三维激光扫描技术在核电厂模块化施工中的应用

许志强，赫海涛，曹 君，孙鑫鹏，张永胜，张亚军

（1.深圳中核普达测量科技有限公司，广东 深圳 518120；2.深圳中核普达测量科技有限公司，广东 深圳 518120）

0 引言

核能发电以高效性、清洁性的特点受到世界各国政府和公众的重视，但核电厂的建造周期较长、质量要求高，研究如何实现缩短核电厂建造周期、提高建造质量对我国核电的发展具有重要意义。模块化施工作为工程建设领域的一项重要技术，目前已在核电厂施工中得到广泛应用。其主要采用车间预制拼装、现场整体安装的方式实现了现场土建与安装工作同步进行，改变了传统的“先土建后安装”的施工方法，该方法对缩短核电厂建造工期具有明显优势。但场外模块化施工存在设备预制完成后与现场对接的匹配性无法准确判断的风险，如果无法准确就位则需要重新吊出处理，这将会耗费大量的时间成本和人力成本，同时也会影响到项目施工进度。

本文提出了一种基于三维激光扫描技术和数字化预拼装技术的核电厂模块化施工测量方法来解决这一难题。该方法利用激光测距的原理，快速复建出被测目标的三维模型及线、面体等各种图形数据，经点云数据分析处理后生成三维模型，通过数字化预拼装后模拟碰撞干涉位置，将调整方向以及偏移量等信息及时反馈至施工队，预先进行处理，为竖井设备的一次就位成功提供精准、可靠的基础。通过在某核电项目模块化施工中进行应用，验证了该方法的可行性，实现该项目模块化施工在保证质量的基础上缩短安装工期的目的，值得在后续核电厂堆型中推广应用。

1 三维激光扫描技术介绍

三维激光扫描技术能够快速获取被测物体的三维点云数据，可用于高精度的三维模型建立，与传统的单点测量方式相比，具有高效率、高精度的技术优势，是测绘领域继GPS技术后的又一次技术突破，也被称为实景复制技术。

1.1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描仪主要由测距系统和测角系统以及其他的辅助系统构成，其工作原理是通过测距系统获取扫描仪到待测物体的距离，再通过测角系统获取扫描仪至待测物体的水平角值和垂直角值，进而计算出待测物体的三维坐标信息值。在三维扫描的过程中通过利用自身的垂直和水平马达等传动装置完成对物体的全方位扫描，实现对空间物体的连续性三维扫描测量，得出被测目标密集的三维彩色散点数据，也称为点云数据。

1.2 三维激光扫描技术特点

三维激光扫描技术具有非接触式测量、数字化、自动化程度高、应用广、适应性强等特点。三维激光扫描技术利用激光测距的原理，通过反射激光直接对被测目标进行三维扫描，获取其三维信息，形成三维点云数据。在一些特殊环境下，相较传统的测量方法，三维激光扫描技术更具有优势。

1.3 三维激光扫描测量误差分析

通常情况下，三维激光扫描测量误差分为系统误差和偶然误差。系统误差是由于三维激光扫描自身仪器的影响所造成的误差。例如，随着测量距离的增加，仪器的发散度也会增加，而数据的精度就会随之降低。偶然误差主要是指随机误差，受外界环境、距离和测量角度等的影响较大。被测物体的颜色、倾斜角度也都会对测量角度产生影响，颜色越亮则测量角度越小。

在测量过程中，保证测量结果的准确性、减少误差是非常重要的。减少误差可以从以下3个方面入手：一是缩短扫描仪的测量距离，进而降低扫描仪的发散度，提升测量的精度。二是增加观测站数。通常情况下，一项工程需要设置多个测量站点，对于这些测量站点需要进行后期处理，最终取得变形数据。提升控制网的精度，可以减少数据处理时产生的误差，从而获得更精准的变形数据。三是提高点云数据拼接精度，在进行点云数据拼接时要合理选择合适的拼接算法和拼接方法。

2 核电模块化施工中的现场应用

某核电项目模块化施工主要包括预组装场地模块设备拼装、吊装引入及就位安装等工作。其中模块化设备由钢板、型钢、管道、支撑底座等组成，通过大型履带式吊车吊入舱室内。本次工作主要包括模块化设备组装完成的整体三维扫描以及对应舱室安装位置的三维扫描和模型建立，通过模拟拼装进行吊装碰撞干涉分析并进行预处理，以此保障现场吊装引入工作的顺利进行。

2.1 施工工艺流程设计

（1）在现场土建钢筋绑扎完成后，采用三维激光雷达扫描仪，对现场土建钢筋进行三维扫描，形成点云测量数据。

（2）各部件到场且拼装完成后，对其本体进行三维扫描，形成点云扫描数据。

（3）对多站扫描数据通过公共点进行点云数据预处理，主要包括点云拼接、点云除噪、点云精简等工作。处理完成后形成三维点云数据模型，并通过现场测量基准点将局部坐标系转化至现场坐标系下。

（4）在同一坐标系下，将模块化设备点云模型导入至现场土建钢筋三维模型内，进行吊装模拟推演，分析是否存在碰撞干涉风险，提前制定方案并进行消除。

（5）根据碰撞点位坐标进行现场调整处理，并进行二次复测。

（6）最终确认无误后进行现场吊装就位。

2.2 现场实施

2.2.1 仪器站位及参数设置

在预组装场地对模块化设备进行三维激光扫描时，由于本体尺寸较大，故进行多个角度的扫描工作和扫描模块化设备时应提前拆除保护篷布等，周围其他易产生震动的施工活动应尽量停止。

对现场土建钢筋网进行三维扫描，由于现场环境复杂，需多次架站进行扫描，扫描分辨率设置为40LPD×40PPD，即被扫描物体的点位间距。仪器与被测目标应呈垂直90°角架设，以使扫描成像现场查看更加方便。

由于现场扫描站数较多，且易受现场因素影响，扫描时尽可能避免震动，扫描范围内减少人员走动，在进行多站数据采集时，还需要在各个位置方向放置同名点，即公共反射物。

2.2.2 公共点布设

由于现场环境影响，需要多次架设进行数据采集，而每站的扫描数据需要通过公共点进行关联，形成一个整体。根据现场实际情况，公共点在空间上进行错落、无规则布设，便于后期数据拼接处理。每站公共点扫描数不低于5个，公共点应布设在稳固的墙体上，避免固定基础面的位移影响扫描数据的平差精度。

2.2.3 数据采集

现场进行土建钢筋三维扫描时，首先采用30LPD×30PPD模式进行低分辨率扫描，扫描结束后查看结果是否满足测量要求，如满足则按照相同测量方法以40LPD×40PPD模式进行高分辨率扫描。由于现场环境影响，需连续架站扫描12次才能获取现场完整空间三维数据，在扫描过程中尽量多采集公共点信息，为每站扫描数据拼接质量提供有力保障。

按照同样的数据采集方法对预组装场地的模块化设备进行三维扫描。

2.3 数据处理

（1）点云数据预处理。受三维扫描仪精度、现场环境和被测物体表面材质、光学性质等因素影响，测量数据存在大量的噪点。点云数据预处理就是在保证点云数据精度的前提下去除扫描时出现的噪点、减少点云数据量。点云数据预处理主要分为点云拼接、点云除噪、点云精简3个部分。

（2）逆向建模。三维模型的建立是通过三维扫描数据构建直线、平面、圆柱面等几何特征的过程，而创建这些几何特征是数字化预拼装的重要工作之一，本次采用Geomagic Qualify软件进行处理。

（3）数字模拟预拼装。数字模拟预拼装技术是根据各模型之间的空间关联性，通过公共点位关系进行坐标最优转化，在统一坐标系下，分析对接匹配的碰撞、错位情况。本次通过采集布设在稳固墙体上的11个公共点进行坐标系最优转化，实现测量坐标系到现场坐标的转变，转换后测量点位偏差最大为0.48mm，见图1。

图1 转化后测量点位偏差对比

本次预拼装处理以采集的设备本体各轴线位置坐标点作为两组模型的公共转化关系，转换完成后确定干涉钢筋的位置、偏移方向、偏移量等数据，对干涉钢筋进行预处理。

首次对模块化设备模型和现场土建钢筋进行模拟分析，共发现89处碰撞干涉位置，施工队根据测量数据对现场钢筋进行了预处理并进行了第2次三维扫描测量，第2次碰撞分析发现碰撞点位7处，见表1。

表1 第2次碰撞点位坐标

2.4 应用效果

通过应用本方法全程指导模块化施工，在预处理后与现场土建钢筋碰撞点位从原有的89处大幅减少至7处，施工队根据碰撞干涉点位信息提前制订了解决措施并进行了现场处理，经过处理后该模块化设备顺利就位到现场土建钢筋上，实现了一次吊装就位成功。

3 结语

模块化施工作为一种组装化技术，利用事先预制好的模块构件在预组装场地进行整体拼装后吊至现场就位，具有施工简便、组装灵活、用工用料省等特点，可大幅度提升主线施工进度，在目前核电厂建安领域得到大范围应用推广。与传统方式相比，模块化施工的不足之处主要是无法准确分析设备对接的匹配性，对于核电厂主系统设备来说，其高精度的技术要求更需要确保模块化设备的精准就位。

通过本文提出的一种基于三维激光三维技术的模块化施工测量方法，对现场及模块化设备进行三维扫描测量，形成三维模型用以全程指导设备场外模块化拼装和吊装引入、就位等工作，通过模拟预拼装分析提前发现干涉点位并进行预先处理，实现模块化设备一次吊装就位成功，为现场主线施工进度提供了可靠的技术保障，解决了施工过程中关键的安装难题。这对于提高我国核电安装技术的可靠性、先进性，保证安装质量、降低建造成本、缩短施工周期，推动新一代核电建设技术进步具有深远的意义。