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0引言

實體預(yù)拼裝是保證空間關(guān)聯(lián)構(gòu)件現(xiàn)場能夠精準(zhǔn)安裝的有效措施，但存在胎架和人力成本高、場地占用大、效率低等不足。隨著計算機技術(shù)和三維測量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，實體預(yù)拼裝正逐漸被數(shù)字化預(yù)拼裝所代替。數(shù)字化預(yù)拼裝是將三維測量技術(shù)得到的構(gòu)件拼接控制點在專用軟件中進行模擬拼裝，從而達(dá)到精度分析的一種方法。三維激光掃描儀（圖1）可以快速獲得構(gòu)件的三維點云數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)精度高、受外界影響小、可操作性強等優(yōu)點，成為了數(shù)字化預(yù)拼裝首選的三維測量設(shè)備。

圖1 三維激光掃描技術(shù)

目前，基于點云數(shù)據(jù)的數(shù)字化預(yù)拼裝主要包括點云數(shù)據(jù)采集、拼接控制點提取和拼接控制點匹配三個步驟。在點云數(shù)據(jù)采集方面，現(xiàn)有數(shù)字化預(yù)拼裝方法需要完整點云數(shù)據(jù)，但完整點云數(shù)據(jù)存在采集困難、處理成本高且不利于智能化處理等不足。在拼接控制點提取方面，目前拼接控制點是基于專用軟件并通過人工選取得到，存在效率低、主觀性大等問題。在拼接控制點匹配方面，廣義普氏算法是最常用的匹配算法，但目前拼接控制點對應(yīng)關(guān)系需人工設(shè)定，不利于智能化處理。課題組結(jié)合重慶兩江新區(qū)寨子路鋼拱橋和重慶郭家沱長江大橋的工程需求，開展基于點云數(shù)據(jù)的大型復(fù)雜鋼橋梁數(shù)字化預(yù)拼裝方法研究。

1焊接橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)字化預(yù)拼裝

重慶兩江新區(qū)寨子路鋼拱橋（圖2）為中承式雙跨內(nèi)傾提籃拱橋，由大拱和小拱共同組成。大拱的跨度和高度分別為205m和104m，小拱的跨度和高度分別為131m和71m。小拱采用全支架法進行施工，大拱混用支架法和提升法進行施工。鋼拱橋的上部結(jié)構(gòu)包括拱肋、拱間橫梁、吊桿以及橋跨結(jié)構(gòu)。

圖2  重慶兩江新區(qū)寨子路鋼拱橋

針對焊接橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)字化預(yù)拼裝，課題組提出了用局部點云數(shù)據(jù)代替完整點云數(shù)據(jù)進行數(shù)字化預(yù)拼裝的策略，大大降低了點云數(shù)據(jù)的采集難度和處理成本。其次，課題組基于隨機采樣一致性、霍夫變換等經(jīng)典算法和圖像處理技術(shù)，提出了大型復(fù)雜構(gòu)件橫截面和側(cè)面點云數(shù)據(jù)的拼接控制點智能提取方法。最后，課題組基于超四點快速魯棒匹配算法、迭代最近鄰算法和廣義普氏算法，提出了拼接控制點智能匹配方法。所提出方法應(yīng)用于大小拱的數(shù)字化預(yù)拼裝(圖3和圖4)，研究成果可為構(gòu)部件現(xiàn)場整修、合攏段配切、提升變形監(jiān)測等提供依據(jù)。

圖3 小拱的數(shù)字化預(yù)拼裝

圖4 大拱的數(shù)字化預(yù)拼裝

2螺栓連接橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)字化預(yù)拼裝

重慶郭家沱長江大橋（圖5）是國內(nèi)跨度最大的公軌兩用懸索橋，是重慶快速路六縱線重要過江節(jié)點工程。主橋為單孔懸吊雙塔三跨連續(xù)鋼桁梁懸索橋，跨徑布置為67.5米+720米+75米。橋跨結(jié)構(gòu)采用雙層布置，上層為八車道城市道路交通，下層為雙線軌道交通。郭家沱大橋的螺栓孔位密集、數(shù)量多，僅北岸主橋就使用了26萬套高強螺栓，而螺栓孔徑偏差最大允許值+0.7毫米，對鋼桁梁制孔精度要求極高，傳統(tǒng)施工工藝需要在鋼桁架工廠實體預(yù)拼（圖6）。

針對螺栓連接橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)字化預(yù)拼裝，課題組提出多尺度點云數(shù)據(jù)的采集方案，采用陸地式三維激光掃描儀獲得構(gòu)部件整體點云數(shù)據(jù)，采用手持式掃描儀獲得構(gòu)部件細(xì)部（螺栓孔）點云數(shù)據(jù)，大大提高了螺栓連接構(gòu)部件點云數(shù)據(jù)的采集效率。其次，課題組基于目標(biāo)檢測算法和迭代最近鄰算法實現(xiàn)多尺度點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、模型點云數(shù)據(jù)與掃描點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。最后，課題組基于廣義普氏算法和粒子群算法實現(xiàn)螺栓孔最優(yōu)匹配和最優(yōu)整修方案。所提出的方法應(yīng)用于一個節(jié)段鋼桁架的數(shù)字化預(yù)拼裝（圖7），研究成果可為構(gòu)部件出廠驗收、螺栓孔整修等提供依據(jù)。

圖5  重慶郭家沱長江大橋

圖6 鋼桁架工廠實體預(yù)拼裝

圖7 鋼桁架的數(shù)字化預(yù)拼裝

3結(jié)語

目前基于點云數(shù)據(jù)的數(shù)字化預(yù)拼裝存在依賴專用軟件、效率低且主觀性大等問題，課題組首次將智能算法和二維圖像處理技術(shù)應(yīng)用于基于點云數(shù)據(jù)的數(shù)字化預(yù)拼裝，推動了數(shù)字化預(yù)拼裝向智能化方向發(fā)展。在未來的技術(shù)研究和應(yīng)用中，可進一步考慮構(gòu)件自重、溫度效應(yīng)以及施工時序等因素，建立基于數(shù)字孿生理論的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化預(yù)拼裝方法。

中國公路學(xué)報

本文主要內(nèi)容出自于《中國公路學(xué)報》2021年第11期：

周緒紅, 劉界鵬, 程國忠, 李東聲, 黃濤, 梁俊海, 劉虎, 劉雨鑫. 基于點云數(shù)據(jù)的大型復(fù)雜鋼拱橋智能虛擬預(yù)拼裝方法[J]. 中國公路學(xué)報, 2021, 34(11): 1-9.

全文鏈接：

http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.001

周緒紅

博士，教授，博士生導(dǎo)師，中國工程院院士，重慶大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)工程研究中心主任。主要研究方向：鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混組合結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用，橋梁工程結(jié)構(gòu)，新型建筑結(jié)構(gòu)體系等。