基于三维激光扫描的桥梁转体过程监测方法

古建军，李超，木江涛，黄国忠，周银

(1.云南交投集团公路建设有限公司，昆明 650100；2.云南昆楚高速公路投资开发有限公司，昆明 650100；3.云南省交通发展投资有限责任公司，昆明 650100；4.云南德融建设项目管理有限公司，昆明 650100；5.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

受一些特殊的施工条件(如跨线等)限制，桥梁转体施工具有独特的优势。其中，平转法作为桥梁转体的主要形式之一，有着广泛的应用。该方法的转动体系为转动平衡体系、转动牵引体系和转动支承体系[1]。由于制作安装误差和梁体质量分布差异以及预应力张拉的程度差异，可能导致桥墩两侧悬臂梁段质量分布不同以及刚度不同，从而产生不平衡力矩。一般地，为防止桥梁转体过程中出现偏位超标，传统采用全站仪测量配合微调系统进行调节[2]。

利用三维激光扫描测量是获得物体表面的三维坐标和密集信息。这被誉为继全球定位系统(global positioning system，GPS)技术后测绘领域的又一次技术革命。近年来，已有许多国内外学者将三维激光扫描技术用于工程监测。在国外，Travelletti等[3]在2007—2010年使用地面式激光扫描仪对法国南部阿尔卑斯山脉的 Super-Sauze 滑坡体进行了大量数据采集工作及连续3年的变形监测，说明了三维激光扫描在建筑等相关监测中的巨大作用和潜力。结构方面，Armesto 等[4]在古建筑拱桥的变形监测中，利用三维激光扫描技术获取点云，并以统计非参数的方法处理得到拱的精确几何尺寸，以此来分析拱的变形。近年来，国内研究人员采用三维激光扫描在隧道、边坡、以及桥梁的监测方面进行了大量的应用。司梦元等[5]设计了一套永久性的边坡监测控制方案，结合算法提取边坡变形信息，可实现边坡的多期快速、准确监测。李勇兵等[6]利用三维激光扫描获取隧道点云，并生成全断面的变形色谱图。对于重点区域，则编写形心拟合算法自动获取其准确变形量。赵亚波等[7]以海上钻井平台钢结构变形为例,在对钢结构三维点云进行预处理后，基于钢结构设计模型对三维点云完成了拟合,进一步的进行碰撞分析,以得到钢结构的空间变形情况。向小菊等[8]采用非均匀有理B样条(non uniform rational B-spline，NURBS)曲面原理对大跨度桥梁点云变形进行重构，并将三维激光扫描实测结果与有限元模拟对比分析，结果表明实测值具有较高的精度和可靠性。

上述研究表明，三维激光扫描技术在工程结构监测领域具有巨大的潜力。基于此，现拟采用三维激光扫描技术在桥梁的施工阶段进行监测。以某混凝土T构连续梁为依托，通过重构三维桥底精确曲面，完成每个关键阶段与转体目标高程偏差对比；以及自动化提取桥底中线以及两侧边线的三条重要线形，绘制该三条线形与转体目标高程偏差包络图。以期实时显示转体期间与转体目标位置偏差的三维直观分布情况，而中、边线的线形与目标偏差是否超出标准，对于转体桥梁尤其是高难度、大跨度转体施工具有重要意义。

1 工程概况

大德大桥上跨成昆铁路桥工程是昆楚项目中的重大控制性工程(图1)。大桥全长290 m，主桥转体部分长106 m，桥面宽33.5 m，双向六车道，如图1所示。该桥采用支架现浇后平面转体法施工，引桥采用满堂支架现浇法施工。其中主桥转体质量约15 000 t，转体幅度66°，且要求一次转体就位，是试验段内重点控制性工程。

图1 大德大桥

转体施工的基本程序为:首先在承台上施工转体结构(包括下转盘、球绞、上转盘等)，在上转盘上浇筑转体墩，随后平行既有铁路方向，在桥墩上分别采用支架法浇筑 T 构现浇箱梁。在上转盘上设置牵引索，通过千斤顶的拉力使上转盘产生转动，带动其上的桥墩和梁体一起顺时针转动(两侧墩上梁体同时转动)，见图2。在设计位置合龙，最后封固上、下转盘。再通过体系转换，使桥梁成为一体。

图2 桥梁转体

通常的，对于主梁转体过程的监测方式如下：在主梁端部四角落各设置 1 个大刻度尺，以便转体时观测梁端标高变化，每转 5°向技术人员报一次读数。如变化值超出梁底和支墩间隙设定值，则需及时通知应急预案人员降低临时支墩标高。相比一般的转体桥工程，由于该桥跨度长、吨位大，如何确保大桥在姿态符合施工要求变得尤其困难。

传统方式只能采取有限点的方式进行监测，少量数据导致评价当前状态与目标设计位置是否达到最大程度对齐较为困难。另外，由于现场影响测点精度的因素较多，如果单个或多个的测点与真实值偏大，将对监测结果产生重大影响。为避免上述情况的发生，丰富精准的三维激光数据作为桥梁转体监测的基础点云数据意义重大。

2 相位式三维扫描仪监测

2.1 仪器特点分析

监测桥梁转体所采用的设备为FARO Focus3D X330三维激光扫描仪，见图3。

图3 FARO Focus3D X330三维激光扫描仪

该扫描仪采用是相位式激光测距原理，最大测量半径可达330 m。在扫描时，扫描仪内部的激光发射器发射激光经光学镜反射向待测物，并接收返回的激光信号，通过激光的相位差测算仪器和待测物的距离。

扫描工作时，仪器的光学镜机头竖向高速旋转保证扫描覆盖到竖直向-60°～90°，同时扫描仪水平向旋转覆盖到水平向0°～360°，从而保证扫描仪器能够保证到水平区域360°，竖直区域300°的扫描覆盖面。仪器将捕捉待测物表面大量点的空间坐标数据，其采集速率可达到976 000个/s测量点，同时还可利用设备上的7×107像素全自动无视差摄像头进行同步的色彩和纹理捕捉以达到彩色扫描的效果。该仪器具体参数见表1。

表1 FARO Focus3D X330扫描仪参数

2.2 仪器布置方案

根据现场桥梁转体的特点，将6个靶标球分别呈如图4所示位置布置。只需将三维激光扫描仪架设在桥梁横桥向两侧、以转体结构为中心的10～15 m两处扫描站点即可，整体布置方案见图4。该布置方案的目的在于，无论桥梁转体到任何位置，两站点云总是能包含至少3个相同的靶标球。由点云拼接的原理可知，3个相同的点能保证两站之间精准拼接。同时，该布置方案能极大地避免由于视线的遮挡，从而导致桥梁点云的缺失情况，可为后续的点云处理提供良好的数据支持。

图4 布置方案

2.3 数据的采集与预处理

数据采集时，首先将扫描的桥梁点云数据与施工坐标设置于同一个坐标系下，进而便于快速分析当前状态与目标设计位置偏差情况。类似传统转体监测，桥梁每转 5°进行一次扫描，即转体0°、5°、10°、…、60°、61°、…、66°，图5为某转体时的点云数据。

图5 桥梁点云

由于仪器、周围环境等因素，所获得的点云数据中会存在一定数量的离散点。这些噪声点的存在会影响数据的准确性，为消除这些噪声点对数据计算的影响，需要在点云预处理阶段对这些噪声点进行剔除。采用专业点云处理软件Geomagic完成桥梁点云的快速降噪。

3 NURBS曲面重构及偏差分析

3.1 NURBS曲面重构

作为每个关键阶段与转体目标高程偏差对比的基础，需要对散点点云进行曲面重构。基于NURBS曲面重构算法能够比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度，利用两个方向上的节点矢量、控制网点、权值，可以灵活地控制曲面的形状，在桥梁离散点云的曲面重构方面，NURBS曲面重构算法拥有很好的几何不变性和局部形状控制能力，从而能够创建出更逼真、生动的造型[9]。

曲面方程为

(1)

式(1)中：Cu、Cv为控制点数，其中(u,v)∈[Umin,Umax]×[Vmin,Vmax]；Pi,j为控制点位置的矢量分量;Wi,j为其对应定点的权因子；Ni,p(u)为u方向上p次B样条函数；Nj,q(v)为v方向上q次B样条基函数；其中，i=0,1,…，n;j=0,1,…，m。

基函数递推公式为

(2)

(3)

U的方向次数p,控制点数Cu和节点数Ku，V的方向次数q,控制点数Cv和节点数Kv满足等式为

(4)

通过改变节点矢量、控制点、权因子能够控制曲面的形状，一个控制点的移动将会影响部分曲面的形状，节点决定怎样定义基函数[10]。可以通过对控制点赋予权值来改变控制点对曲面的影响，某个控制点权值的增加，则其对曲面的影响也将随之增加，相反其相邻控制点对曲面的影响将随之减少。通过调整控制点和权因子能够灵活地设计出各种形状的曲面，可见，基于NURBS曲面重构算法具有计算稳定、速度快和线性变换时的几何不变性等特性。将该重构算法应用于预处理后的桥底点云，见图6。

图6 NURBS曲面重构

3.2 数据对比分析

3.2.1 算法偏差分析图

一般的，有两种方式进行当前阶段与目标曲面的高程偏差对比。为了将技术流程以更完整编程的方式呈现，实现现场快速处理数据的目的。故首选的方式为：对桥底曲面完成重构后，解析相关对比原理，可对二者快速完成曲面偏差分析(以下简称算法偏差分析图)，相关原理如图7所示。

图7 曲面偏差分析模型

另一种方式是以专业点云处理软件，如专业点云处理软件Geomagic等为平台，通常设目标曲面为Ref，当前曲面为Test，设置相应对比参数并生成3D偏差色谱图。将该方式处理的结果作为算法偏差分析的参考，以验证技术流程精度。

根据对比结果，可方便现场人员快速分辨桥梁转体最大偏差，当最大偏差超过规范允许范围时，即使对现场做出调整。以某侧桥底点云为起点，顺桥向为x轴(其中较高侧为起始端)，横桥向为y轴，高程为z轴，建立桥梁局部坐标系。由于桥梁监测主要的参考依据为是桥梁的高程偏差Dz，因此只对Dz值进行偏差分析。

首先采用NURBS曲面重构算法对每期桥底点云进行处理，以开始转体时(即转体0°)桥底高程为例。由图8可知，桥底高程均匀下降，且横向基本呈对称分布。该数据说明该桥体施工质量较好，有利于后续的转体工序进行。另外，为了精确地评判当前状态与目标高程偏差情况，做出对下一转体步骤及时指导，将该状态的NURBS曲面与目标曲面进行偏差分析，见图9。可以得出，桥体左端低于目标高程约4 mm，沿着顺桥向直至右端则高于目标高程约4 mm。目前的《桥梁水平转体施工技术规程》(DG/TJ 08—2220—2016)[11]中规定，对于跨径L≤100 m的转体桥梁，顶面高程允许偏差为±20 mm；对于L>100 m的转体桥梁，顶面高程允许偏差为±L/5 000 mm。对于本桥梁主桥跨度L=106 m，接近L=100 m。同时为了使转体过程更加安全，选择要求较高的±20 mm高程允许偏差为作为转体过程是否需要调整的指标。该偏差结果符合规范要求，如果转体结果偏差超出规范，当偏差为正时，则建议现场适当降低桥体超限端的高程，与此同时也可有效缓解另一端高程偏差；当偏差为负时，则建议现场适当抬高桥体超限端的高程，同样也可有效缓解另一端高程偏差。

图8 转体0°桥底高程

图9 转体0°实际与设计桥底偏差

为检验NURBS曲面重构算法和偏差分析的精度，对于同一桥体转体状态。以转体0°为例，在专业点云处理软件Geomagic完成曲面重构及3D偏差色谱图生成。设目标高程桥底曲面为Ref，当前转体桥底曲面为Test，设置相应对比参数，结果见图10。

结果显示，和NURBS曲面重构法得到的桥底偏差结果一样，该方法呈现出相同的偏差分布规律。现以Geomagic偏差结果为标准，验证本文算法的精度。选取转体0°、5°、15°三种状态为对象，得到本文算法偏差结果与Geomagic处理结果的差值分布图，见图11。可得到差值范围在±0.25 mm内，该结果表明本文算法精度高，可用于桥梁转体的监测。

两种偏差图都可以较好地反映当前阶段与目标曲面的准确高程偏差值，以转体0°时桥面高程偏差值为例进行其偏差分布规律的说明。其中，对于桥梁顺桥向而言，偏差由起始端向终端呈逐渐均匀增大的趋势。对于桥梁横桥向，偏差基本关于桥梁中轴线对称。说明转体时重点关注桥梁顺桥向梁端的高程，不过同时也需关注横桥向是否发生较为严重的偏转。

值得说明的是，由技术路线生成的算法偏差分析图(图10)色阶分布明显，可快速观察对象具体位置偏差值，这对于现场的实时监测无疑是十分有利的。

图10 Geomagic偏差色谱图

以上两种偏差图在表现整体桥面高程偏差具有独特的优势，但对于全过程桥梁转体监测来说，记录其全过程轨迹并预测下一阶段偏差，可有效避免下一阶段超出偏差允许范围，达到更好的转体监测目的。故提取桥底中线以及两侧边线的三条重要线形，并逐个绘制该3条线形与转体目标全过程高程偏差包络图(图11)。

图11 差值分布图

3.2.2 高程偏差包络图

图12所示为下边线与转体目标高程偏差包络图。分析可得以下三点主要规律。

(1)下边线与转体目标高程偏差范围由顺桥向左右端高程与设计偏差值确定，该值在转体15°达到最大值36 mm(超过高程允许偏差±20 mm)，该状态必须采取相应的调整措施。即现场应适当降低桥体超限端的高程，与此同时也可有效缓解另一端高程偏差。经过现场及时调整，往后逐渐呈减小趋势，最终使整体桥梁实际高程皆趋于目标高程。

(2)实际高程与目标高程偏差值越分散，表示桥梁顺桥向倾斜越严重。

(3)桥梁横桥向倾斜程度由下边线中点与目标高程偏差值确定，由图12可知，该桥横桥向偏差值保持在较小的范围，并最终趋于零。

图12 下边线高程偏差包络图

传统的桥梁转体监测方法，采集的基础数据不全且难以保证精度。因为现场施工环境复杂、影响测点精度的因素较多，如果单个或多个的测点与真实值偏差大，可能对监测结果产生重大影响。技术路线通过对全面、高精度的现场数据进行快速的分析，并完成算法偏差分析图、偏差包络图两种成果图的绘制。其中，算法偏差分析图注重表现整体桥面高程偏差，而偏差包络图可记录转体全过程轨迹并预测下一阶段偏差。二者的深入结合使用，对于现场的转体施工大大增强了监测的信息覆盖度和把握性，十分有利于工序的顺利进行，避免了偶然误差对施工的影响。

4 结论

以现场实时监控的三维激光点云为基础数据，配合相关自动化分析算法，最终形成偏差分析图和包络图。将两种结果结合使用，不仅可查询某阶段整体桥面高程偏差，而且可通过转体全过程轨迹对下一阶段偏差进行预测及必要纠正，提升了现场监控的可靠性及效率。

随着工程领域数据获取技术的不断发展，正在快速地由单点、非连续式转为全覆盖信息。激光点云以其高精度、全覆盖的优势，越来越广泛应用于建筑检测及监测。同时，该类数据的处理及表现形式也随着数据复杂度的增加而需要相应调整，类似两种分析结果图(偏差分析图和包络图)是表现该类数据的有效表现手段。伴随智能信息化的发展，该类三维全覆盖监控技术的应用将越来越广泛。