中国建筑第八工程局有限公司钢结构工程公司 上海 200120
摘要：利用三维激光扫描仪对四弦凹型桁架及树形分枝两种复杂钢结构进行三维点云数据的收集和整理，与结构模型在计算机中进行虚拟拼装，有效的得出该类型复杂钢结构在加工制作及现场拼装的质量精度，指导后续钢结构的安装，同时整体三维扫描后可为机电幕墙专业提高精度高的现场实际模型，提高施工精度效率。
关键词：复杂钢结构；三维激光扫描技术；质量精度
1 引言
在各类型钢结构建筑中，因其美学要求需设计成各色各样的建筑外形，导致其主体钢结构复杂程度越来越高。复杂的钢结构导致构件加工的困难和现场安装的不易，需要耗费大量的人力和物力去测量结构的精确程度。
三维激光扫描技术是利用测量建筑物表面系列点的空间坐标，从而形成物体三维空间的点云数据，然后利用专用软件对点云数据进行处理及与模型对比分析，得出物体与模型的精度偏差。
本文通过三维激光扫描技术在国家会展中心（天津）工程中展厅、中央大厅钢结构的应用，得出实际施工与模型中的精度偏差，有效的指导后续钢结构安装及其他专业施工。
2 项目概况
国家会展中心（天津）一期工程整体建筑面积478613m2，最大建筑高度34m。功能主体区域分为展厅、交通连廊、中央大厅三部分组成，建成后北方最大的会展中心。工程总用钢量为11万t，采用Q355B钢材。中央大厅区域采用复杂的32个树状分杈结构（图1），单个平面尺寸30.3m*30.3m的树状结构构成，最大高度32.8m。展厅钢结构外形设计为展翅高飞的“海鸥”造型，体现建筑外形美学，结构设计四弦凹型钢桁架，腹杆采用截面小的钢拉杆，体现绿色环保理念，每两个展厅共用186.36m×159.7m屋盖（图2），高度23.28m，单跨跨度为84m。由两侧A类铰接，中间B类刚接的人字柱支撑，结构受力合理。东西交通连廊同样采用“海鸥”型桁架屋盖，内部采用钢框架结构。
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图2 四弦凹型桁架屋盖
3 三维点云数据的外业扫描
3.1 扫描设备选择
三维激光扫描预拼装技术是利用三维激光扫描仪记录被测物体表面的点的三维坐标和纹理反射率等信息，快速复建出被测树形建筑的面、体以及三维构件的各种数据，采用生成的点云处理后与模型对比分析。能直观的反映出钢结构在制造及生产过程中构件外形参数，并能与理论模型进行对比，验证构件的加工制作尺寸偏差。对建筑整体而言，同样能通过三维扫描检查建筑整体的安装情况，具体的偏差情况。
本工程采用精度高的扫描仪器，型号为Focu3DX330。设备性能为最远扫描距离为330m，扫描生成点数96000个/s，性能上满足工程单体的量测。
3.2 设备现场布置
针对要测量的复杂钢结构如单个树形结构的不同阶段的安装情况，需对建筑周边进行多个测站的布设，并根据其结构复杂程度增加测站，通常采用5个测站完成该物体的全方位扫描。
点云的现场扫描工作选定在树形结构安装现场，可通过布置多个标靶对已经加工成型的构件进行现场实地扫描或直接进行扫描。扫描过程因为一次扫描无法将整个建筑安装的部分完整的扫描出来，因此需要通过从不同的角度转站，达到360°建筑全景的点云手机，不同站扫描的数据通过标靶球来定位用于后期拼接，最终获得构件每一个面的数据。
4 模型数据处理
4.1 点云数据处理
将现场扫描得来的各测站的点云数据导入SCENE软件，通过标记标靶球的方式进行拼接，得到一个完整的构件的点云数据，然后通过裁剪，删除所扫描构件周围的车间环境与构件自身之外的支架等结构的点云数据，最终只筛选出构件本身的点云数据。
4.2 软件虚拟拼装
点云数据筛选完成后将构件的点云数据导入到分析软件Geomagic Qualify中进行的具体的分析。
首先将点云数据和构件实际的三维模型导入进Geomagic Qualify软件，进行对齐操作，对齐方法主要有最佳拟合对齐、N点对齐、特征点对齐等，通常比较常用的是最佳拟合对齐，同时也可以在最佳拟合对齐之后用其他方法对齐比较对齐结果，选择对齐拟合度更高的的结果用于之后的比较工作。
点云与模型对齐完成之后就就可以进行具体的分析工作，通常首先进行的是3D比较，以此来对构件的加工尺寸偏差有个整体的了解，在3D对齐步骤中对具体参数进行设置。
设置中可以选择用不同的颜色来表示不同的偏差范围，以及每种颜色段所代表的偏差范围，比较计算完成后就可以在图形中用不同的颜色显示出该处的偏差大小以及整个构件的偏差分布。3D分析完成后，可以对偏差密集的区域或是关键部位，进行2D比较。2D比较基于构件需要分析的截面，生成的偏差数据分布也更加直观。
4.3 对比分析
经过分析计算的偏差数据不仅可以表现在模型上，也可以以图标的形式呈现出具体的偏差分布、标准偏差分布等统计数据，以便更方便的评估构件的整体加工情况。在TEKLA软件模型中，标记树型结构分段单元的三维测量控制点并生成三维坐标，将其导入测量机器人程序中。在施工过程中，利用自动跟踪测量技术，实时对树型结构自平衡安装过程进行监测，保证过程的安装精度。树型结构安装完成后，利用三维激光扫描技术生成点云模型与原模型进行对比分析，完成树型结构的整体验收。
5 结语
三维激光扫描技术在复杂钢结构应用中具有扫描速度快、易于操作、精度高等优点，能对复杂的钢结构进行全方位的外形扫描，获取点云数据。通过对点云数据的建模，与软件的三维模型进行对比，得出该类型该结构现状与标准模型的偏差情况，便于指导钢构件加工制作及现场安装。同时，复杂钢结构整体完成后进行三维扫描，能分析得出结构的偏差情况，数据提供给其他专业后有效的指导机电及幕墙的安装。
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