山东植物馆异形空间幕墙三维扫描下料施工工法

'异形空间幕墙三维扫描下料施工工法1前言随着工业现代化和科学技术的纵深发展，人们对建筑外观美感的要求越来越高，造型也越来越复杂。幕墙工程呈现出对美感和造型前所未有的追求，从传统的平直外立面向单曲、双曲等复杂造型跨越，由此，传统的放线测量下料技术不论从操作、技术方面，还是从成本、进度、质量等方面均已不能满足此类项目的内在要求。异形空间三维扫描下料技术通过控制测量、扫描、建模等施工工序操作，给出了针对该问题的妥善、高效的解决方案。我公司在2014青岛****博览会植物馆项目异形空间幕墙工程的施工中，通过对异形空间三维扫描下料技术的深入研究和实践，提炼形成本工法，为同类工程的施工提供了借鉴、参考和指导。2工法特点2.0.1精度高。通过全站仪和电子水准仪相结合的方式来建立空间控制网，较之单纯的全站仪测量的控制网，误差小且均匀分摊，提高控制网的精确度。2.0.2操作简单。高端高效的三维扫描，具有高效、准确、可操作性强等特点，对异形空间的幕墙测量工作具有很强的针对性和切合性。2.0.3效率高。针对造型复杂而又工期紧张的项目而言，批量下料是提高效率、缩短工期的有效途径，在三维模型提取的数据为批量下料提供了良好的技术依据。3适用范围本工法适用于：各种造型的幕墙测量下料，尤其适用于曲面复杂的异形空间幕墙测量下料技术。 4工艺原理4.0.1坐标转换。控制网由覆盖整个建筑物的坐标控制点组成，是城市坐标系下建立的控制网。在幕墙支撑点坐标扫描后，需将所扫描点（或对象）的坐标转化成城市坐标系下的坐标。控制网系中坐标A0（X0,Y0,Z0）扫描坐标系中A1(X1,Y1,Z1)扫描坐标系中目标点A2（X2,Y2,Z2）相对坐标差ΔX=X2-X1ΔY=Y2-Y1ΔZ=Z2–Z1控制网系（城市坐标系）与扫描坐标系对目标点A2进行坐标转换：X2=X0+ΔXY2=Y0+ΔYZ2=Z0+ΔZ4.0.2下料计算原理。D=[（X2-X1）2+（Y2-Y1）2+（Z2–Z1）2]0.5其中X,Y,Z分别是三角形幕墙玻璃角点的三维坐标。5工艺流程及操作要点5.1工艺流程区域划分→平面控制网建立→平面控制测量→高程控制测量→安设烛点→三维扫描→内业处理→坐标转换→三维建模→数据提取→形成料单→批量下料5.2操作要点5.2.1区域划分。划分扫描区域并对每个区域进行点数设置（≥2，测量与校核）。根据建筑物的形状以及现场控制网特点进行区域划分。 5.2.2平面控制网建立。根据勘察测绘院给出的建筑物定位控制点的坐标及现场划分的区域，引测覆盖建筑物的控制点，这些控制点需满足以下几个要求：1、控制网围绕并覆盖整个建筑物，控制点之间的距离相对均匀且在测量仪器误差允许的测量距离内，不能过于集中，否则会导致后续扫描过程中控制点采集困难，影响测量和扫描精度。2、控制点之间前后通视良好，以便于坐标和高程的测量。3、控制点与建筑物距离恰当，根据扫描仪器的扫描距离且需保证扫描仪器工作过程中对该点的覆盖，太远产生误差太大，太近可能扫描不到。5.2.3平面控制测量。平面控制测量的主要目的是获取控制网上所有控制点的平面坐标，即（x,y）坐标，该工序通过全站仪测量角度和距离，依次推算各个点的坐标（起始点为已知城市坐标系点）。5.2.4高程控制测量。高程控制测量的主要目的是解决三维坐标的“Z”值问题，由此，通过平面控制测量和高程控制测量，（x,y,z）的值均可以得以解决。5.2.5安设烛点。管桁架的每个相贯线的节点处军有焊接的点驳件，为了获取点驳件形心的坐标点，需在每个点驳件上安设烛点，当扫描仪工作时，可以准确的捕捉到该点的坐标。局部烛点分布如图5.2.4-1所示。图5.2.4-15.2.6三维扫描。点驳件安设妥当后，采用三维激光扫描仪扫描所有烛点形成点云数据。扫描过程中，不仅需扫描到烛点，而且要覆盖该部分的控制点的坐标，这样，便于后续的坐标转换。 图5.2.5-1扫描仪分区域扫描示意图5.2.6.1内业处理。通过内业处理，将扫描仪中的点云数据转换成坐标数据。5.2.6.2坐标转换。对内业处理的坐标数据进行坐标转换，使所有的点都处于城市坐标系中。坐标转换的成果便是所有烛点的城市坐标系里的坐标值。5.2.6.3三维建模。根据所得的烛点的坐标系值，采用计算机辅助设计的方式，建立三维模型。图5.2.8-1三维模型5.2.6.4数据提取。在所建立的三维模型中批量提取所需数据，即所有玻璃的边长数据。图5.2.9-1 5.2.6.5形成料单。对所测量的玻璃进行分区编码，汇总所有玻璃的边长信息，由此形成了三维扫描的料单。5.2.7批量下料。工厂可以根据提供的料单信息，进行批量下料，实现工业化的流水线批量生产，提高了质量和效率。6材料与设备6.1材料6.1.1烛棒。烛棒规格根据点驳件的规格设定，其外径与点驳件的内径相等，恰好可承插在点驳件上。6.2机具设备本工法采用的机具设备包括：水准仪、全站仪、三维激光扫描仪、三维激光扫描仪配套软件、塔尺、棱镜、汽车吊、塔吊、数据储存设备、计算机等。7质量控制7.1规范与标准7.1.1规范与标准《工程测量规范》GB50026-2007《建筑工程施工质量验收统一标准》GB50300-2001《玻璃幕墙工程质量检验标准》JGJ/T139—2001《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-20017.2质量控制措施7.2.1 控制网的建立既要兼顾对整个建筑物的覆盖，又要合理确定各相邻点的恰当距离，而且各个控制点离建筑物的距离不能太近，以免扫描仪无法扫描到该点。7.2.2扫描仪工作过程中应提前规划，划分合理的扫描区域。每个扫描区域尽量不要留下扫描死角，同时要扫描到作为相对坐标计算依据的控制点坐标。7.2.3在平面控制测量工作中，对仪器的选择应选择全站仪和水准仪组合测量工具，如用全站仪一次性测量（x,y,z）值，由于棱镜即仪器高度的测量累计误差会导致部分玻璃不符合工程实际尺寸需求。7.2.4安设烛点时，应将驻点插至点驳件底部，第一保证稳定、防脱落，第二可以保证烛棒与点驳件的切合度，提高扫描测量的精度。8安全措施8.0.1测量、安全、信号工、塔吊工、施工人员等必须持证上岗。8.0.2施工人员必须戴好安全帽，并系帽带。严禁酒后作业及违章作业。8.0.3扫描工作过程中要安装固定到位，并由专人检查。8.0.4烛棒安装属于高空作业，操作人员佩戴安全帽并穿防滑鞋。8.0.5塔吊指挥人员应为专职的信号工且持证上岗。8.0.6立面维护幕墙的测量借助脚手架时，在脚手架上进行测量作业应佩戴安全带。9环保措施9.0.1脚手架搭设后应挂设密目网防止扬尘。9.0.2对装运建筑材料的车辆，派专人负责清扫及冲洗，保证行驶途中不污梁道路和环境。9.0.3严格执行工程所在地有关运输车辆管理的规定。9.0.4施工现场应做到整洁、卫生、活完料净，废弃垃圾应集中堆放、处理。10效益分析 10.1经济效益分析10.1.1经济效益以2014青岛世****览会植物馆为例，综合考虑质量控制、成本造价以及对工期的影响等三个方面，与目前常用的三种可行方案进行经济分析比较，见表10.1.1-1和10.1.1-2。表10.1.1-1方案名称及特性序号方案名称方案1人工测量方案2全站仪测点、AutoCAD电子图计算下料方案3异性空间幕墙三维扫描下料表10.1.1-2造价分析序号方案名称滞后工期（月）人工费（元）租赁费（元）方案1人工测量＞3＞162＞65.7方案2全站仪测点、AutoCAD电子图计算下料316265.7方案3异性空间幕墙三维扫描下料///如采用方案1、方案2中的任何一种，至少需3个月进行测量，测量方面历时仅为原来的1/6甚至更少。由于总体进度提前3个月以上，在人工费（现场工人120人，人均日工资150元）、周转料具（脚手架、扣件每日租赁费0.45万）租赁费、设备租赁费（HTZ80塔吊三台，汽车吊一台，合计每天租金0.28万）等方面合计节约费用（120*0.015+0.45+0.28）*3*30=227.7万元。10.2社会和环保效益10.2.1社会和环保效益 本工法即取得了可观的经济效益，又取得了良好的社会效益。得到了建设方、监理方、设计方以及质检站的一致好评，巩固了企业在社会上的良好形象。异形幕墙工程的施工完成受到建筑界各类人士关注，业内同行多次组织观摩学习。尤其值得一提的是，通过三维扫描下料，可以大大降低工程事故的发生率，其隐形的安全效益也是巨大的。11工程实例–2014青岛世****览会植物馆项目11.0.1工程概况。2014青岛****博览会植物馆工程位于青岛市天水路以北，百果山森林公园内，占地面积2.44公顷，工程总造价2.93亿。本工程总****22749m2其中地上建筑面积13522㎡，地下建筑面积9227㎡，是全亚洲最大的钢结构植物馆之一。建筑结构类型及层数：地上一层钢结构，地下一层混凝土结构A馆为暖温带植物展区，B馆为竹艺展区，C馆为温带植物展区，D馆为海洋展区，是世**唯一一座把海洋展区建在山区的建筑物。钢结构为管桁架结构**吨位只有约3000吨，拼装杆件却达到14000多根，而且所有杆件均为现场拼装焊接，且焊缝总长度达到了17000米**当于10000吨常规钢结构工程的焊接量，植物馆围护构造为幕墙，总计板数约12000块，均为三角形。工程效果图见图11.0.1。图11.0.1-111.0.2施工情况。整个植物馆分为四个馆区，每个馆区设置2~3个扫描站，从而覆盖整个植物馆。在施工过程中严格按照本工法中的工艺流程和质量要求进行施工，取得了良好的经济、社会效益。施工时间为2012年9月至2013年5月。施工过程见图11.0.2-1～11.0.2-2。 图11.0.2-1扫描仪工作中图11.0.2-2B馆幕墙施工11.0.3应用效果。按照本工法操作下料安装，场馆幕墙的整体效果和施工速度得到了建设单位和监理单位的一致好评，取得了良好的社会效益。图11.0.3-1B馆幕墙完成效果'