基于三维激光扫描的幕墙结构监测应用研究

王东东、魏英洪、陈志军

中国铁路设计集团有限公司信息化院、天津、300251

摘要：

随着交通强国的建设发展，铁路客站也越来越成为一座城市的核心交通枢纽，不仅起到了城市之间中转运输的功能，同时也是城市内具有一定标志性功能的建筑。铁路旅客站房的设计不仅应当满足旅客运输功能，同时在人们的精神需求不断发展的当代，旅客站房的设计也已与当地传统建筑文化特征相融合。随着站房幕墙的设计理念不断发展，以及幕墙支撑方式的不断创新，以玻璃幕墙为代表的新型幕墙结构的应用也越加广泛，成为现代主义建筑时代的显著特征。本文基于铁路客站新型幕墙结构的运维检测提出一种基于三维激光扫描仪的测量方案，利用新型装备提升传统检测技术水平，降低运营维护成本。

关键词：高铁站房，玻璃幕墙，三维激光扫描仪

引言：

当前三维激光扫描技术在国内建筑结构工程的应用，多在设计阶段和施工阶段，当前已成功应用于滑坡变形监测、隧道变形监测。国内、国外利用三维激光扫描技术在房建运维阶段和玻璃幕墙的结构健康检测应用均非常少。目前主要依托于全站仪进行主体结构测量，面对数量庞大且结构复杂的新型结构，测量效率和成本非常高，且误差较大。而三维激光扫描技术采用非接触高速激光测量方法，精度高、速度快，可大量节约时间和成本。

在此背景下，本课题通过研究雄安站西侧拉索式玻璃幕墙设计特点及结构特性，确定检测内容和目的要求，提出一种基于三维激光扫描点云数据的分析算法及方案，并利用信息技术开发一套幕墙健康状态定级平台，综合运用运维巡检数据、扫描分析数据、BIM数据，整体提升对玻璃幕墙的运维手段和方法。

1 选取关键目标

总结出检测解决的关键问题后，下一步就要选取测量的关键部位和构建。通过上面分析可知关于拉索相关的构件部位相对牢靠，检测需要通过测量工具人工定期检查，而玻璃是否破损除事后进行观察外，分析玻璃设计结构。

分析发现幕墙整体是否平整主要取决于玻璃的安装位置和调节效果，而玻璃的位置是由四个驳接抓件进行固定的。因驳接爪的位移变化，必定引起玻璃边角受力不均，从而导致幕墙玻璃面产生倾斜角度，导致幕墙不平整，或玻璃破损破裂情况的发生，从而对幕墙状态造成损害。

2 建立坐标系

通过三维激光扫描仪测量的关键构件部位后，由于需要将测量点位数据与标准值进行对比分析，同时也需要对所有的历史测量数据进行比对，总结点位位置变化情况，这就要保障每次测量的驳接爪进行比对的点位均在相同的坐标系下测量的同一点位，这样进行比对分析才有意义。因此下一步需要解决的问题一是保障每次测量的驳接抓为同一点位置坐标。

（1）建立扫描仪测量坐标系

综合考虑站厅沉降和地理位移变化等多方面因素对坐标系变化的影响，在车站大厅两侧的两个混凝土柱分别标记两个基准点位，共四个点位，建立坐标系。通过在幕墙两侧的两个清水混凝土柱子上分别标记两个标记点，选取视野开阔的位置利用激光扫描仪测量4个点位设置基础坐标系标记点坐标，后续再对幕墙进行测量。

（2）建立大地局部坐标系检测清水混凝土柱上的基准点坐标变化。

建立大地局部坐标系检测清水混凝土柱上的基准点坐标变化，通过变化情况换算激光扫描仪坐标原点变化，并反推坐标系的变化情况。

3 计算误差要求及设备选型

幕墙的玻璃抓及挂载的玻璃全部由钢绞线固定支撑，由于钢绞线为柔性钢结构，在未施加预应力之前是没有刚度的，只有施加预应力后，拉索才能获得刚度来承受荷载，同时，张拉后的钢索，受大风恶劣天气及建筑沉降会对钢绞线的垂直度产生一定影响。

为保障测量精度，经过对三维激光扫描仪设备选型，选取了莱卡P30设备进行测量，其测量最大范围为120m，大于125/2=62.5m。测量标靶精度为2mm@50m，6mm@100m满足测量要求。

4 误差修正

为了尽量规避不同测量实现下的历史测量数据因大地位移、或站台沉降而导致的基础坐标系变化，从而达到修正坐标误差的目的，对最终的测量值综合采用坐标系转换和及间接平差原理修正。根据间接平差原理，取大地坐标换算站台三维激光扫描仪基础坐标系误差作为系统误差。

作者简介

王东东，1990年2月，男，硕士研究生，中国铁路设计集团有限公司信息化院，工程师，300251

(内部资助课题编号：2021B241102)

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