三維激光投影技術在核電廠施工放樣中的應用

王開誠,許志強,赫海濤,王寶迪,廖靜瑜,路宏杰,張亞軍

(1.中國核工業二三建設有限公司,北京 100000,2.深圳普達核工業數字測控有限公司,廣東 深圳 518120)

1 引 言

施工放樣是工程施工的關鍵基礎作業,是將設計圖紙上建筑物的平面及高程坐標采用一定的測量技術在實地標定出來,并作為其他施工活動的依據,其對工程施工質量及進度有著直接影響。準確、周密的定位放線工作不但關系到一個工程是否能順利按圖施工,還為工程質量提供重要的技術保證,為工程質量檢查等工作提供方法和手段[1]。

當前核電廠建安領域主要通過全站儀實現各設備設施安裝的定位點放樣,該方法主要通過架設全站儀測量反射棱鏡獲取當前坐標值,并與理論放樣值進行偏差計算,再反復移動反射棱鏡直至在理論放樣位置時進行劃線,該方法施工效率較低,需要測量人員多次調整直至找到理論放樣位置;對人員技能水平依賴性較高,單點放樣時間往往取決于測量人員持反射棱鏡找點時間,現場放樣時間占據了設備安裝工期的大量時間,嚴重影響項目工程進度和施工質量。

施工放樣作為工程建設的基礎,一直備受國內外相關學者的關注,在施工放樣方法改進方面近些年也有一定的研究。其中國內學者李昂、熊文豪、彭輝等人在2022年提出基于BIM放樣機器人的快速施工放樣技術研究,他認為基于BIM的放樣機器人能夠實現對BIM技術圖紙的三維化應用,在施工現場根據BIM技術平臺構建的三維虛擬模型進行放線作業[2],相較傳統的全站儀放樣方式智能化程度更高,其現場放樣形式與全站儀類似,均為單點測量;另外國內學者錢躍磊、關小果、李陽等人提出了GNSS技術在工程放樣中的應用研究,他們認為在施工放樣中GNSS技術相較于全站儀雖然放樣精度不高,但該方法無需架站定向,操作方便、勞動強度小,能全天24 h作業,在施工效率方面有很大的提升[3]。

綜上分析,上述研究成果雖然對提高施工放樣效率方面有一定成效,但在提高效率同時保障測量精度的前提下,尚無法滿足核電廠快速施工放樣的需求。為了解決這一難題,本文主要提出了應用三維激光掃描技術實現核電廠快速施工放樣的方法,近些年三維激光投影技術得到飛速發展,其能夠以激光線條的方式將三維模型聚焦投影至工作面上,具有精度高、柔性化、易控制等特點,在大型工件制造及裝配數字化定位中得到廣泛應用[4]。本文通過分析三維激光投影技術特點和工作方法,以及在某核電項目現場進行應用和對比分析,驗證了其在核電廠施工快速放樣中的可行性,解決傳統放樣方法施工效率低、人力投入成本高等問題,對提高施工效率、保障核電建造質量、推動我國核電施工技術向智能化、數字化發展具有重要意義。

2 三維激光投影技術介紹

2.1 三維激光投影技術原理

三維激光投影系統采用機械掃描的設計思路,利用電流大小控制振鏡電機的轉動,實現振鏡的高速掃描。利用兩套獨立振鏡系統組合成二維掃描,具有較大的轉角范圍和大視場掃描[5]。

如圖1所示,在計算機通過數字板卡發出指令后驅動電路將將驅動激光器發出準直激光束,入射到X軸反射鏡上,經過X軸振鏡的偏轉掃描實現水平方向反射,激光束再入射至Y軸反射鏡上,經過Y軸振鏡的偏轉實現俯仰方向反射,即可將激光束投影到工作面上,通過變換兩軸振鏡的夾角,系統可實現待投影工作面的往復掃描,形成完整連續的三維激光束輪廓[6],從而完成投影工作面上的激光三維投影。

圖1 三維激光投影技術原理

2.2 三維激光投影設備

本次選用因凱自動化技術有限公司提供的RayTracer高精度激光投影儀,該儀器主要由主機(激光器、準直擴束裝置、聚焦裝置、高速二維振鏡及控制板卡等)、支撐三腳架、計算機及相應操控軟件等組成。能夠實現精確可靠的遠距離投影和高級軌跡控制,其主要技術參數如表1所示。

表1 RayTracer高精度激光投影儀技術參數

2.3 三維激光投影技術在核電廠施工放樣中應用的可行性分析

為了分析三維激光掃描技術在核電廠施工放樣中應用的可行性,對現場主要施工專業的放樣精度和施工場景進行了現場調研和和數據收集,并匯總如表2所示。

表2 核電廠主要專業施工放樣需求調研數據

從表2中可以看出,目前核電廠主要施工專業的放樣環境位于房間內,測量范圍最大為10 m,放樣精度最高為1 mm,而在放樣形式方面各個專業根據具體施工活動有著各自的需求,其中管道、電氣、通風方面需要設備就位的中心軸線,在預制加工方面需要先將加工尺寸形狀放樣出來才能進行加工。但受制于全站儀的單點放樣方式,目前主要是通過全站儀放出關鍵點位,如直線兩端點,再由施工人員進行連線,形成設備中心軸線進行安裝就位。

而從表1中可以看出三維激光投影系統測量精度為0.25 mm/5 m,投影距離最大為15 m,考慮到現場主要放樣場景和范圍,其放樣在10 m位置的精度則為0.5 mm,滿足其最大1 mm的精度要求。其次該系統支持CAD三維模型導入功能,可實現直線、圓周、三維線框等多種投影方式,相較于全站儀的放樣方式,三維激光投影技術能夠較好的滿足現場放樣需求。

3 三維激光投影技術在核電廠快速施工放樣中的應用

3.1 總體實施思路

三維激光投影技術在核電廠快速施工放樣中的總體實施思路主要分為技術準備階段、現場準備階段、投影放樣階段和質量檢查階段這4個主要方面。每個階段均有具體的工作內容和詳細的實施思路[7],如圖2所示。

圖2 總體實施思路

3.2 技術準備

在前往現場進行放樣前,需要進行技術準備工作。首先進行圖紙資料的了解,進行現場探勘,根據現場實際情況和放樣需求確定放樣儀器、施工人員和主要施工方法,編制實施方案并進行技術交底,確保施工人員在現場能夠安全、有效的完成放樣工作。

3.3 儀器現場定位

3.3.1 目標定位點介紹

目標定位點主要作用是用于三維激光投影系統現場定位,由具有回光反射材料的反射膜制作而成,這種回光反射膜一面,由直徑大約 50 um 的玻璃微珠或微晶立方角體組成。如圖3所示,每個微珠具有貓眼或反射棱鏡功能,將反射光由入射光的方向反射回去[8],通過低強度曝光就可以產生高對比度標志圖像,從而實現快速、準確而可靠的定位。而定位點的布設需要覆蓋整個投影范圍,在不同高度上呈空間立體式進行布設。

圖3 目標定位點反射示意圖

3.3.2 儀器現場定位

在使用三維激光投影系統進行放樣前,該系統與投影工作面相對位置關系的確定是能否實現精確放樣的前提,即系統在進行定位放樣之前應先完成投影坐標系與現場坐標系之間的相互轉換工作,將投影坐標系轉化至現場坐標系之內[9]。

其中,投影坐標系是依托于現場坐標系而建立的,在投影工作面上布置若干個目標定位點(通常為6個),這些目標定位點通過其他測量系統(如全站儀、激光跟蹤儀、攝影測量系統等)測量出它們現場實際坐標信息。

在布設定位點并獲取其現場坐標信息后,三維激光投影系統通過控制二維振鏡使激光束準確掃描到這些目標定位點,控制器分別記錄激光束掃描到各目標定位點時X軸檢流計和Y軸檢流計的偏轉角度值水平角H、俯仰角V,利用坐標系的平移矩陣和旋轉矩陣完成投影坐標系和現場坐標系的變換,再通過計算得到二維振鏡偏轉角度值與現場坐標系下的坐標關系,最終確定投影系統與被投影工作面之間的精確位置關系,完成系統的現場定位工作[10]。圖4為儀器現場定位示意圖。

圖4 儀器現場定位示意圖

3.4 投影放樣階段

投影放樣階段主要包括放樣數據的導入、放樣數據的選擇及現場投影這兩個步驟。

3.4.1 放樣數據的導入

三維激光投影系統放樣根據現場需求有兩種不同的數據導入方式,其中放樣定位點、直線可進行放樣程序編輯,導入放樣點坐標信息進行放樣;如需要放樣三維模型可直接將三維模型文件導入至軟件中,選取所需要放樣的圖形進行投影即可。

(1)放樣程序編輯

在進行定位點放樣時,通常需要在TXT格式文本中進行放樣程序編輯,輸入目標定位點坐標信息和放樣點信息,將該文件導入至軟件中即可進行投影。

如圖5所示,目標定位點“$*TARGET 1 436.036290 0.555807 184.700351 TGT_1”則為定位點1的坐標信息,以點位編號X值坐標、Y值坐標、Z值坐標 TGT_1 格式依次編寫,中間用空間進行間隔標識。

圖5 放樣程序編輯及放樣點、直線導入

放樣點的編寫與目標定位點基本一致,都是X、Y、Z坐標的順序,放樣點是以線的方式進行編輯。首先輸入首個點,然后根據圖形順序進行依次輸入。

(2)三維模型文件導入

三維激光投影系統支持STEP、IGES、SAT等三維格式文件導入,只需通過導入功能選擇對應的格式即可完成三維模型導入工作,如圖6所示。

圖6 三維模型導入

3.4.2 放樣數據的選擇及投影

在完成放樣數據導入后,通過選擇投影數據(點、直線、三維模型等)即可完成投影操作,系統根據指令在投影工作面上投影出相應的圖形。

其操作方法較為簡便,通過操控軟件中的儀器-激光發射器-投影對象功能,選擇相應的投影對象后即可實現現場快速批量化放樣。如圖7所示,以本次投影為例,可一次性放樣4個支架的定位點,且以直線方式進行投影,施工工人可直接進行劃線,大幅提升現場施工效率。表3為放樣數據。

表3 支架定位點三維激光投影系統放樣數據

圖7 現場支架定位點批量化放樣

3.5 質量檢查

在工程施工中為了保障放樣質量,通常會使用其他測量手段進行復核,如圖8所示,如通過卷尺拉距墻尺寸反算、第三方點位檢查等,如要條件可以使用其他測量儀器對放樣點進行抽檢。為了驗證三維激光放樣系統在實際放樣過程中可行性,本次采用目前工程主要測量儀器全站儀對放樣點進行復測,表4為檢測數據。

表4 支架定位點全站儀復查數據

圖8 支架定位點現場復查

3.6 數據對比分析

將三維激光投影系統放樣數據與全站儀復測數據進行對比分析,如表5所示,兩次數據最大偏差RMS(均方根)為0.36 mm,能夠滿足現場施工放樣1 mm的精度要求。

4 影響放樣精度的誤差分析

測量誤差是普遍存在的,且是可以積累的,這是受設備人員環境等因素影響的必然結果。在三維激光投影放樣過程中,若忽視微小偏差帶來的影響,則會導致系統性的誤差累積,必然影響整體測量精度。因此,需要采取各種方法手段來削弱誤差對系統性測量帶來的影響。

4.1 儀器誤差分析

儀器方面影響放樣精度的因素主要包括系統定位誤差和機械磨損誤差。其中系統定位誤差是施工放樣的主要誤差來源。三維激光投影系統在進行定位時需要測量目標定位點,而其定位坐標的準確性取決于反射膜的好壞和定位反射膜安裝位置的好壞[11],以及兩次測量之間的儀器系統誤差也將造成系統定位誤差的產生,該誤差主要通過重復測量和目標定位點的維護來進行減弱。

而機械磨損老化誤差主要是由于激光器長時間、高速旋轉會對系統主軸帶來損傷,而主軸的機械磨損將導致激光器不能保持恒定的速度進行運轉[11],從而對系統定位和投影放樣精度造成影響,該誤差是日積月累形成的,在使用過程中注意儀器保養可以延長使用壽命。

4.2 環境影響分析

在放樣過程中所處環境的溫度、濕度、風力、大氣折射、能見度等因素屬于不可控的因素,這些因素變化對測量結果都會產生一定的影響。在本應用場景范圍下分析,其主要在室內進行投影放樣,主要環境誤差來源是架設基礎的穩定性。即架設的基礎面發生震動、沉降都將導致投影系統發生位移,從而導致投影放樣數據發生偏差。該誤差主要通過拉取警戒帶、禁止放樣區域較大的吊裝、切割作業等措施進行規避。

4.3 人為因素影響分析

三維激光投影工作的開展主要依靠人員的操作進行,人員的專業能力水平是存在差異性的,不同人員的測量操作方法會有一定的區別,不同的操作人員進行操作也會造成誤差,可以通過加強操作人員的技能培訓,提高技術操作人員的熟練程度來降低人員操作的誤差[11]。

5 結 論

文中主要提出了應用三維激光投影技術實現核電廠快速施工放樣的方法,通過可行性分析和在某核電項目現場應用。以及與目前主要放樣儀器全站儀進行數據對比分析,可以得出相較于傳統放樣方法,三維激光投影技術可以一次投射出視場范圍內的所有定位點和圖形,實現快速、批量化放樣,通過與全站儀的復測數據對比分析來看,其最大偏差為0.36 mm,能夠較好的滿足現場施工放樣1 mm的精度要求。

三維激光投影技術作為一種新興的數字化定位技術,能夠以數字激光線條形式一次投影成型的方式進行智能放樣,相較于傳統施工放樣方式,大幅提高施工效率,保障施工質量,在核電廠快速施工放樣中具有一定的應用前景,在提高我國核電領域基礎施工智能技術裝備水平,推動施工技術裝備向數字化、智能化、自動化與現場施工相融合方向發展具有重要意義。