基于三维激光扫描和云平台的钢结构桥梁虚拟预拼和检测方法与流程

本发明涉及桥梁技术领域，具体涉及一种基于三维激光扫描和云平台的钢结构桥梁虚拟预拼和检测方法。

背景技术：

由于受到运输或吊装等条件的限制，钢结构桥梁一般只能采用分段、分体的方式进行制作或安装，为了检测其制作的整体性和准确性以及保证现场安装定位的顺利实施，在构件出厂前需要进行工厂内预拼。钢结构桥梁的构件形式比较复杂，且构件之间具有空间关联性，对构件间接口的制作精度要求很高，由于累积误差的影响，有时仅靠控制单体构件精度无法满足现场安装要求，因此，对于复杂的构件，通常要求在加工厂进行精确测量和预拼。

传统技术是采用全站仪、钢尺和检验模板等方式进行构件检测，再进行整体预拼。此种方式的不足之处是：所需场地面积大，预拼过程繁琐，测量时间长，检测费用高，检测精度低，更为重要的是随着钢结构的发展，出现了大型三维空间异形结构，传统的预拼方法已经无法满足现在钢结构发展的需求。

由于场地、吊装设备、时间周期等方面的限制，有时不具备整体预拼的条件，虚拟预拼技术应运而生。但已有的虚拟预拼技术仍采用常规的全站仪、卷尺等设备，几何点坐标采集难度非常大，一般仅采集数量很少的特征点坐标。

利用3D光学扫描测量系统对构件进行三维光栅扫描的计算机仿真模拟预拼装方法，需要给构件外表面贴数码点和标记点，对于几何尺寸很大的钢结构桥梁节段该过程操作繁琐，实施过程中高空作业危险性较大，且三维光栅扫描的精度也难以保证。

综上所述，急需一种工期短、成本低、精度高、便于安全实施以及数据真实性有保障的钢结构检测和预拼的方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种工期短、成本低、精度高、便于安全实施以及数据真实性有保障的钢结构检测和预拼的方法，具体技术方案如下：

一种基于三维激光扫描和云平台的钢结构桥梁虚拟预拼和检测方法，包括检测钢结构梁段的制造误差和桥梁虚拟预拼装；

检测钢结构梁段的制造误差，具体包括以下步骤：

步骤a1、根据设计数据建立钢结构梁段的理论模型；采用三维激光扫描仪采集钢结构梁段的点云数据，获得钢结构梁段的实测模型；将钢结构梁段的理论模型和实测模型进行比较来检测制造误差；

步骤a2、判断制造误差是否处于控制范围内，若制造误差超过控制范围，则调整相应节段的钢结构梁段，返回步骤a1；若制造误差位于控制范围内，则钢结构梁段满足要求；所有钢结构梁段均符合要求后进入桥梁虚拟预拼装；

桥梁虚拟预拼装，具体包括以下步骤：

步骤b1、将钢结构梁段的实测模型进行坐标转换，使得所有钢结构梁段的实测模型的坐标统一到一个坐标系中；将所有钢结构梁段进行全桥整体虚拟预拼装，得到虚拟预拼后的桥梁；

步骤b2、判断虚拟预拼后的桥梁是否满足要求，若虚拟预拼后的桥梁不满足要求，则挑选出不符合要求的节段所对应的钢结构梁段，对相应钢结构梁段进行微调，采用三维激光扫描仪采集钢结构梁段的点云数据，重新得到其实测模型，返回步骤b1；若虚拟预拼后的桥梁满足要求，则完成桥梁的虚拟预拼装。

为了达到更好的技术效果，还包括合龙段的虚拟预拼装和合龙过程，具体是：首先，采用三维激光扫描仪采集合龙段以及与合龙段两端相连的钢结构梁段的点云数据，将合龙段与其相连的钢结构梁段进行虚拟预拼装，确定合龙段的修裁切割余量；其次，对合龙段进行修整，吊装修整后的合龙段进行桥梁合龙。

以上技术方案中优选的，所述点云数据的采集过程是：在钢结构梁段或合龙段的四周架设2-8站扫描仪进行扫描采集点云数据，钢结构梁段或合龙段布设4-5个球形靶标以便于数据拼接。

以上技术方案中优选的，所述点云数据采集后被同步上传到云平台，并对点云数据进行处理，得到钢结构梁段和合龙段的实测模型。

以上技术方案中优选的，对点云数据进行处理的具体过程是：将原始点云数据导入Geomagic软件中，通过去噪、修复以及封装处理后即得钢结构梁段或合龙段的实测模型。

以上技术方案中优选的，所述虚拟预拼装具体操作是：提取相邻两节段钢结构梁段或者合龙段与其连接的钢结构梁段的拼接面的数据群，将数据群中的数据通过减去数据群的平均值而实现中心化；将中心化后的拼接面数据群在同一坐标系下显示，展示出两拼接面的吻合度，查看两拼接面的偏差是否在允许范围内；在相邻拼接面上均匀选取8-10个点作为公共点，完成坐标转换，实现两节段钢结构梁段的两两相拼。

以上技术方案中优选的，将理论模型和实测模型进行比较的方法包括以下两种：第一种、先在Auto CAD中根据设计数据画出待测钢结构梁段的三维模型，然后将待测钢结构梁段的点云数据导入Auto CAD中与三维模型进行比较；第二种、在Geomagic软件中对单节段的钢结构梁段的三维模型进行多次截面，获取该钢结构梁段的三维尺寸，然后与设计数据进行对比。

以上技术方案中优选的，所述理论模型采用三维建模软件Auto CAD进行建立。

以上技术方案中优选的，所述点云数据采用三维激光扫描仪在凌晨或没有日照的情况下进行采集。

以上技术方案中优选的，所述步骤a1具体是：先建立桥梁中所有钢结构梁段的理论模型，再得到所有钢结构梁段的实测模型，最后再将相应节段的钢结构梁段的理论模型和实测模型进行比较；

或者是，先建立某一节段钢结构梁段的理论模型，再得到此节段钢结构梁段的实测模型，最后再将此节段的钢结构梁段的理论模型和实测模型进行比较；重复以上步骤完成所有钢结构梁段的检测。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明所公开的基于三维激光扫描和云平台的钢结构桥梁虚拟预拼和检测方法，包括检测钢结构梁段的制造误差以及桥梁虚拟预拼装，详情是：它通过三维激光扫描采集钢结构梁段的点云数据，通过数字拟合等处理得到钢结构梁段的三维空间模型(即实测模型)，并将其和理论模型进行对比，高精度的检测出每节段钢结构梁段的制造误差；当桥梁中所有钢结构梁段均已满足节段要求后，进行节段的两两相拼，直到完成整桥的虚拟预拼，使得钢结构桥梁的预拼不再受限于场地和吊装设备的制约。

(2)本发明中还公开了合龙段的虚拟预拼装和合龙过程，具体是：首先，采用三维激光扫描仪采集合龙段以及与合龙段两端相连的钢结构梁段的点云数据，将合龙段与其相连的钢结构梁段进行虚拟预拼装，确定合龙段的修裁切割余量；最后，对合龙段进行修整，吊装修整后的合龙段进行桥梁合龙。工期短、成本低、精度高、便于安全实施，能保证合龙段一次吊装成功。

(3)本发明中所述点云数据的采集具体过程是：在钢结构梁段或合龙段的四周架设2-8站扫描仪进行扫描采集点云数据，其中：钢结构梁段或合龙段上布设4-5个球形靶标便于点云数据拼接，以获得钢结构梁段或合龙段的全部点云数据，用于后续建模；采集点云数据后将点云数据同步上传到云平台，避免数据处理过程中出现差错，或者人为的修改，保证数据的绝对真实性，提高质量；对点云数据进行处理的具体过程是：将原始点云数据导入Geomagic软件中，通过去噪、修复以及封装处理后即得钢结构梁段或合龙段的实测模型，操作方便，且实测模型的精准度和真实度高。

(4)本发明中虚拟预拼装具体操作是：提取相邻两节段钢结构梁段或者合龙段与其连接的钢结构梁段的拼接面的数据群，将数据群中的数据通过减去数据群的平均值而实现中心化；将中心化后的拼接面数据群在同一坐标系下显示，这样可以直观的展示出两拼接面的吻合度，查看两拼接面的偏差是否在允许范围内，预拼装方法精简，易于实现。在相邻拼接面上均匀选取8-10个点作为公共点，完成坐标转换，实现两钢结构节段的两两相拼，该方法易于实现，快捷高效。

(5)本发明中将理论模型和实测模型进行比较的方法包括以下两种：第一种、先在Auto CAD中根据设计数据画出待测钢结构梁段的三维模型，然后将钢结构梁段的点云数据导入Auto CAD中与三维模型(实测模型)进行比较；第二种、在Geomagic软件中对单节段的钢结构梁段的三维模型(实测模型)进行多次截面，获取该钢结构梁段的三维尺寸，然后与设计数据进行对比。有两种方法可实现理论模型和实测模型的比对，两者可单一使用，也可结合使用，满足不同的需求。

(6)本发明中采用三维建模软件Auto CAD建立钢结构梁段的理论模型，操作方便，且精准度高。采用三维激光扫描仪在凌晨或没有日照的情况下进行数据采集，能减少温度对钢结构几何尺寸的影响，三维激光扫描在光线不足甚至黑暗的环境下都能正常扫描，给点云数据采集工作带来了便利。

(7)本发明中钢结构梁段的理论模型的建立、实测模型的获得以及实测模型和理论模型的比对有两种方式，详情是：第一种：逐一完成单节段钢结构梁段的检测，即先对某一节段的钢结构梁段依次建立理论模型、获得实测模型以及将其理论模型和实测模型进行比对，再处理下一节段的钢结构梁段，重复上述过程实现所有钢结构梁段的检测；第二种：同步完成所有节段钢结构梁段的检测，即：先建立所有钢结构梁段的理论模型，再获得所有钢结构梁段的实测模型，最后对所有钢结构梁段的理论模型和实测模型进行比较，实现所有钢结构梁段的检测。以上两种方式可以满足不同的需求，实用性强。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例1基于三维激光扫描和云平台的钢结构桥梁虚拟预拼和检测方法的流程示意图；

图2是实施例2基于三维激光扫描和云平台的钢结构桥梁虚拟预拼和检测方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1，一种基于三维激光扫描和云平台的钢结构桥梁虚拟预拼和检测方法，包括以下步骤：

第一步、建立钢结构梁段的理论模型，具体是：采用三维建模软件Auto CAD建立第n节段钢结构梁段的理论模型，n为大于等于1且小于等于桥梁中钢结构梁段总数；

第二步、采用三维激光扫描仪采集第n节段钢结构梁段的点云数据，形成桥梁中钢结构梁段的实测模型，具体是：在钢结构梁段的四周架设2-8站扫描仪，站与站之间布设4-5个球形靶标，采用三维激光扫描仪采集桥梁中第n节段钢结构梁段的点云数据，采集点云数据后将点云数据同步上传到云平台；并对点云数据进行处理(具体是：将原始点云数据导入Geomagic软件中，通过去噪、修复以及封装处理)，得到钢结构梁段的实测模型；

第三步、将第一步中建立的第n节段钢结构梁段的理论模型与第二步中获得的对应节段钢结构梁段的实测模型进行比较来检测制造误差，若制造误差超过控制范围，则调整此节段钢结构梁段，返回第一步；若制造误差位于控制范围内，则取n＝n+1，若n小于等于桥梁中钢结构梁段总数，则返回第一步，若n大于桥梁中钢结构梁段总数，则进入下一步；

此步骤中：将理论模型和实测模型进行比较的方法包括以下两种：第一种、先在AutoCAD中根据设计数据画出待测钢结构梁段的三维模型，然后将待测钢结构梁段的点云数据导入Auto CAD中与三维模型进行比较；第二种、在Geomagic软件中对单节段的钢结构梁段的三维模型进行多次截面，获取该钢结构梁段的三维尺寸，然后与设计数据进行对比；

第四步、将所有钢结构梁段的实测模型进行坐标转换，统一到同一坐标系中；将全部钢结构梁段进行全桥整体预拼装，得到虚拟预拼后的桥梁；

第五步、判断虚拟预拼后的桥梁是否满足要求，若虚拟预拼后的桥梁不满足要求，则挑选出不符合要求的节段所对应的钢结构梁段，对相应钢结构梁段进行微调后重新采集点云数据并形成实测模型，返回至第四步；若虚拟预拼后的桥梁满足要求，则完成桥梁的虚拟预拼装；

第六步、合龙段的虚拟预拼装和合龙过程，具体是：首先，采用三维激光扫描仪采集合龙段以及与合龙段两端相连的钢结构梁段的点云数据，将合龙段与其相连的钢结构梁段进行虚拟预拼装，确定合龙段的修裁切割余量；其次，对合龙段进行修整，吊装修整后的合龙段进行桥梁合龙。

上述第一步至第三步为检测钢结构梁段的制造误差过程，第四步至第五步为桥梁虚拟预拼装过程，第六步为合龙段的虚拟预拼装和合龙过程。

上述虚拟预拼装具体操作是：提取相邻两节段钢结构梁段或者合龙段与其连接的钢结构梁段的拼接面的数据群，将数据群中的数据通过减去数据群的平均值而实现中心化；将中心化后的拼接面数据群在同一坐标系下显示，这样可以直观的展示出两拼接面的吻合度，查看两拼接面的偏差是否在允许范围内，预拼装方法精简，易于实现。在相邻拼接面上均匀选取8-10个点作为公共点，完成坐标转换，实现两钢结构节段的两两相拼，该方法易于实现，快捷高效。

所述点云数据的采集采用三维激光扫描仪在凌晨或没有日照的情况下进行采集。

本实施例中可在工厂制造单一钢结构梁段或合龙段后依次进行，也可以在工厂制造所有钢结构梁段和合龙段后再进行。

应用本实施例的技术方案，效果是：

(1)缩短工期，传统的实体预拼必须在所有构件都生产完毕才能进行，基于三维激光扫描和云平台的钢结构桥梁虚拟预拼新技术在单个构件制作完成后，生产其他构件单元的同时即可扫描其点云数据，整个钢结构生产过程中，省去了实体预拼的流程，能极大的缩短所需的工期。三维激光扫描每秒可采集百万个点，相比于传统的检测具有显著的优势。

(2)降低成本，虚拟预拼能省去实体预拼需要的场地、吊装设备、胎架以及人力等，三维激光扫描仪可多次重复使用，因此，基于三维激光扫描和云平台的钢结构桥梁虚拟预拼和检测方法综合成本更低。

(3)提高精度，基于三维激光扫描和云平台的钢结构桥梁虚拟预拼和检测方法充分利用三维激光扫描的优势，相比于常规虚拟预拼和检测采用全站仪、钢尺等工具，具有高分辨率、高精度的特点。三维激光扫描的海量点云数据更是比常规测量手段仅仅测量有限个点的方式具有无法比拟的优势。同时，三维激光扫描比3D光学扫描测量系统具有更高的精度。

(4)便于实施，实体预拼需要有配套的场地、吊装设备和胎架等，当制作的构件规模较大时，一般的场内不具备整体拼装的条件，大规模空间结构的整体预拼一般无法进行。3D光学扫描测量系统需要在构件上贴数码点和标记点，实施不便，存在安全隐患。基于三维激光扫描和云平台的钢结构桥梁虚拟预拼和检测新技术化整为零，对单个构件依次进行三维激光扫描，之后利用数字技术进行整体虚拟拼装，对场地和吊装设备等要求不高，便于实施。由于采用了无接触测量模式，不需要作业人员爬到构件上部，安全性更高。

(5)保障数据真实性，将三维激光扫描的点云数据实时上传到云平台，有利于监督管理者掌握第一手资料，保障数据的真实性。

(6)还可以配备报警器，当连续多次钢结构梁段的制造误差超出误差限制时，报警器进行报警，提醒施工人员对钢结构生产设备和生产工艺等进行检查。

实施例2：

与实施例1不同之处在于第一步、第二步和第三步，见附图2，详情是：

第一步、建立钢结构梁段的理论模型，具体是：工厂制造所有节段的钢结构梁段，采用三维建模软件Auto CAD建立所有节段的钢结构梁段的理论模型。

第二步、采用三维激光扫描仪采集所有节段的钢结构梁段的点云数据，形成所有钢结构梁段的实测模型。

第三步、将第一步中建立的所有节段的钢结构梁段的理论模型与第二步中获得的相对应节段的钢结构梁段的实测模型进行比较来检测制造误差，若制造误差超过控制范围，则返修此节段钢结构梁段，重新获得此节段钢结构梁段的实测模型，并和理论模型比较重新检测制造误差；若制造误差位于控制范围内，则进入下一步。

采用本实施例的技术方案的效果同实施例1。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。