键位置设置不在同一直线上的至少三个实际参照基准点；
S2：现场布置建筑结构自动化合模分析系统，在每个实际参照基准点的位置放置一个标靶，且标靶中心点与实际参照基准点位于同一垂线，数字扫描设备扫描待检测空间的表面坐标并传输至工作站，所述工作站将扫描数据转换为三维点云模型，并在所述三维点云模型中获取标靶中心点坐标作为实际参照基准点的坐标；
S3：所述工作站提取待检测空间设计模型的表皮模型并将其转换为轻量化表皮网格模型，在所述轻量化表皮网格模型中设置虚拟参照基准点坐标，调整所述三维点云模型的位置，使得所述三维点云模型的实际参照基准点的坐标与所述虚拟参照基准点的坐标重合。
所述步骤S3中，取
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中,X i 、Y i 、Z i 为实际参照基准点的三维坐标，x i 、y i 、z i 为虚拟参照基准点的三维坐标，N为实际参照基准点的数量；
当L ijk数值最小时，所述三维点云模型与所述设计模型完成合模。
所述步骤S2还包括，在待检测空间架设所述数字扫描设备，调平所述数字扫描设备，启动支座的旋转机构一并带动云台匀速水平转动，同时启动云台的旋转机构二并带动扫描头沿竖直方向转动，使得扫描头能够对待检测空间表面坐标进行三维扫描。
附图说明
图1为本发明的建筑结构自动化合模分析系统的结构示意图。
图中标号如下：
数字扫描设备10；三脚架11；支座12；云台14；扫描头15；水准器16；标靶20；工作站30。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例1
结合图1说明本发明的建筑结构自动化合模分析系统，它包括：数字扫描设备10、标靶20及工作站30，数字扫描设备10和标靶20布设于施工现场的待检测空间，且标靶中心点与施工现场控制网的实际参照基准点位于同一垂线，数字扫描设备10分别与工作站30通讯连接，其中，标靶20设有黑白相间色块的圆形标识，具有明确可识别的中心点。
本发明的建筑结构自动化合模分析系统，包括数字扫描设备10、标靶20及工作站30，数字扫描设备10和标靶20布设于待检测空间，且标靶中心点与施工现场控制网的实际参照基准点位于同一垂线，数字扫描设备10扫描待检测空间，工作站30将扫描数据转换为三维点云模型，并在三维点云模型中获取标靶中心点所在坐标作为实际参照基准点坐标，工作站30将待检测空间的设计模型转换为轻量化表皮网格模型并设置虚拟参照基准点，使任意三个不在同一直线的虚拟参照基准点与实际参照基准点的坐标重合即实现合模，本发明的建筑结构自动化合模分析系统，以施工现场三维点云模型的实际参照基准点坐标为参照基准，通过工作站30将轻量化表皮网格模型的虚拟参照基准点坐标与实际参照基准点坐标进行自动对准，进而实现了逆向建模所得模型与设计模型的快速、准确的自动化合模，提高了施工质量检测的效率和准确性。
请继续参考图1，数字扫描设备10包括由下至上设置并依次连接的三脚架11、支座12、云台14和扫描头15，支座12包括支座主体，设置于支座主体的电源接口、USB数据接口、卡槽及旋转机构一，支座主体与云台14通过设置于两者之间的旋转机构一连接，旋转机构一的微型伺服电机的转子与云台14连接并带动其水平转动，云台14的旋转机构二与扫描头15连接，云台14的旋转机构二的微型伺服电机的转子与扫描头15连接并带动其沿竖直方向转动,通过设置两个旋转机构使得扫描头15能够同时沿水平及竖向运动，用于快速采集待检测空间的表面坐标，电源接口与电池连接，用于向旋转机构一和旋转机构二的微型伺服电机供电，卡槽内安装有数据存储卡，用于存储数字扫描设备10获取的扫描数据，扫描头15可为但不限于激光扫描头、高清摄影扫描头、超声扫描头、红外扫描头等，三脚架11采用长度可调节的升缩杆，且每根杆件在伸缩节部位均设有紧固装置。
本实施例的工作站30至少包括数据存储模块、数据模型读取模块及模型转换模块，数据存储模块用于存储数字扫描设备10的扫描数据，数据模型读取模块用于读取扫描数据，模型转换模块将扫描数据转换为三维点云模型，并能够将设计模型转换为轻量化表皮网格模型，利用工作站30实现不同模型的数据转换及对准，提高了合模的效率及准确性。
如图1所示，支座12底部还设有水准器16，水准器16可采用圆水准器16或管水准器16，用于确定数字扫描设备10是否处于水平位置，本实施例采用圆水准器16，即在支座12两端分别设置一个圆水准器16，圆水准器16表面设有水平基准线，圆水准器16内装有有色液体，圆水准器16顶部设有通气孔。
实施例2
结合图1说明本发明的建筑结构自动化合模分析方法，步骤如下：
S1：根据建筑结构设计模型的坐标体系，在施工现场的待检测空间布设控制网，并在控制网的关键位置设置不在同一直线上的至少三个实际参照基准点；
S2：现场布置如实施例1所述的建筑结构自动化合模分析系统，在每个实际参照基准点的位置放置一个标靶20，且标靶中心点与施工现场控制网的实际参照基准点位于同一垂线，数字扫描设备10扫描待检测空间的表面坐标并传输至工作站30的数据存储模块，数据读取模块获取扫描数据，并由模型转换模块将扫描数据转换为三维点云模型，在三维点云模型中获取与实际参照基准点相对应的标靶中心点所在坐标，定位为A1(X1,Y1,Z1)、A2(X2, Y2, Z2)、A3(X3, Y3, Z3)…An(XN, YN, ZN)，并将该标靶中心点坐标作为实际参照基准点坐标；
S3：工作站30的数据模型读取模块提取待检测空间设计模型的表皮模型，并由模型转换模块将其转换为轻量化表皮网格模型，在轻量化表皮网格模型中设置虚拟参照基准点坐标，定位为a1(x1,y1,z1)、a2(x2, y2, z2)、a3(x3, y3, z3)…an(xn, yn, zn)，调整三维点云模型的位置，使得三维点云模型中实际参照基准点坐标与虚拟参照基准点坐标重合，即(Ai，ai)、（Aj，aj）、（Ak，ak）的坐标重合（i，j，k为1到N任意值）。
本发明的建筑结构自动化合模分析方法，首先，在施工现场待检测空间控制网布设若干个实际参照基准点，在每个实际参照基准点的位置放置一个标靶20，且标靶中心点与施工现场控制网的实际参照基准点位于同一垂线，通过数字扫描设备10扫描待检测空间，工作站30将扫描数据转换为三维点云模型，并获取三维点云模型中标靶中心点坐标作为实际参照基准点坐标，工作站30提取待检测空间设计模型并将其转换为轻量化表皮网格模型，在轻量化表皮网格模型中设置虚拟参照基准点，使虚拟参照基准点与实际参照基准点的坐标重合即完成合模，与现有采用同名点或者多个标靶20基准点叠合的合模方法相比，本发明的建筑结构自动化合模分析方法不但能够准确、快速地对现场施工进行数据采集，而且能够实现与设计模型之间的快速合模，解决了逆向建模所得模型与设计模型自动合模的问题，提高施工质量检测的效率和准确性。
更进一步，步骤S3中，取
Figure 926098DEST_PATH_IMAGE002
其中,X i 、Y i 、Z i 为实际参照基准点的三维坐标，x i 、y i 、z i 为虚拟参照基准点的三维坐标；
当L ijk数值最小时，三维点云模型与设计模型完成合模；
与现有合模方法相比，本发明的建筑结构自动化合模分析方法采取选择任意三个基准点组合形成的基准点集进行叠合，并取差值最小的最大重合度的基准点集作为最终参考基准坐标进行合模，提高了模型合成的精度。
步骤S2还包括，选取待检测空间中央合适位置架设数字扫描设备10，要求数字扫描设备10周边无遮挡和透光面、反光面，调节三脚架11的升缩杆长度并锁定，通过水准器16调平数字扫描设备10，启动支座12的旋转机构一并带动云台14匀速水平转动，同时启动云台14的旋转机构二并带动扫描头15沿竖直方向转动，使得扫描头15能够对待检测空间表面坐标进行三维扫描。
本实施例的设计模型可采用但不限于BIM平台辅助生成，在BIM平台上构建相互联系、相互制约的不同功能软件，如IFC+IFD、Revit、Microstation和HIM等，均可实现本发明的技术方案。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求范围。

Claims (5)

1.一种建筑结构自动化合模分析方法，其特征在于，步骤如下：
S1：根据建筑结构的设计模型的坐标体系，在施工现场的待检测空间布设控制网，并在控制网的关键位置设置不在同一直线上的至少三个实际参照基准点；
S2：现场布置建筑结构自动化合模分析系统，所述建筑结构自动化合模分析系统包括：数字扫描设备、标靶及工作站，在每个实际参照基准点的位置放置一个标靶，且标靶中心点与实际参照基准点位于同一垂线，数字扫描设备扫描待检测空间的表面坐标并传输至工作站，所述工作站将扫描数据转换为三维点云模型，并在所述三维点云模型中获取标靶中心点坐标作为实际参照基准点的坐标；
S3：所述工作站提取待检测空间设计模型的表皮模型并将其转换为轻量化表皮网格模型，在所述轻量化表皮网格模型中设置虚拟参照基准点坐标，调整所述三维点云模型的位置，使得所述三维点云模型的实际参照基准点的坐标与所述虚拟参照基准点的坐标重合，取
Figure 661038DEST_PATH_IMAGE001
其中,X i 、Y i 、Z i 为实际参照基准点的三维坐标，x i 、y i 、z i 为虚拟参照基准点的三维坐标，N为实际参照基准点的数量；
当L ijk数值最小时，所述三维点云模型与所述设计模型完成合模。
2.根据权利要求1所述的建筑结构自动化合模分析方法，其特征在于：其特征在于：所述步骤S2中，所述数字扫描设备包括由下至上设置并依次连接的三脚架、支座、云台和扫描头，所述支座的旋转机构一与所述云台连接并带动所述云台水平转动，所述云台的旋转机构二与所述扫描头连接并带动所述扫描头沿竖直方向转动。
3.根据权利要求2所述的建筑结构自动化合模分析方法，其特征在于：所述步骤S2还包括，在待检测空间架设所述数字扫描设备，调平所述数字扫描设备，启动支座的旋转机构一并带动云台匀速水平转动，同时启动云台的旋转机构二并带动扫描头沿竖直方向转动，使得扫描头能够对待检测空间表面坐标进行三维扫描。
4.根据权利要求1所述的建筑结构自动化合模分析方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述工作站包括数据存储模块、数据模型读取模块及模型转换模块，所述数据存储模块用于存储数字扫描设备的扫描数据，所述数据模型读取模块用于读取所述扫描数据，所述模型转换模块将所述扫描数据转换为三维点云模型，并能够将建筑结构的设计模型转换为轻量化表皮网格模型。
5.根据权利要求1所述的建筑结构自动化合模分析方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述支座底部还设有水准器。
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