三維掃描技術在高層建筑鋼結構施工中的應用研究

王志剛

摘要：闡述在三維掃描技術的優越性，將三維掃描技術應用于高層建筑鋼結構施工中的鋼結構柱三維定位、吊裝等方面，通過鋼結構廠房應用實例進行驗證，結果表明該廠房鋼結構件的安裝偏差很小，安裝施工完全符合技術要求，達到了本文研究目的。

關鍵詞：三維掃描技術；高層建筑；鋼結構施工；應用研究

0? ?引言

城市的土地資源有限，建筑物開始朝著高層甚至超高層的類型發展，施工難度隨之增加。城市新建樓宇以10層以上的高層建筑為主，框架剪力墻結構增加了工程量的負擔[1]。高層建筑現澆混凝土結構較為傳統，消耗了大量能源和資源，且質量和效率比較滯后，影響建筑行業的發展。

鋼材具有較高的力學性能，在滿足結構穩定的前提下，鋼結構構件比混凝土構件的截面尺寸更小，基礎造價也隨之降低[2]。由此可見，鋼結構施工不僅能夠降低施工成本，還確保了建筑物的延伸性，增強了建筑物的抗震性能，實現了真正意義上高層建筑的安全性。

1? ?三維掃描技術應用鋼結構施工優越性

在高層建筑鋼結構工程的施工過程中，人工制作的鋼結構拼裝模型費時費力，真實感較差，很難為實際施工提供數據支撐[3]。為了避免鋼結構拼裝出現偏差等問題，需要大量的三維模型。而利用三維掃描儀生成的三維模型，能夠獲取鋼構件的真實尺寸數據，能夠獲取一個與現實完全一致的三維鋼結構建筑彩色模型，從而提升建筑施工質量。

三維激光掃描系統主要由三維激光掃描儀、計算機、電源、支架以及配套軟件等組成。三維激光掃描技術是計算機輸入技術與立體測量技術的優化組合，利用三維掃描儀，能夠快速、準確地獲得物體的結構和尺寸，從而實現物體復雜面形及其周邊環境的快速測量，在建筑、制造等行業有著非常廣泛的應用[4]。

通過三維掃描技術，可以實現對鋼構件的精確測量和建模，能夠準確獲取每個鋼構件的尺寸、形狀和所處的位置，從而順利進行鋼構件的預裝配。應用三維掃描技術不僅可以避免傳統測量方式產生的誤差和尺寸調整，還可以將各個構件的三維模型進行碰撞檢測，能夠有效避免鋼構件之間的互相干涉和沖突。同時，預拼裝的過程也可以提前發現潛在的問題和安全隱患，確保施工過程質量和安全。

2? ?三維掃描技術在鋼構件施工中應用

2.1? ?鋼構件預拼裝

在鋼結構工程的施工過程中，用于拼裝的預制鋼構件從工廠運送到施工現場，由于道路顛簸產生的振動、碰撞或其他不可控因素，鋼構件可能受到損壞，導致無法正常拼裝。因此，為了確保預制的鋼構件能夠滿足建筑施工需求，要對鋼構件進行預拼裝[5]。

鋼構件實體及其拼裝施工占用的空間較大、所需人力物力較多、施工現場須具備必要條件。而采用三維掃描技術進行鋼構件預拼裝，則十分便利。三維激光掃描儀的技術參數如表1所示。

使用三維激光掃描儀逐個掃描鋼構件，獲取鋼構件的模型，根據模型拼裝情況調整鋼構件尺寸，從而滿足鋼結構施工的精度需求。三維掃描得到的鋼構件截面尺寸如表2所示。

如表1所示，根據設計圖紙和拼裝方案，在拼裝施工前需要使用三維激光掃描儀，將存放于施工現場的各個鋼構件進行三維掃描，獲得鋼構件的實際幾何尺寸，確定各個構件的空間安裝位置和安裝順序，將激光掃描得到的三維點云數據，生成三維點云模型[6]。

2.2? ?鋼結構柱三維定位

高層建筑鋼結構柱的三維位置復測校正示意如圖1所示。

如圖1所示，根據鋼結構柱的三維位置復測結果，與平面布置圖的鋼柱位置向比較，調整好鋼結構柱上部的牛腿方向[7]。在有充足氧氣的區域，會在鋼結構柱表面產生銹蝕，影響其使用壽命。因此，在完成鋼結構柱的預拼裝、位置復測之后，在各個鋼結構柱表面涂刷防腐蝕材料，避免其產生銹蝕問題，保證后續焊接質量。

2.3? ?高層建筑鋼結構吊裝

2.3.1? ?鋼結構柱吊裝

在完成鋼結構柱的預拼裝、位置復測和表面防腐處理之后，進入吊裝階段。鋼結構柱吊裝時，起吊、回轉、移動3個動作交替緩慢進行。起吊時，鋼結構柱垂直于地面，不能出現拖拉現象；回轉時，鋼結構柱的高度要滿足吊裝需求[8]；移動時，2根牽引繩要平穩牽引鋼結構柱，吊車要勻速移動，緩慢落下。鋼結構柱吊裝就位之后，其中心線與下節鋼結構柱的中心線必須重合，將夾板平穩插入下節柱的連接耳板上，穿好連接螺栓并予以緊固。

按照先主后次的順序安裝鋼結構柱，再將多根鋼結構柱連接形成穩定的幾何不變體系，滿足鋼結構施工的穩定性要求。根據三維模型調整牛腿標高，采用全站儀全程監控，避免鋼結構吊裝出現偏差。

在鋼結構柱吊裝的過程中，吊裝用鋼絲繩的許用拉力要滿足吊裝鋼結構柱自身質量和安全系數的要求。鋼絲繩容許拉力的計算公式如下：

（1）

式（1）中：Sg為鋼絲繩的許用拉力；α為鋼絲繩破斷拉力換算系數；R為鋼絲繩破斷拉力總和；K為鋼絲繩的安全系數。

在鋼結構柱吊裝就位時，使用楔形鐵、墊塊、千斤頂配合校正，同時鋼結構柱的四側使用纜風繩固定。鋼結構柱之間連接支撐及系桿，與其形成穩定的框架結構。上述吊裝施工完成后，進行鋼結構柱柱腳的二次灌漿以及杯口混凝土澆筑。

2.3.2? ?鋼結構梁吊裝

按照三維建筑模型的形式完成鋼結構梁拼接之后，進行鋼結構梁跨間吊裝施工。鋼結構柱、鋼結構梁、屋面支撐和系桿，形成穩定鋼結構體系后，即完成鋼結構的吊裝。

3? ?實例分析

為了驗證本文設計的應用于高層建筑鋼結構施工的三維掃描技術是否滿足實際施工需求，本文以鎮江市少姑山-刺莉山水泥用灰巖礦石加工工程項目為例，進行實例分析。

3.1? ?工程概況

該工程項目位于鎮江市潤州區韋崗街道原聯合水泥廠內，占地面積約為82.5畝。該項目包括19個單體建筑，其中1個單體廠房的框架為鋼結構，其建筑面積為1358.6m2，建筑層數為2層，建筑高度為19.7m。主體鋼結構柱1～5軸的間距為9m，A-B軸間距分別為3m、6m、3m、6.35m。廠房為二跨，跨度為12m和6.35m。A-B軸屋面坡度為6.67%，B-C軸為平屋面。

該廠房結構分為一篩廠房、二篩廠房、壓濾車間、成品堆棚、制砂車間、轉運站、通廊等。鋼結構工程中，主受力體系為中心區域的鋼框架。該鋼框架由鋼柱、鋼梁、鋼筋桁架、樓承板組合而成。該廠房總用鋼量約為5.5萬t，其鋼結構施工效果如圖2所示。

如圖2所示，該鋼結構經過拼裝等形成圖中效果。鋼結構在室外靜置10d之后，采用三維掃描技術，復測該鋼結構件的安裝位置偏差，從而判斷該鋼結構工程應用本文設計的用于高層建筑鋼結構施工的三維掃描技術的可行性。

3.2? ?應用結果

隨機選取該廠房編號為10-01至10-10的10個鋼結構件，利用三維掃描技術，確定鋼結構件的安裝數據，在鋼結構三維模型的X、Y、Z坐標中，確定其的參考值。再將該參考值作與三維掃描得出的鋼結構件的實際值進行對比。

使用本文設計的應用于高層建筑鋼結構施工的三維掃描技術進行三維掃描之后，其三維掃描實際值與三維建模參考值的偏差越小，說明鋼結構的施工質量越佳。三維掃描技術應用結果如表3所示。

如表3所示，在鋼結構施工的過程中，鋼結構構件安裝位置均需要進行配準，鋼結構件安裝偏差越小，越能夠滿足其質量要求。X、Y、Z為鋼結構件的三維坐標，其三維掃描實際值與參考值越接近，鋼結構實際安裝位置與三維建模位置越接近，施工質量越佳。

應用本文設計的高層建筑鋼結構施工的三維掃描技術之后，10-01至10-10的X、Y、Z坐標的三維掃描實際值與三維建模參考值之間僅存在±0.1mm的誤差，甚至在編號為10-02、10-03、10-5、10-07、10-08鋼結構件的三維掃描實際值與三維建模參考值保持了高度一致。鋼結構件的安裝偏差很小，安裝完全符合技術要求，達到了本文研究目的。

4? ?結束語

近些年來，鋼結構因其噸位、韌性、受力性能等優勢，在復雜的建筑結構中脫穎而出，成為高層建筑的常用構件。將三維掃描技術應用在高層建筑鋼結構施工中，從鋼結構件的預拼裝和吊裝2個方面，可避免鋼結構件的安裝偏差，從而實現高層建筑鋼結構的高質量施工，有效地延長了建筑的使用壽命。

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