0引言

实体预拼装是保证空间关联构件现场能够精准安装的有效措施，但存在胎架和人力成本高、场地占用大、效率低等不足。随着计算机技术和三维测量技术的发展和应用，实体预拼装正逐渐被数字化预拼装所代替。数字化预拼装是将三维测量技术得到的构件拼接控制点在专用软件中进行模拟拼装，从而达到精度分析的一种方法。三维激光扫描仪（图1）可以快速获得构件的三维点云数据，具有数据精度高、受外界影响小、可操作性强等优点，成为了数字化预拼装首选的三维测量设备。

图1 三维激光扫描技术

目前，基于点云数据的数字化预拼装主要包括点云数据采集、拼接控制点提取和拼接控制点匹配三个步骤。在点云数据采集方面，现有数字化预拼装方法需要完整点云数据，但完整点云数据存在采集困难、处理成本高且不利于智能化处理等不足。在拼接控制点提取方面，目前拼接控制点是基于专用软件并通过人工选取得到，存在效率低、主观性大等问题。在拼接控制点匹配方面，广义普氏算法是最常用的匹配算法，但目前拼接控制点对应关系需人工设定，不利于智能化处理。课题组结合重庆两江新区寨子路钢拱桥和重庆郭家沱长江大桥的工程需求，开展基于点云数据的大型复杂钢桥梁数字化预拼装方法研究。

1焊接桥梁结构数字化预拼装

重庆两江新区寨子路钢拱桥（图2）为中承式双跨内倾提篮拱桥，由大拱和小拱共同组成。大拱的跨度和高度分别为205m和104m，小拱的跨度和高度分别为131m和71m。小拱采用全支架法进行施工，大拱混用支架法和提升法进行施工。钢拱桥的上部结构包括拱肋、拱间横梁、吊杆以及桥跨结构。

图2  重庆两江新区寨子路钢拱桥

针对焊接桥梁结构数字化预拼装，课题组提出了用局部点云数据代替完整点云数据进行数字化预拼装的策略，大大降低了点云数据的采集难度和处理成本。其次，课题组基于随机采样一致性、霍夫变换等经典算法和图像处理技术，提出了大型复杂构件横截面和侧面点云数据的拼接控制点智能提取方法。最后，课题组基于超四点快速鲁棒匹配算法、迭代最近邻算法和广义普氏算法，提出了拼接控制点智能匹配方法。所提出方法应用于大小拱的数字化预拼装(图3和图4)，研究成果可为构部件现场整修、合拢段配切、提升变形监测等提供依据。

图3 小拱的数字化预拼装

图4 大拱的数字化预拼装

2螺栓连接桥梁结构数字化预拼装

重庆郭家沱长江大桥（图5）是国内跨度最大的公轨两用悬索桥，是重庆快速路六纵线重要过江节点工程。主桥为单孔悬吊双塔三跨连续钢桁梁悬索桥，跨径布置为67.5米+720米+75米。桥跨结构采用双层布置，上层为八车道城市道路交通，下层为双线轨道交通。郭家沱大桥的螺栓孔位密集、数量多，仅北岸主桥就使用了26万套高强螺栓，而螺栓孔径偏差最大允许值+0.7毫米，对钢桁梁制孔精度要求极高，传统施工工艺需要在钢桁架工厂实体预拼（图6）。

针对螺栓连接桥梁结构数字化预拼装，课题组提出多尺度点云数据的采集方案，采用陆地式三维激光扫描仪获得构部件整体点云数据，采用手持式扫描仪获得构部件细部（螺栓孔）点云数据，大大提高了螺栓连接构部件点云数据的采集效率。其次，课题组基于目标检测算法和迭代最近邻算法实现多尺度点云数据配准、模型点云数据与扫描点云数据配准。最后，课题组基于广义普氏算法和粒子群算法实现螺栓孔最优匹配和最优整修方案。所提出的方法应用于一个节段钢桁架的数字化预拼装（图7），研究成果可为构部件出厂验收、螺栓孔整修等提供依据。

图5  重庆郭家沱长江大桥

图6 钢桁架工厂实体预拼装

图7 钢桁架的数字化预拼装

3结语

目前基于点云数据的数字化预拼装存在依赖专用软件、效率低且主观性大等问题，课题组首次将智能算法和二维图像处理技术应用于基于点云数据的数字化预拼装，推动了数字化预拼装向智能化方向发展。在未来的技术研究和应用中，可进一步考虑构件自重、温度效应以及施工时序等因素，建立基于数字孪生理论的大型复杂钢结构数字化预拼装方法。

中国公路学报

本文主要内容出自于《中国公路学报》2021年第11期：

周绪红, 刘界鹏, 程国忠, 李东声, 黄涛, 梁俊海, 刘虎, 刘雨鑫. 基于点云数据的大型复杂钢拱桥智能虚拟预拼装方法[J]. 中国公路学报, 2021, 34(11): 1-9.

全文链接：

http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/10.19721/j.cnki.1001-7372.2021.11.001

周绪红

博士，教授，博士生导师，中国工程院院士，重庆大学钢结构工程研究中心主任。主要研究方向：钢结构、钢-混组合结构理论与应用，桥梁工程结构，新型建筑结构体系等。