实景三维建模在大型公共建筑检测中的应用

刘运房，侯晋华，许家文，罗 飞

(山西省建筑科学研究院集团有限公司,山西 太原 030001)

0 引言

在主体结构检测中,常用接触式直接测量法,而此种方法适用于操作面大、作业方便的构件检测。而面对大型空间桁架结构,特别是对高耸建筑物进行测量时,通过手动接触式获得技术参数通常是不完整且工作效率低下,还会对高空检测人员的人身安全造成重大威胁。因此,在大型公共建筑主体结构检测中,寻求高效、精确、全面的检测方法对检测作业人员是具有重要意义的。随着科技和数字技术的快速发展,利用无人机贴近摄影测量和精细化实景三维建模技术等非接触式的测量方法已逐渐出现在工程检测人员的视野。2019年张祖勋院士团队[1]提出了贴近摄影测量技术,针对非常规目标精细化重建的贴近摄影测量方法,通过无人机沿目标表面飞行、高清摄影相机贴合目标表面拍摄,实现对非常规地面(如大坝、岩石边坡等)或人工物体表面(如大型公共建筑、空间网架结构、桁架结构、高耸结构、古建筑等具有特点的建筑等)等对象的毫米级分辨影像,并通过精细化实景三维建模技术对影像进行处理,建立高精度、准确、全面的绝对空间位置数据以及真实纹理的数字资料。蔡军等[2]研究了贴近摄影测量与BIM技术在濒危民族建筑部件级实景三维建设中的应用,形成了传统部落部件级实景三维模型图,对构件的外观特征、尺寸信息等进行参数化建模,形成可提取数据库。姚富潭等[3]基于贴近摄影测量技术对高陡危岩体结构面调查方法进行了研究,通过三维模型中缺陷特征,对危岩体稳定性进行快速评价,能很好满足工程精度要求,提供可靠的基础数据。王棋[4]研究了贴近摄影测量技术在历史建筑保护中的应用,解决了复杂建筑的高精度建模问题,具有较高的使用价值。刘洋等[5]研究了无人机贴近摄影测量用于桥梁工程精细化建模。张际泽等[6]研究了无人机摄影测量应用于水电站项目获取了高精度实景三维模型,为项目设计、施工等需求提供了基础数据,提高测量工作效率,提升了测量成果质量,同时降低现场测量人员的工作强度,实现了工程建设的精细化和智能化。徐陈勇等[7]基于无人机贴近摄影测量对某码头边坡安全实施巡检检测,对整个岸坡进行数据采集、分析、识别变化信息。王小刚等[8]将贴近摄影测量用在水利工程监测中,结果显示获取的影像地面分辨率达到毫米级,在水利工程监测和地质勘察领域有广阔应用前景。

可见,贴近摄影测量已应用于濒危历史建筑、高陡危岩体结构、桥梁工程、水利工程、边坡工程等监测、勘察、设计、施工等多个领域,为高危大型公共建筑空间桁架结构现场检测提供了思路。本文以山西某市大酒店楼顶防空信号塔主体结构检测为例,综合运用贴近摄影测量和精细化实景三维建模技术,在减少人工投入的基础下,快速、准确地完成现场数据采集,并且获得的数据具备较高的准确性,为此类大型建筑结构现场检测提供了技术支撑,同时促进了检测行业的可持续和高质量发展。

1 工程概况

山西省某市大酒店塔楼为地下2层、地上17层(出屋面四层构架层)框架剪力墙结构建筑,建筑总面积为39 998.66 m2,其中塔楼东西长约55.4 m、南北向宽约21.4 m,建筑总高度88.10 m,设计使用年限为50 a,建筑类别为一类高层旅馆。该信号塔由主塔和避雷针组成。主塔主要有支脚、圆柱体和正八边形变形体三部分组成,主塔正立面塔脚中心距27.6 m,塔高为36 m,其中支脚部分在屋面以上的高度为16 m,其上为20 m高圆柱体,在圆柱体上部设置正八边形变形体,变形体高度为3 m,避雷针高11.3 m。信号塔立面示意图如图1所示。

为了解目前该信号塔结构自身工作状况以及对塔楼结构的影响,对该信号塔进行主体结构检测。该项目主要难点是对塔身自身结构的检测,结构复杂、属于高空高危作业,对塔身平立面布置、构件位置、截面尺寸、构件变形等关键技术参数很难开展工作,且塔身多个部位技术人员无法实地测量。为解决以上难题,提出利用无人机贴近环绕摄影测量和精细化实景三维建模技术手段采集数据。

2 测试原理

利用无人机贴近环绕摄影测量是一种全新的摄影测量方式,通过对无人机航线设计、人工布设相控点、贴近测量对象,调整无人机飞行姿态和相机参数,利用无人机云台姿势控制能力和高精度定位技术,贴近被测对象获取超高分辨率影像,通过数字化影像技术,依据影像制作三维实景模型,进行精细化地理信息获取,可以得到被测对象的精细结构,目前精度可以达到毫米级。

3 模型检查分析

三维实景模型生成后,如图2所示,共检查了10个空间特征点,其误差统计如表1所示。

表1 特征点坐标检查统计表

经对比可知,10个空间特征点坐标误差最大值为11.5 mm,特征点高程误差最大值为2.4 mm,其数字模型满足GB/T 17941—2008数字测绘成果质量要求[9]的相关要求。

4 信号塔主体结构检测结果及分析

基于实景三维高精度模型,实测大地坐标数据,进而得到各特征点坐标信息,用于主体结构检测分析。

4.1 基础钢梁截面尺寸测试结果

实景三维模型实测基础钢梁截面尺寸如图3所示,实测结果如表2所示。

表2 基础钢梁截面尺寸测试结果

由表2可知,所抽检的信号塔基础钢梁截面尺寸与原设计图纸基本相符。

4.2 基础钢梁挠度变形检测

依据GB 55018—2021工程测量通用规范[10]和JGJ 8—2016建筑变形测量规范[11]的相关规定,并结合现场实际检测条件;分别选取梁两端和梁中心,共3个测点标高进行测量,测量结果见表3。

表3 基础钢梁挠度抽检结果表

由表3可知,本次抽检的6个钢梁构件,分别选取梁两端和梁中心,共计18个测点,进行测点标高测量,挠度结果均满足GB 50017—2017钢结构设计标准[12]附录B中受弯构件的挠度主梁或桁架挠度容许值的规定。

4.3 信号塔塔架垂直度检测及分析

依据GB 55018—2021工程测量通用规范和JGJ 8—2016建筑变形测量规范中第4.8节的相关规定,采用无人机近景环绕摄影测量方法,对塔架坐标进行测量,并根据测量数据,利用坐标法对垂直度进行计算,根据三维模型结果,选择设计标高为124.300 m处正八边形桁架圆上平面三点(A,B,C),实测A,B,C三点大地坐标见表4。

表4 实测塔架顶部大地坐标测量结果 m

根据圆上三点A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3)即可求得圆心坐标(X,Y)。由式(1)—式(3)计算:

(x1-X)2+(y1-Y)2=R2

(1)

(x2-X)2+(y2-Y)2=R2

(2)

(x3-X)2+(y3-Y)3=R2

(3)

由式(1),式(2),得到式(4):

x12-x22-2x1X+2x2X+y12-y22-2y1Y+2y2Y=0

(4)

由式(2),式(3),得到式(5):

x22-x32-2x2X+2x3X+y22-y32-2y2Y+2y3Y=0

(5)

再整理式(4)、式(5)得式(6),式(7):

(2x2-2x1)X+(2y2-2y1)Y=x22-x12+y22-y12

(6)

(2x3-2x2)X+(2y3-2y2)Y=x32-x22+y32-y22

(7)

由式(6),式(7)可求得:

X=[(x22-x12+y22-y12)(2y3-2y2)-
(x32-x22+y32-y22)(2y2-2y1)]/

[(2x2-2x1)(2y3-2y2)-(2x3-2x2)(2y2-2y1)]。

Y=[(2x3-2x2)(x22-x12+y22-y12)-(x32-
x22+y32-y22)2x2-2x1]/

[(2x3-2x2)(2y2-2y1)-(2x2-2x1)(2y3-2y2)]。

将数据代入可得X=4***26.691 9,Y=3***791.095,即标高124.300 m处实测圆心坐标O1为(4***26.691 9,3***791.095,940.447)。

通过测绘结果,信号塔4个基座处坐标见表5。

表5 信号塔基座坐标(标高85.900 m) m

通过测绘四点坐标,可得到信号塔标高85.900 m基座中心坐标O2为(4***26.710,3***791.078,902.302)。

根据O1(4***26.692,3***791.095,940.447),O2(4***26.681,3***791.078,902.302)两点的空间坐标可知,O1相对于O2向东偏11 mm,O1相对于O2向北偏17 mm,矢量为20.25 mm。经计算,信号塔垂直度为20.25/(940 447-9***02)%=0.053%。未超过该信号塔设计要求:塔架安装完毕后,塔身实际轴线与设计轴线偏差不得大于被测高度的1/1 500(0.067%)。

5 结论

1)通过贴近摄影测量和精细化实景三维建模技术可以应用在大型公共建筑主体结构检测中,能有效减少高空作业、取代劳动强度大、人工接触式测量等测量方式。2)可以基于精细化实景三维模型进行高度、长度、面积、角度的量测,实时获取主体结构参数数据,测量精度满足国家相关规范要求。3)在精细化实景三维模型基础上,获得实时大地坐标能利用于主体结构中构件尺寸、构件挠度、塔架垂直度等检测项目。4)利用贴近摄影测量和精细化实景三维建模技术在实际大型公共建筑主体结构检测项目中可提供可靠的基础数据,实现检测行业的高质量发展。