基于徕卡MS60全站扫描仪...钢结构空间姿态自动测量技术_马良.pdf

202212Building Construction2990基于徕卡MS60全站扫描仪的钢结构空间姿态自动测量技术马 良1，21.上海市机械施工集团有限公司 上海 200072；2.上海面向典型建筑应用机器人工程技术研究中心 上海 200072摘要：上港十四区项目中风塔外挂的独特的柱面网格钢结构，采用先进的计算机同步控制液压提升的方式完成施工安装，项目位于上海宝山北，紧邻长江口，施工环境条件恶劣，受多种复杂因素的制约，对钢结构在提升中测量的效率和精度提出了要求。为此，项目团队开发了一套可与液压提升系统保持数据交互的构件空间运动姿态自动测量的技术方法与监测系统，详述了该自动测量技术实现的硬件配套、软件开发、操作方式。通过该技术在风塔钢结构提升中的成功应用，自动测量的效率和质量均得到大幅提高。关键词：徕卡MS60；自动测量；自动照准；运动跟踪；点云；同步提升中图分类号：TU198 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2022)12-2990-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2022.12.051Automatic Measurement Technology of Steel Structure Space Attitude Based on Leica MS60 Multistation ScannerMA Liang1,21.Shanghai Mechanized Construction Group Co.,Ltd.,Shanghai 200072,China;2.Shanghai Engineering Research Center of Oriented in Typical Building Application Robot,Shanghai 200072,ChinaAbstract:The unique cylindrical grid steel structure attached to the wind tower in the 14th District Project of Shanggang Port is constructed and installed by means of advanced computer synchronous control hydraulic lifting.The project is located in the north of Baoshan,Shanghai,and close to the mouth of the Yangtze River.The construction environmental conditions are harsh.Constrained by a variety of complex factors,the efficiency and accuracy of steel structure measurement during hoisting are required.The project team develops a set of technical methods and monitoring systems for automatic measurement of component space motion posture that can maintain data interaction with the hydraulic hoisting system.The hardware matching,software development and operation mode of the automatic measurement technology are described in detail.Through the successful application of this technology in the lifting of wind tower steel structure,the efficiency and quality of automatic measurement are greatly improved.Keywords:Leica MS60;automatic measurement;motion tracking;motion tracking;point cloud;synchronous lifting最后的拼装精度，测量的效率将直接影响同步提升的实际工效。本文通过引入自动测量技术3，就钢结构提升过程中的空间姿态高精度实时获取的关键性技术进行了分析与开发。1 项目概况上港十四区项目中（图1）高度为180 m的风塔是上海市重大市政工程“沿江通道越江隧道浦西段”重要的配套附属工程。风塔采用钢筋混凝土核心筒加悬挑桁架梁的结构形式。外挂的幕墙钢结构为柱面网格钢结构，包含三大段大落空区域吊挂段，最大吊挂距离44 m。吊挂段上端与主体结构通过铰支座连接，下端与主体结构通过滑动支座连接，上下支座之间横向与主体结构无任何连接，安装难度大，安全风险高，且风塔幕墙钢结构外侧附着幕墙转接件，安装精度要求高。项目团队确定了三大吊挂段幕墙钢近年来，悬挂结构体系工程的应用较多，上海中心的外幕墙钢支撑结构是外幕墙的支承骨架，采用柔性吊挂钢支撑体系，施工精度要求高，危险性大，当时采用的是整体悬挂式升降平台实施技术，对比于满堂脚手架法、吊篮法等，已大幅提高了施工工效和施工精度1。上港十四区风塔外圈分区悬挂的幕墙支撑钢结构采用自上而下的逆向施工工艺，即地面组拼、整体提升，进一步提高了施工工效2。整体提升技术中，同步提升的精度控制将直接影响基金项目：上海市科学技术委员会课题（19DZ2252200）。作者简介：马 良（1988），男，本科，工程师。通信地址：上海市静安区洛川中路701号5号楼108室（200072）。电子邮箱：收稿日期：2022-09-26数字建造DIGITAL CONSTRUCTION建筑施工第44卷第12期2991结构采用6台液压同步提升设备的“计算机同步控制液压提升”和“地面分段拼装、整体累积提升”相结合的工艺进行安装，最大提升质量424 t，最大提升行程92 m。整体就位连续提升3次，提升总行程224 m，提升总质量1 368 t。图1 上港十四区项目风塔效果图2 应用背景为克服钢结构存在的自重较大、高空散件施工复杂等技术难点，近年来多应用“地面拼装、整体提升技术”，即在地面整体完成构件拼装，再由如液压起重设备为代表的提升机构，将构件整体提升至实际标高的施工方法。目前对构件提升过程中空间姿态的控制，采用以下2种方式：1）在液压油缸提升装置上安装长度传感器，该方式可以快速获得提升方向的单一坐标，但存在无法消除累积误差的缺点，以及无法获得其他2个维度的空间坐标。2）在提升施工现场，通过人工架设全站仪的方式进行测量，该方式获得的数据虽然可用于修正液压油缸上长度传感器的累积误差，但该方法测量速度极慢：搬站、整平、设站、定向、测量、记录等工序的不断循环，大大降低了施工效率。此外，这种方式不仅会对全站仪仪器产生损耗，同时也会因受制于一线测量工的技术水平，降低了测量数据的可靠性。本项目的地址位于宝山北，紧邻长江口，施工环境条件恶劣，构件无论是悬停或是提升过程，大风都有可能使提升钢绞线下的钢结构摆动。为保证项目安全推进，对构件空间坐标的采样频率也提出了高要求。3 技术开发在这样的技术背景下，项目团队开发了一套可与“计算机同步控制液压提升系统”保持数据交互的构件空间姿态自动测量的技术方法与监测系统。硬件配置方面：在构件整体提升前，需在待测构件外侧的上下弦，均匀布置多个360监测棱镜，并保持和具有自动测量功能的全站仪之间的通视条件。在360监测棱镜安装完成后，立即采用全站仪配合同步测量监测系统采集数据，作为提升初始数据。提升过程中，当提升完成一个行程，具有自动测量功能的全站仪将通过自动识别监测棱镜，自动照准棱镜中心，自动测量并实时返回该棱镜的空间三维坐标，此坐标信息进入同步测量监测系统，通过和前一次的测量坐标值差值进行比较，获得监测点位的变形值。该数据用于控制构件提升状态，辅助并指导提升系统数据修正。这样大幅降低了人员对测量数据的参与度，提高了测量的精度和速度，获得的测量数据可直接进入同步测量监测系统用于提升实施的分析和修正。根据本项目实际需求，采用全站扫描仪徕卡MS60作为三维激光扫描和自动测量的使用硬件，拥有最高0.5 s级角精度，在待提升钢构件上安装徕卡GRZ4的360棱镜（图2），可实现MS60对最大距离1 000 m内的自动照准与运动跟踪，测量精度为1 mm1.5106 D（D为测距）。图2 徕卡MS60和徕卡GRZ4-360监测棱镜软件开发方面：利用徕卡提供的测量机器人的测量串行通信接口GeoCOM，采用RPC技术标准交换ASCII字串符的方式，开发了一套用于控制构件提升空间姿态的同步提升监测系统进行三维坐标数据的采集、分析与输出。该系统包含项目管理、通信设置、已知初始值、设站定向、学习测量、自动测量、超限信息、成果数据、提升视图共9个模块。该同步提升监测系统可最多同时兼容4台具备棱镜跟踪、锁定、自动照准功能的智能全站仪，单次的坐标采集工作可实现最多连续采集16个（本项目设定）目标棱镜的三维坐标数值。通过软硬件的高效联动，本项目实现了仅用一套控制系统，即可同时控制多台智能全站仪，通过自动跟踪棱镜运动，同时自动测量多个目标棱镜的三维坐标，自动分析坐标数值的变化，并开放数据于提升的液压油缸控制系统，实现数据交互与联动控制。该系统大幅度提高了现场测量数据的采集效率，保证了高频率测量数据的可靠性，降低了人工计算与分析的强度，加强了钢构件提升过程的作业安全与姿态稳定，实现了构件“提升悬停测量纠偏调整再提升”的全自动化。4 项目实施4.1 对钢混凝土核心筒的激光扫描复核上港风塔采用现场搭模板泵送混凝土，依据国标GB 马良:基于徕卡MS60全站扫描仪的钢结构空间姿态自动测量技术202212Building Construction2992502042015混凝土结构工程施工质量验收规范的规定，对混凝土核心筒的垂直度、轴线位置、截面尺寸进行严格控制，而未对现浇楼板的平面尺寸定义允许偏差4。实际现场作业中，由于存在着楼板浇筑后拆模的修正工序，可以人工干涉调整现浇楼板的最终平面尺寸，因此，现场实际完成泵送现浇后的楼板尺寸往往存在较大误差。经项目团队计算，外挂的柱面网格钢结构，与核心筒最外侧悬挑桁架的距离约为50 mm，考虑到混凝土核心筒楼板可能存在的平面误差，因此需要保证现状核心筒和即将提升的钢结构不会发生物理碰撞。通过建设方提供的首级控制点而引申出的二级施工控制点，采用徕卡MS60进行全站扫描。通过使用软件Cyclone 3DR计算，经计算机最佳拟合状态分析，最外侧的悬挑桁架实测点云相对深化设计的BIM模型，空间距离以负偏差为主，因而对提升过程不会造成不良影响（图3）。图3 风塔悬挑桁架部分点云与深化BIM模型的对比分析4.2 自动测量的硬件控制根据施工现场建立的二级监测控制点，结合现场通视条件，在合理位置架设全部的3台徕卡MS60，并调平与较准，统一并建立构件提升监测的控制点坐标系（图4）。监测点2监测点3监测点1图4 用于自动测量的3台徕卡MS60的平面布置结合徕卡MS60的架设位置，在待提升钢构件外侧的上下弦，合理安装360监测棱镜及配套工装件。1台徕卡MS60负责该方向钢构件上下弦，共4个棱镜的自动测量工作（图5）。随后启动全站仪，打开计算机中的同步测量监测系统，确认全站仪和监测系统互相通信正常；在构件整体拼11234图5 单台徕卡MS60和被测量360监测棱镜的对应关系装完成且提升作业开始前，对钢构件上安装的棱镜完成第1次测量作业，并自动录入同步测量监测系统，作为提升开始的初始数据。提升作业过程中，即在钢结构的运动状态下，保持1台徕卡MS60对