基于细分法的大跨度复杂钢结构空间测量方法.pdf

江西建材规划设计与建筑1462023年6 月基于细分法的大跨度复杂钢结构空间测量方法吕亚强甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730050摘 要：为掌握大跨度复杂钢结构的施工质量，判断其空间分布情况。文中提出基于细分法的大跨度复杂钢结构空间测量方法，采用三维激光扫描仪立面扫描大跨度复杂钢结构，获取钢结构的点云数据；基于迭代滤波模型的距离降噪方法，处理采集的钢结构点云数据，删除点云数据中的噪声点；依据该数据，利用 Catmull-Clark体细分法，构建大跨度复杂钢结构的曲面模型，并利用 PIA差值法进行优化，提升模型构建精度。测试结果显示，该方法能够完成目标钢结构模型的构建，能够清晰呈现结构各个转角点的空间位置，判断模型结果和设计结果的吻合程度，实现大跨度复杂钢结构空间测量。关键词：细分法；大跨度；复杂钢结构；空间测量中图分类号：TU318文献标识码：B文章编号：1006-2890（2023）06-0146-03Large-span Complex Steel Structure Space Measurement Method Based on Subdivision MethodLyu YaqiangThe Third Geological and Mineral Exploration Institute of Gansu Bureau of Geology and Mineral Resources,Lanzhou,Gansu 730050Abstract:In order to master the construction quality of large-span complex steel structure,and judge its spatial distribution.The spatial measurement method of large-span complex steel structure based on subdivision method is proposed.Use 3 D laser scanner to scan large-span complex steel structure to obtain the point cloud data of steel structure;based on the distance noise reduction method of the iterative filtering model,delete the noise points in the point cloud data;use this data,use Catmull-Clark subdivision method to construct the surface model of large-span complex steel structure,and optimize the PIA difference method to improve the accuracy of model construction.The test results show that this method can complete the construction of the target steel structure model,clearly present the spatial position of each corner point of the structure,judge the coincidence degree of the model results and the design results,and realize the spatial measurement of the large-span complex steel structure.Key words:Subdivision method;Large span;Complex steel structure;Space survey 作者简介：吕亚强（1993-），男，甘肃会宁人，本科，助理工程师，主要研究方向为测绘勘察。0 引言大跨度复杂钢结构指的是钢结构件两端支点距离超过30 m以上且外观形状复杂、安装工序复杂的钢结构1，该类结构包含桁架、框架、网架、网壳等空间结构，具有较好的柔韧性及抗震性。其施工周期较短，可提升空间利用率2。该类钢结构在施工过程中，需精准掌握各个施工点的空间位置和设计位置的吻合程度，以保证大跨度复杂钢结构的施工效果。因此，空间测量方法被大量应用，应对钢结构的位置、面积、体积、空间形态以及空间分布等参数进行测量，判断钢结构的施工质量。由于复杂钢结构的外观形态不规则或存在曲率连续变化，导致大跨度复杂钢结构的空间测量精度较低，影响工程质量的检验。为精准掌握大跨度复杂钢结构的空间分布以及空间形态，实现该类钢结构空间的精准测量，文中以某地区的大跨度复杂钢结构为例，提出基于细分法的大跨度复杂钢结构空间测量方法。1 大跨度复杂钢结构空间测量1.1 工程概况本文以某地区体育馆为例，研究基于细分法的大跨度复杂钢结构空间测量方法，该体育馆的外观采用钢结构悬挑罩棚设计，其悬挑长度为38 m，主要为预应力斜拉索钢结构，其外观形状呈半环形设计，并且，每根钢柱的倾斜率存在一定差异，呈现不同程度的曲率连续变化，最高点高度为50 m，属于典型的大跨度、安装复杂的钢结构工程。在施工过程中，需精准掌握结构的空间分布以及空间形态，保证施工结果和设计结果一致。因此，需精准完成该钢结构的空间测量。1.2 大跨度复杂钢结构点云数据采集在施工现场进行勘察后，结合钢结构的局部细节情况以及顶部空间情况，制定钢结构的数据采集方案，并确定数据采集点，而后采用三维激光扫描仪进行钢结构扫描，获取该结构的点云数据，该仪器型号为 FARO S150，其有效测距为0.6150 m，测距精度为 1 mm，像素为165 m。该扫描仪由多个部分组成，其工作原理是激光发射器发射近红外波长的安全激光束，穿过旋转反射镜后对钢结构进行立面扫描，再利用时间解码器获取不同点位的反射时间差，以此获取激光和测量点之间的距离，最后编码器依据采集获取的镜头旋转角和水平旋转角的大小，以此计算得出钢结构表面上所有扫描点的三维坐标，将其整合和集成后则获取到钢结构的采样点集合，即点云数据集合，实现大跨径复杂钢结构数据采集。江西建材规划设计与建筑1472023年6 月钢结构数据采集是实现其空间测量的依据，扫描时，以钢结构的体积、尺寸以及所处环境确定扫描路径，其扫描步骤如下。（1）设定采集点，其和转站点之间距离不可太远，以此保证钢结构采集数据的重叠度。（2）保证采集站点每个靶标的连续性，以保证钢结构点云数据采集后集成处理。（3）在进行钢结构扫描时，扫描仪布设点需和钢结构最大程度接近，避免两者之间存在遮挡物和干扰障碍物，文中设定该距离在40 m内。依据上述步骤完成大跨度复杂钢结构成体的点云数据采集后，将该数据存储至计算机中，利用计算机内相关软件对数据进行滤波等处理后，为钢结构空间测量提供支撑。1.3 点云数据滤波处理三维激光扫描仪在进行钢结构点云数据采集时，环境中的施工设备、人员经过等因素3，会导致采集的点云数据中存在一定杂乱的噪声点，该噪声点在空间内呈现稀疏分布，影响点云数据的有效性，因此，本文采用基于迭代滤波模型的距离降噪方法，对点云数据中的噪声进行处理4。该方法的详细降噪流程如下所述。（1）如果激光扫描仪获取的点云数据用 xi表示，其对应的标准滤波模型为 mi，利用人工去噪方式对噪声进行处理，保留钢结构的主体点云数据 x1，并定义首次标准滤波模型为 m1。（2）对x1进行二次降噪处理，获取处理后的点云数据结果 x2，在该处理过程中，采用统计距离去噪和半径去噪完成，以有效处理 xi中的离群噪声点。（3）由于x1是激光扫描仪在不同时间内，采集的相同位置的钢结构点云数据，因此其坐标一致，则载入 m1的处理结果，对其进行滤波处理，使 xi和 m1的中线重合。（4）采用 kd树搜索算法对 x2中的任一数据点的最近邻 pi进行搜索，获取和 m1处理结果对应的最近邻点 qi，计算两者之间的距离 di，其计算公式为：（1）式中，表示点云数据的空间坐标。（5）将 di结果和设定的阈值进行对比，如果前者大于后者，则表示 pi为噪声点，将其删除后即可获取降噪后的点云模型。（6）依据上一步骤获取的结果进行点云数据的循环处理，直到完成所有点云数据的处理，则输出降噪后的钢结构点云数据。1.4 基于细分法的大跨度复杂钢结构建模1.4.1 Catmull-Clark体细分法采用三维激光扫描仪完成钢结构点云数据采集以及滤波处理后，利用Catmull-Clark体细分法完成钢结构曲面建模。该方法依据简单、高效的细分规则5，通过粗糙的控制网格生成连续、光滑的曲面模型。该方法的整体流程如图1 所示。图1 大跨度复杂钢结构六面体模型构建流程该方法在进行大跨度复杂钢结构模型构建时，用户可通过节点缩放、旋转、平移、新增、删除、分裂以及延展等操作，实现节点布局；完成布局后，采用优化算法对接节点的角度进行调整，同时完成节点和节点之间的对齐优化，避免节点发生分裂。在此基础上，利用 Catmull-Clark体细分法进行细分操作，生成初始的钢结构六面体网格模型。该方法在生成模型时，采用padding 操作完成边界层奇异点的插入，保证模型的单元质量。1.4.2 插值体细分方法采用PIA差值法对Catmull-Clark体细分法进行优化，提升大跨度复杂钢结构六面体模型的构建精度，获取钢结构其空间分布以及空间形态的精准测量结果。差值体细分法是在Catmull-Clark体细分法的基础上，采用渐进迭代逼近方法进行曲线曲面控制顶点的调整，以保证生成的极限曲线和极限曲面最大程度逼近给定数据顶点，保证模型的构建精度，更好地完成大跨度复杂钢结构的空间测量。PIA差值体细分法是以 Catmull-Clark体细分法的极限点公式为依据，其计算公式为：（2）式中，v表示极限点公式计算得出的顶点坐标；n表示相邻顶点的数量；完成一次细分后的顶点坐标用 v1表示，其连接的边用v1表示，v1连接的面和单元分别用和 表示；初始控制顶点连接的边用 ej表示；该边连接的单元数量用 mj表示。采用 PIA差值法对 Catmull-Clark体细分法进行优化的详细步骤如下所述。步骤1：计算初始网格控制顶点 v0和第 k次调整后的网格顶点极限点之间的距离，其计算公式如下。（3）步骤2：控制顶点修正，其公式如下。（4）式中，vk+1表示下一次修正后的控制顶点坐标。步骤3：将上述两个步骤看作为一次迭代，直到 dk足够小时，停止迭代，以此生成新的极限体网格顶点，并将其作为模型江西建材规划设计与建筑1482023年6 月的初始网格顶点，进行模型构建。2 结果分析依据上述方法获取研究对象的点云数据后，完成大跨度复杂钢结构六面体模型生成，模型的生成结果如图2 所示。图2 大跨度复杂钢结构六面体模型生成结果依据图2 测试结果可知：以采集的钢结构点云数据为依据，采用细分法进行大跨度复杂钢结构六面体模型生成，生成结果较好，能够呈现钢结构的空间分布以及空间形态。因此，该方法具有较好的应用性，能够完成目标钢结构模型的构建，为钢结构空间测量提供可靠支撑。为验证本文方法的钢结构空间测量效果，以构建的大跨度复杂钢结构六面体模型为依据，获取结构各个转角点的位置结果，由于篇幅限制，结果仅随机呈现10 个不同位置转角点的位置结果，如表1 所示。表110 个不同位置转角点的位置结果转角点位置空间位置1（65.2,15.3,40.0）2（70.2,44.5,25.8）3（20.6,55.7,27.3）4（15.3,77.7,15.8）5（20.0,70.6,25.1）6（17.6,80.0,20.4）7（15.6,90.4,22.5）8（41.1,92.4,15.8）9（47.5,85.6,22.4）10（50.1,55.5,17.6）依据表1 的测试结果可知：本文方法构建的钢结构六面体模型能够清晰呈现结构各个转角点的空间位置结果，以此可掌握钢结构的整体空间分布情况，应用效果较好。为判断钢结构的空间分布结果是否满足设计方法的空间分布结果，将模型的生成结果和设计方案进行对比，以此实现钢结构的空间测量，判断其空间分布情况，测试结果如图3所示。图3 钢结构空间测量结果依据图3 测试结果可知：采用本文方法构建大跨度复杂钢结构模型后，模型结果和设计结果的吻合程度较高6，各个关键点的空间位置结果和设计空间位置结果几乎吻合，存在的微小偏差均在工程的允许范围内。因此，本文方法的应用性较好，能够满足大跨度复杂钢结构的空间测量需求。3 结语大跨度复杂钢结构在施工过程中，由于其跨度较大，安装工序较为复杂，在焊接以及施工技术等因素影响下，会导致其发生不同程度的形变，影响钢结构的整体空间分布情况，因此，钢结构在施工过程中，为保证其施工质量，需对其空间分布以及空间形态进行测量，判断施工质量。因此，本文提出基于细分法的大跨度的钢结构空间测量方法，该方法依据采集的钢结构点云数据，通过细分法构建大跨度钢结构模型，以此进行钢结构空间分布情况的测量，判断施工质量，经测试，该方法的应用效果较好，能够满足大跨度复杂钢结构的空间测量需求，可为大跨度复杂钢结构的施工提供可靠依据。参考文献 1 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