導(dǎo)語：鋼結(jié)構(gòu)幾何質(zhì)量檢測研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

鋼結(jié)構(gòu)施工一般分節(jié)段制作，現(xiàn)場吊裝焊接完成。為了保證施工質(zhì)量和節(jié)段的順利安裝，分節(jié)段制作的鋼結(jié)構(gòu)桿件制造幾何尺寸精度是否滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求是后續(xù)順利安裝的關(guān)鍵。通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)在安裝前需要進(jìn)行幾何質(zhì)量檢測，以便及時了解制造誤差，為后續(xù)現(xiàn)場拼裝提供數(shù)據(jù)支持。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)幾何質(zhì)量檢測一般采用全站儀測量構(gòu)件節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)方法，然而受制造和焊接等工藝的影響，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)往往并不明顯，數(shù)據(jù)質(zhì)量受作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)影響較大;同時由于全站儀單點(diǎn)測量模式獲取的數(shù)據(jù)十分有限，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜時，測量數(shù)據(jù)將無法全面反映鋼結(jié)構(gòu)的外形特征。基于此，運(yùn)用高精度全站掃描技術(shù)成為鋼結(jié)構(gòu)幾何質(zhì)量檢測的發(fā)展方向。全站掃描技術(shù)是基于全站儀技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)發(fā)展起來的先進(jìn)測量手段，它在具有高精度全站儀優(yōu)點(diǎn)的同時，大幅度提高了三維激光掃描的精度。鑒于鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量相關(guān)規(guī)范要求的允許偏差為毫米級，本文嘗試運(yùn)用全站掃描技術(shù)獲取鋼結(jié)構(gòu)高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，以達(dá)到幾何質(zhì)量檢測的目的。

1全站掃描儀

MS50全站掃描儀MS50是一款技術(shù)先進(jìn)、功能全面的新型測繪儀器，它將高精度智能全站儀技術(shù)、高精度掃描測量技術(shù)及數(shù)字圖像測量技術(shù)集于一身，能快速高效地獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。一方面，作為一款高精度智能全站儀，其一方向一測回水平角和垂直角中誤差均小于1″;測距采用波形技術(shù)(WFD)，具有快速測距、激光斑小、精度高、測量范圍大的特點(diǎn)，棱鏡測距精度達(dá)到1mm+1．5×10－6×D。自動驅(qū)動馬達(dá)可以自動識別、跟蹤和鎖定目標(biāo)。另一方面，作為高精度掃描儀，在測量目標(biāo)處于陰影下陰天、柯達(dá)灰白板時，50m處距離噪聲僅為1．0mm，掃描頻率達(dá)到1000點(diǎn)/s。根據(jù)文獻(xiàn)［1］可知，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、濾波、拼接，模型重構(gòu)，模型和實(shí)物對比分析，在儀器誤差、人為因素和外界環(huán)境的綜合影響下，平面重構(gòu)精度可達(dá)1．2mm，小斷面重構(gòu)后斷面尺寸長度中誤差在0．7mm以內(nèi)，完全可以滿足鋼結(jié)構(gòu)幾何質(zhì)量檢測的要求。

2鋼結(jié)構(gòu)幾何質(zhì)量檢測實(shí)例分析

圖1為某網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)中的一個吊裝單元，吊裝單元是通過單個構(gòu)件在現(xiàn)場焊接而成，如果吊裝單元質(zhì)量檢查合格，則將其吊至設(shè)計(jì)位置進(jìn)行二次焊接拼裝，以形成網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)。2．1現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理?，F(xiàn)場設(shè)置4個控制點(diǎn)進(jìn)行多站掃描，由于是同一坐標(biāo)系中的點(diǎn)云，可以直接進(jìn)行拼接，將拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理、點(diǎn)云分割和融合，得到每個平面和圓柱面點(diǎn)云。2．2特征面擬合方法研究。平面和圓柱面的擬合利用改進(jìn)的選權(quán)迭代算法。點(diǎn)云數(shù)據(jù)規(guī)則面擬合的實(shí)質(zhì)是根據(jù)點(diǎn)云的三維坐標(biāo)估算平面或圓柱面中的參數(shù)，一般可以采用最小二乘法。然而在實(shí)際測量過程中，由于外界環(huán)境等因素的影響，掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可能包含偏離物體表面的點(diǎn)，這些點(diǎn)若不加處理直接參與擬合會使得最小二乘的估計(jì)結(jié)果偏離真實(shí)值，為此需要應(yīng)用具有抗差性的點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合方法。選權(quán)迭代法是目前剔除觀測值中所含粗差的最常用方法，其抗差估計(jì)的原理是采用一個增長慢的函數(shù)ρ(vi)代替殘差平方和v2i進(jìn)行最小二乘平差，并通過迭代的方式來減小粗差點(diǎn)的權(quán)值從而平滑粗差對平差結(jié)果的影響。在實(shí)際運(yùn)用過程中，選權(quán)迭代抗差估計(jì)的實(shí)質(zhì)體現(xiàn)在權(quán)函數(shù)ρ(vi)上，因此相應(yīng)的殘差vi尤為重要。目前，選權(quán)迭代抗差估計(jì)迭代初始?xì)埐钜话阃ㄟ^最小二乘估計(jì)來獲取，然而由于少數(shù)異常點(diǎn)也會使最小二乘估計(jì)結(jié)果不準(zhǔn)確，當(dāng)粗差含量增多時，會導(dǎo)致選權(quán)迭代法的抗差能力降低。另外，選權(quán)迭代抗差估計(jì)本質(zhì)上仍為最小二乘估計(jì)，因此在計(jì)算過程中仍未考慮系數(shù)矩陣中含有誤差的情況。針對上述選權(quán)迭代抗差估計(jì)中的局限性，在原有剔除粗差思想的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)的選權(quán)迭代擬合算法。該算法引入最小截斷二乘估值作為選權(quán)迭代的初值，同時考慮依據(jù)平面和圓柱面方程建立的擬合模型中，系數(shù)矩陣為觀測值和常數(shù)列構(gòu)成，因此用混合最小二乘估計(jì)代替最小二乘估計(jì)應(yīng)用于選權(quán)迭代的參數(shù)估計(jì)中。新的擬合算法不僅合理考慮了擬合模型中系數(shù)矩陣和觀測向量同時存在誤差的情況，而且可以有效提高算法的穩(wěn)健性。利用改進(jìn)的選權(quán)迭代法對吊裝單元所有構(gòu)件進(jìn)行了特征面擬合，擬合結(jié)果可知:平面擬合標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于1mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值為0．49mm，有效點(diǎn)云占比平均值為96．4%;各圓柱面擬合標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0．6mm，平均標(biāo)準(zhǔn)差為0．43mm，有效點(diǎn)云占比平均值為98．1%。由此表明利用MS50全站掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取精度較高，算法擬合質(zhì)量較好。建立平面和圓柱面方程后，通過解聯(lián)立方程即可得到關(guān)鍵點(diǎn)三維坐標(biāo)。2．3三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由于現(xiàn)場采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系不一致，需要進(jìn)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將測量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中，以便進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)幾何質(zhì)量誤差分析。本實(shí)例采用基于單位四元數(shù)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。四元數(shù)法起源于尋找復(fù)數(shù)的三維對應(yīng)物，它的數(shù)學(xué)概念和運(yùn)算規(guī)則最先由愛爾蘭數(shù)學(xué)家哈密頓提出。實(shí)數(shù)、復(fù)數(shù)和向量均可以看作四元數(shù)的特例，可以統(tǒng)一按照四元數(shù)計(jì)算。四元數(shù)表達(dá)式為q=q0+q1i+q2j+q3k451測繪通報2018年第12期式中，i、j、k滿足i2=j2=k2=ijk=－1，jk=－kj=i，ki=－ik=j，ij=－ji=k。用四元數(shù)表達(dá)的三維旋轉(zhuǎn)與使用矩陣相比具有計(jì)算簡單和幾何意義明確的優(yōu)點(diǎn)。四元數(shù)旋轉(zhuǎn)可以避免歐拉角旋轉(zhuǎn)在某些情況下產(chǎn)生的自由度喪失。2．4幾何質(zhì)量檢測。通過旋轉(zhuǎn)參數(shù)將吊裝單元實(shí)測三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到設(shè)計(jì)坐標(biāo)系后，即可以進(jìn)行基點(diǎn)坐標(biāo)偏差比較。節(jié)點(diǎn)偏差統(tǒng)計(jì)如圖3所示，吊裝單元的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)在x、y和z方向上的偏差絕大部分小于1cm，而且在5mm以內(nèi)的占50%以上。根據(jù)規(guī)范要求，對吊裝單元的直線型桿件、圓柱形桿件尺寸及吊裝單元整體尺寸進(jìn)行幾何質(zhì)量檢測。檢測結(jié)果表明:直線型桿件寬度合格率達(dá)到90．7%，最大正偏差和負(fù)偏差為4．2mm和－3．8mm，略大于允許偏差規(guī)定的±3mm。直線型桿件長度合格率達(dá)到90．4%，最大正偏差和負(fù)偏差為10．5mm和－10．8mm，略大于允許偏差規(guī)定的±10mm。圓柱形桿件半徑合格率為100%。吊裝單元整體尺寸偏差均在規(guī)范規(guī)定的±5mm范圍內(nèi)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，吊裝單元幾何質(zhì)量檢測結(jié)果基本滿足規(guī)范要求，可以進(jìn)行吊裝作業(yè)。

3結(jié)語

由于焊接的影響，往往很難直接測量節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)從而對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何質(zhì)量評價。利用高精度全站掃描儀對鋼結(jié)構(gòu)掃描，掃描點(diǎn)云預(yù)處理，特征面擬合、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)求解、三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，最后將實(shí)測數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以達(dá)到對鋼結(jié)構(gòu)幾何質(zhì)量進(jìn)行評價的目的。通過分析和實(shí)例研究表明，全站掃描儀的精度可以滿足鋼結(jié)構(gòu)幾何質(zhì)量檢測的要求，筆者開發(fā)的一套數(shù)據(jù)處理程序能夠快速得到被檢測鋼構(gòu)在設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下的三維模型，不僅可以利用該模型進(jìn)行幾何質(zhì)量檢測，也可以為鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字預(yù)拼裝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

作者:鄧念武 李萌 張梟 楊統(tǒng) 單位:武漢大學(xué)水利水電學(xué)院