三维扫描技术在体育场屋盖钢结构改建工程中的应用

刘 伟 李冀清 马 良

1. 上海市机械施工集团有限公司 上海 200072；

2. 上海面向典型建筑应用机器人工程技术研究中心 上海 200072

目前的数字化技术应用主要集中在新建建筑的设计和施工方面，而对于既有建筑，尤其在体育场馆改造领域，数字化技术尚未涉及[1]。究其原因，建筑的改建必须考虑既有建筑的现状，而既有建筑受自然条件及使用损耗的影响，原有的设计图纸及模型都不具备参考性。因此，根据现场实际情况，建立既有建筑的信息模型是不可缺少的。三维扫描技术能够获取目标物表面点云的坐标信息，拟合出符合现场实际情况的信息模型，其高精度、高效率的特点与改建工程十分吻合。

1 工程概况

上海体育场作为2022年承办国际足联俱乐部世界杯（FIFA，世俱杯）开闭幕式及相应阶段比赛的场地，将按照FIFA的场地要求，结合体育场赛后二期使用功能需要，对现有的场地及相应设施一并进行改造。其中，为满足FIFA对“看台需被屋盖全覆盖”的需求，屋盖钢结构需在原悬挑的基础上（图1），向内场增加16.5 m的悬挑。新增内悬挑采用轮辐式张拉结构体系，主要由V形飞柱、内圈环索、径向索、连系杆件以及上部膜结构组成（图2）。

图1 屋盖改造前效果图

图2 内悬挑方案示意

V形飞柱下部节点处一圈内环索，在原屋盖32榀径向主桁架中部以及根部混凝土柱上增加节点，通过32道径向索张拉成形。屋盖新增16.5 m内悬挑结构导致屋盖悬挑跨度增加，同时屋盖荷载的调整对屋盖原有结构体系影响较大，经复核需对原屋盖钢结构中部分杆件进行加固。本文主要描述三维扫描技术在钢结构节点的加固深化设计和环索索夹的生产质量验收这2个部分的应用。

2 施工难点

1）在20多年自然条件的影响下，原结构杆件应力复杂，经初步受力分析与校核，原屋盖钢结构存在杆件强度或稳定性不足的情况。针对此状况，项目部考虑主要采用外包骨骼法进行加固（图3）。但加固点数量多，主要分布在屋盖内部，且加固区位于钢结构节点处，有大量圆钢管相贯切口，因此加固构件装配精度要求极高，需要实测实量，对既有屋盖结构的圆管相贯切口处进行精细化扫描，并以之作为深化设计的依据。

图3 节点加固示意

2）环索索夹是索网结构的重要节点之一，本项目索夹整体采用一体式锻钢件（图4），后通过机床铣出所有构型。其索道呈弧线形形态，精度要求高，若索道凹槽部分达不到设计要求，索夹可能会存在破断风险。因此借助三维扫描技术，对加工构件的质量进行扫描验收，通过设计、扫描模型的对比分析，评判索夹加工精度及工厂加工水平，以便后期批量生产。

图4 索夹示意

3 测量方式选择

传统的测量方法采用卷尺、游标卡尺、全站仪等工具进行测量。由于以下原因，传统测量方法在本工程中难以实现：

1）整个屋盖大体呈直径300 m圆形，最大标高70.8 m，采用传统测量方式需投入大量人力、物力，测量周期长，难以满足现场高效施工的要求[2-3]。

2）桁架截面高度有限，传统测量方式必要的测量空间难以满足。

3）加固节点处有圆钢管相贯切口，索夹索道呈弧线形形态，传统测量方式难以满足异形部位的精度要求。

结合本项目的实际情况，决定采用手持式三维扫描仪（以下简称手持式，见图5）进行现场扫描。与一般的全站式三维扫描仪（以下简称全站式）相比，手持式具有以下不同点和优缺点：

图5 手持式三维扫描仪工作示意

1）全站式需一定的操作空间，扫描前必须进行水准调平，高空作业不具备这样的条件；手持式不需要整平，需要扫描的部位只需激光照射即可，对操作空间要求不高。

2）全站式扫描过程需要尽可能连续，扫描结束后才能导出模型；手持式与电脑设备连接，所扫即所得，模型成像随时可见，中途可以任意中断。

3）手持式需提前在目标物上均匀贴上标志点（反光贴片）；全站式需要提前布设控制点和标靶，为后期整合点云模型提供参照。

4）手持式需外接电源，高空作业时电箱的频繁迁移较为费时；全站式使用电池电源即可。

4 测量实施

4.1 测量准备

1）在目标物上按照20～100 mm的距离布设标志点，平坦区域标志点的间距可以适当放大，圆钢管相贯切口处/索夹弧形索道处应尽量多布设标志点（图6）。

图6 标志点布设示意

2）手持式三维扫描仪连接电脑并外接电源，打开ZGscan软件，进行扫描前精度测试，测试完成后方可进行扫描工作。

4.2 实施扫描

扫描仪与目标物之间保持20～30 cm的距离，观察投影到表面上的激光线来完成表面采集。激光扫过表面后，设备通过三角测量法确定的位置记录数据。

4.3 扫描数据处理

手持式扫描形成的模型需要在ZGscan软件中转换成stl格式，导入到Geomagic软件里进行杂物的删除（脚手架横杆、抱箍片等无关结构），如图7所示。

图7 模型处理

5 数据应用

5.1 加固外包管深化设计与现场安装

上述模型处理后交由设计单位进行深化，利用钢结构深化软件的模型文件和数据接口，借助二次开发技术自动提取构件几何、位形和结构特征等数据信息，并生成格式化特征数据文件。然后基于三维建模软件，利用自动建模函数、开发数据导入、自动建模与装配等软件功能模块，重构和复现钢结构三维实体模型，实现数据信息的可视化校验（图8）。待设计完成深化后，将深化数据提交给加工厂进行构件加工。

图8 外包管深化设计示意

将加工完成的加固构件运输至现场，在现场对加固构件进行切割、分片，并在构件上焊接连接板。安装时，通过起重葫芦将加固构件按次序调整、安装到位，用套箍和电焊的方式进行临时固定，最后通过撬棒等工具调整焊缝间隙大小，保证通长焊缝间隙在设计要求的距离内。现场安装情况显示，节点加固效果明显（图9）。

图9 外包管加固现场

5.2 索夹加工质量验收

索夹加工质量验收与节点加固深化设计的流程不同，索夹扫描模型完成上述模型处理后，直接把索夹的设计模型导入到Geomagic软件中，通过软件自带的拟合功能将二者拟合在一起，避免人工拟合的误差。根据设计要求，将最大公差设置为±1 mm，即绿色区域的误差在±1 mm以内，±1 mm以外的部分均分为48等份，便于辨别区域所在误差范围。从色谱图可以清晰看出，索夹弧线凹槽部分区域误差已经超过±1 mm（红色），通过标注功能将具体误差值引出，可见凹槽处最大误差值达到±3 mm，尤其是弧形边缘处，局部误差可达到±3.6 mm，与设计要求不符（图10）。以此为依据，与加工厂分析误差原因，协调机床刨铣方式，以达到设计的要求，从而进行批量生产，防止现场索夹安装时出现返工现象。

图10 索夹设计、扫描模型比对

6 结语

建筑物改造项目中，相比于传统的测量方式，三维扫描的优势主要在于可以逆向建模，根据现场实际情况建立高精度的信息模型。在上海体育场屋盖钢结构改建工程中，从老结构节点加固深化设计到新结构构件数字化质量验收，均使用了三维扫描技术，并取得了良好的效果。

随着城市的升级改造、行业中数字化应用的推广，可以预想，凭借高效率、高精度的独特优势，三维扫描＋BIM技术将会在数字化城市的建设中起着不可替代的作用，一起推动着智慧城市的发展[4]。