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摘要：随着国家对钢铁产业转型发展的要求，不同类型的钢结构建筑也越来越多，钢结构进入了快速发展期，对钢结构制造领域的生产效率、制造水平都提出了新的要求。然而国内大多数钢结构加工企业中，仍普遍采用钢尺、拉线、放样吊线和检验模板等传统方法来检验钢构件是否符合设计要求。
关键词：三维扫描仪；钢结构预拼装；应用
实体预拼装不仅需要占用工厂的场地、设备，还要设置胎架，耗费大量的人力物力，其成本很高。近年来随着计算机技术的迅猛发展，为传统的实体预拼装技术带来了工艺革新的契机。人们可以借助于新的计算机中对实体预拼装过程进行模拟，从而辅助甚至省掉实体预拼装过程，节约成本。
一、钢结构模拟预拼装技术应用现状
当前，计算机模拟预拼装技术已经在多个工程中实际应用。目前钢结构制作及安装过程中，涉及零件类型、数量、规格较多，尤其是机场、场馆类建筑中，经常由于桁架长度过长，无法满足运输及现场吊装条件，需对桁架进行合理的分段。对于超大型复杂桁架的精度控制在加工制作方面是一个难点，并且每榀桁架在工厂实体预拼装更是难上加难。
二、三维扫描仪简介
三维激光扫描又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字模型。三维激光扫描是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。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。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。
三、三维扫描仪在钢结构预拼装过程中的应用
利用三维激光扫描进行数字模拟预拼装的作业流程主要分为预拼装方案的制订、外业点云采集和内业模型处理三大部分。
1.预拼装方案的制订。根据实际工程量、构件结构情况、制作周期和扫描任务量等重要因素，制订预拼装方案。在方案制订过程中，要事先收集工艺设计CAD图纸，单根构件至少获取3个定位点的位置信息，并与车间生产确定单根构件的制作完成时间，把所获信息按照构件编号在Excel中进行统计。然后将单根构件信息的Excel统计表，按照预拼装单元进行分组分类。
2.外业点云采集。一是现场考察。现场考察要结合预拼装方案、构件加工制作的图纸，重点确定现场构件的定位点。扫描作业周围环境应相对稳定，避免过多的振动、干扰，在构件周围留出足够的工作空间以便设站。测量过程中，构件不能发生相对移动。扫描作业一般发生在构件堆场，还需确认扫描作业周围的安全情况。二是设站方案。对于单根构件现场扫描，关键在于确保钢构件定位点点云数据的采集，其次再确定测站与标靶的位置。测站应尽量设在能对构件观察较为全面的位置并避免过多设站。此部分方案的制订多以现场草图的形式在原始记录上反映。三是标靶放置在预拼装过程中，标靶分为拼接标靶和预拼装标靶。两者的位置的变化需要随时反映在扫描方案的草图中，以便后续出现异常情况时进行查证。拼接标靶是两站之间拼接的重要依据，应选择稳定、方便观测的地点设立标靶。2个标靶应拉开距离，以便提升拼接精度，如在测量过程中需要增加标靶，可在某一站位置获取共用标靶后，再次获取新增标靶，在下一站再次扫描新增标靶，确保两站之间正常拼接，一般两站之间的拼接标靶为2枚。预拼装标靶是在构件定位点上粘贴的纸标靶，其特征参数与拼接标靶相同，其与拼接标靶同步扫描但要分开命名，预拼装标靶可以根据实际需要设置3～5枚。四是参数设置。按照设站方案架设三维激光扫描仪，调整水平和水平补偿，确保仪器在整个扫描作业过程中保持稳定状态，并设置扫描精度、标靶类型、扫描范围、拍照像素等参数。构件扫描距离一般都在10m以内，可适当降低扫描精度、减少扫描范围以提高扫描作业效率。五是扫描。启动扫描作业后仪器处于闭环系统，仪器会自动旋转扫描并进行拍照，可通过设置进行局部精细扫描，构件扫描作业完成后再进行标靶的扫描，拍照可以用于建立三维模型的纹理映射。
3.内业模型处理。本文中内业模型处理主要进行模型输出、坐标系建立、模拟拼装和分析比对四部分内容。一是模型输出。在软件中，利用拼接标靶自动将不同测站扫描得到的点云数据拼接成单根构件的完整点云模型，并用Unify功能自动优化去除重复冗余的点云数据。在保证构件数据完整性的情况下，进行降噪处理，将与构件本体无关的点云数据删除，再对构件的点云模型按照比例进行抽稀输出，输出的点云模型优先选择PTX文件格式。按照上述方法步骤，依次对扫描的构件点云数据进行处理输出，输出的点云模型要按照构件编号进行命名，并按照预拼装内容需要进行分组存储。二是坐标系建立。按照预拼装分组情况，依次在设计模型中找出预拼装标靶（即构件制作定位点）坐标值并按顺序输入TXT文档中，坐标点的命名要和预拼装标靶保持一致。三是模拟拼装。在软件中，重新将分组完成的构件点云模型和与之对应的坐标值TXT文档同步导入新建的Registration程序中，程序将会按照坐标值TXT文档建立统一的坐标系，构件上坐标点会以最小综合误差自动坐落于坐标系中，从而自动完成模型的拼接，并给出参与拼接的全部预拼装标靶点的误差统计。当拼接的最大误差出现异常时，应返回检查预拼装标靶的顺序、位置。四是分析比对。分析比对的平台基于软件对点云数据的分析处理功能，待测模型是由Cyclone软件输出的点云模型，参照模型是钢结构预拼装的CAD理论模型。经过Cyclone软件输出的点云模型需要在软件中进行二次处理。对导入的待测模型进行着色、二次降噪和排除体外孤点等操作，处理无序点云的法线信息，将点云数据移至统一的正确位置以弥补扫描仪的误差，并删除与大多数点存在明显偏差的点，这样点的排序会更加平滑规整。在模型比对时，要将参照模型设置为数字拟合的标准模型，然后才能进行数字拟合参数的设置。参数需要根据预拼装构件的尺寸大小、空间结构形式、拼装精度要求等因素进行设置。测头半径决定比对的精细程度，主要的比较方法有对称性分析、自动偏差校准、高精度对齐和微调试等。其中对称性分析和自动偏差校准联合使用较多，它可以三维立体分析预拼装整体或局部的对称性并自动进行校准，使得待测模型和理论模型能够进行最大化的数字拟合。通过输入上下偏差临界值、色谱颜色段等参数，软件自动计算出平均偏差、标准偏差和RMS估计值等数据，绘制3D比较色谱分析，并自动生成3D比较分析报告。当从分析报告中查出预拼装偏差超过设计及规范要求时，可以及时通知相关方面采取校正措施。
实践证明，三维激光扫描技术应用于钢结构数字模拟预拼装，改善了常规模拟预拼装数据采集信息量小、比对方法单一、测量精度不高、工作量大等问题；相比较钢构件的实体预拼装，其在节省时间、人工和机械设备使用方面的优势更为突出。
参考文献
[1]李亚东.数字模拟预拼装在大型钢结构工程中的应用[J].施工技术，2017，41(18):23－26.
[2]丁一峰，陆华，李文杰.信息化预拼装在钢结构成品检验中的应用[J].土木建筑工程信息技术，2017(1):52－56.
[3]闵岚，汪泱，冯骏.钢结构计算机模拟预拼装技术的应用[J].工业建筑，2017，43(增刊):722－725.