劉運房，侯晉華，許家文，羅 飛

(山西省建筑科學(xué)研究院集團有限公司,山西 太原 030001)

0 引言

在主體結(jié)構(gòu)檢測中,常用接觸式直接測量法,而此種方法適用于操作面大、作業(yè)方便的構(gòu)件檢測。而面對大型空間桁架結(jié)構(gòu),特別是對高聳建筑物進行測量時,通過手動接觸式獲得技術(shù)參數(shù)通常是不完整且工作效率低下,還會對高空檢測人員的人身安全造成重大威脅。因此,在大型公共建筑主體結(jié)構(gòu)檢測中,尋求高效、精確、全面的檢測方法對檢測作業(yè)人員是具有重要意義的。隨著科技和數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展,利用無人機貼近攝影測量和精細化實景三維建模技術(shù)等非接觸式的測量方法已逐漸出現(xiàn)在工程檢測人員的視野。2019年張祖勛院士團隊[1]提出了貼近攝影測量技術(shù),針對非常規(guī)目標精細化重建的貼近攝影測量方法,通過無人機沿目標表面飛行、高清攝影相機貼合目標表面拍攝,實現(xiàn)對非常規(guī)地面(如大壩、巖石邊坡等)或人工物體表面(如大型公共建筑、空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)、古建筑等具有特點的建筑等)等對象的毫米級分辨影像,并通過精細化實景三維建模技術(shù)對影像進行處理,建立高精度、準確、全面的絕對空間位置數(shù)據(jù)以及真實紋理的數(shù)字資料。蔡軍等[2]研究了貼近攝影測量與BIM技術(shù)在瀕危民族建筑部件級實景三維建設(shè)中的應(yīng)用,形成了傳統(tǒng)部落部件級實景三維模型圖,對構(gòu)件的外觀特征、尺寸信息等進行參數(shù)化建模,形成可提取數(shù)據(jù)庫。姚富潭等[3]基于貼近攝影測量技術(shù)對高陡危巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查方法進行了研究,通過三維模型中缺陷特征,對危巖體穩(wěn)定性進行快速評價,能很好滿足工程精度要求,提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。王棋[4]研究了貼近攝影測量技術(shù)在歷史建筑保護中的應(yīng)用,解決了復(fù)雜建筑的高精度建模問題,具有較高的使用價值。劉洋等[5]研究了無人機貼近攝影測量用于橋梁工程精細化建模。張際澤等[6]研究了無人機攝影測量應(yīng)用于水電站項目獲取了高精度實景三維模型,為項目設(shè)計、施工等需求提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),提高測量工作效率,提升了測量成果質(zhì)量,同時降低現(xiàn)場測量人員的工作強度,實現(xiàn)了工程建設(shè)的精細化和智能化。徐陳勇等[7]基于無人機貼近攝影測量對某碼頭邊坡安全實施巡檢檢測,對整個岸坡進行數(shù)據(jù)采集、分析、識別變化信息。王小剛等[8]將貼近攝影測量用在水利工程監(jiān)測中,結(jié)果顯示獲取的影像地面分辨率達到毫米級,在水利工程監(jiān)測和地質(zhì)勘察領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。

可見,貼近攝影測量已應(yīng)用于瀕危歷史建筑、高陡危巖體結(jié)構(gòu)、橋梁工程、水利工程、邊坡工程等監(jiān)測、勘察、設(shè)計、施工等多個領(lǐng)域,為高危大型公共建筑空間桁架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測提供了思路。本文以山西某市大酒店樓頂防空信號塔主體結(jié)構(gòu)檢測為例,綜合運用貼近攝影測量和精細化實景三維建模技術(shù),在減少人工投入的基礎(chǔ)下,快速、準確地完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,并且獲得的數(shù)據(jù)具備較高的準確性,為此類大型建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測提供了技術(shù)支撐,同時促進了檢測行業(yè)的可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展。

1 工程概況

山西省某市大酒店塔樓為地下2層、地上17層(出屋面四層構(gòu)架層)框架剪力墻結(jié)構(gòu)建筑,建筑總面積為39 998.66 m2,其中塔樓東西長約55.4 m、南北向?qū)捈s21.4 m,建筑總高度88.10 m,設(shè)計使用年限為50 a,建筑類別為一類高層旅館。該信號塔由主塔和避雷針組成。主塔主要有支腳、圓柱體和正八邊形變形體三部分組成,主塔正立面塔腳中心距27.6 m,塔高為36 m,其中支腳部分在屋面以上的高度為16 m,其上為20 m高圓柱體,在圓柱體上部設(shè)置正八邊形變形體,變形體高度為3 m,避雷針高11.3 m。信號塔立面示意圖如圖1所示。

為了解目前該信號塔結(jié)構(gòu)自身工作狀況以及對塔樓結(jié)構(gòu)的影響,對該信號塔進行主體結(jié)構(gòu)檢測。該項目主要難點是對塔身自身結(jié)構(gòu)的檢測,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、屬于高空高危作業(yè),對塔身平立面布置、構(gòu)件位置、截面尺寸、構(gòu)件變形等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)很難開展工作,且塔身多個部位技術(shù)人員無法實地測量。為解決以上難題,提出利用無人機貼近環(huán)繞攝影測量和精細化實景三維建模技術(shù)手段采集數(shù)據(jù)。

2 測試原理

利用無人機貼近環(huán)繞攝影測量是一種全新的攝影測量方式,通過對無人機航線設(shè)計、人工布設(shè)相控點、貼近測量對象,調(diào)整無人機飛行姿態(tài)和相機參數(shù),利用無人機云臺姿勢控制能力和高精度定位技術(shù),貼近被測對象獲取超高分辨率影像,通過數(shù)字化影像技術(shù),依據(jù)影像制作三維實景模型,進行精細化地理信息獲取,可以得到被測對象的精細結(jié)構(gòu),目前精度可以達到毫米級。

3 模型檢查分析

三維實景模型生成后,如圖2所示,共檢查了10個空間特征點,其誤差統(tǒng)計如表1所示。

表1 特征點坐標檢查統(tǒng)計表

經(jīng)對比可知,10個空間特征點坐標誤差最大值為11.5 mm,特征點高程誤差最大值為2.4 mm,其數(shù)字模型滿足GB/T 17941—2008數(shù)字測繪成果質(zhì)量要求[9]的相關(guān)要求。

4 信號塔主體結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果及分析

基于實景三維高精度模型,實測大地坐標數(shù)據(jù),進而得到各特征點坐標信息,用于主體結(jié)構(gòu)檢測分析。

4.1 基礎(chǔ)鋼梁截面尺寸測試結(jié)果

實景三維模型實測基礎(chǔ)鋼梁截面尺寸如圖3所示,實測結(jié)果如表2所示。

表2 基礎(chǔ)鋼梁截面尺寸測試結(jié)果

由表2可知,所抽檢的信號塔基礎(chǔ)鋼梁截面尺寸與原設(shè)計圖紙基本相符。

4.2 基礎(chǔ)鋼梁撓度變形檢測

依據(jù)GB 55018—2021工程測量通用規(guī)范[10]和JGJ 8—2016建筑變形測量規(guī)范[11]的相關(guān)規(guī)定,并結(jié)合現(xiàn)場實際檢測條件;分別選取梁兩端和梁中心,共3個測點標高進行測量,測量結(jié)果見表3。

表3 基礎(chǔ)鋼梁撓度抽檢結(jié)果表

由表3可知,本次抽檢的6個鋼梁構(gòu)件,分別選取梁兩端和梁中心,共計18個測點,進行測點標高測量,撓度結(jié)果均滿足GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準[12]附錄B中受彎構(gòu)件的撓度主梁或桁架撓度容許值的規(guī)定。

4.3 信號塔塔架垂直度檢測及分析

依據(jù)GB 55018—2021工程測量通用規(guī)范和JGJ 8—2016建筑變形測量規(guī)范中第4.8節(jié)的相關(guān)規(guī)定,采用無人機近景環(huán)繞攝影測量方法,對塔架坐標進行測量,并根據(jù)測量數(shù)據(jù),利用坐標法對垂直度進行計算,根據(jù)三維模型結(jié)果,選擇設(shè)計標高為124.300 m處正八邊形桁架圓上平面三點(A,B,C),實測A,B,C三點大地坐標見表4。

表4 實測塔架頂部大地坐標測量結(jié)果 m

根據(jù)圓上三點A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3)即可求得圓心坐標(X,Y)。由式(1)—式(3)計算:

(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)]。

將數(shù)據(jù)代入可得X=4***26.691 9,Y=3***791.095,即標高124.300 m處實測圓心坐標O1為(4***26.691 9,3***791.095,940.447)。

通過測繪結(jié)果,信號塔4個基座處坐標見表5。

表5 信號塔基座坐標(標高85.900 m) m

通過測繪四點坐標,可得到信號塔標高85.900 m基座中心坐標O2為(4***26.710,3***791.078,902.302)。

根據(jù)O1(4***26.692,3***791.095,940.447),O2(4***26.681,3***791.078,902.302)兩點的空間坐標可知,O1相對于O2向東偏11 mm,O1相對于O2向北偏17 mm,矢量為20.25 mm。經(jīng)計算,信號塔垂直度為20.25/(940 447-9***02)%=0.053%。未超過該信號塔設(shè)計要求:塔架安裝完畢后,塔身實際軸線與設(shè)計軸線偏差不得大于被測高度的1/1 500(0.067%)。

5 結(jié)論

1)通過貼近攝影測量和精細化實景三維建模技術(shù)可以應(yīng)用在大型公共建筑主體結(jié)構(gòu)檢測中,能有效減少高空作業(yè)、取代勞動強度大、人工接觸式測量等測量方式。2)可以基于精細化實景三維模型進行高度、長度、面積、角度的量測,實時獲取主體結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù),測量精度滿足國家相關(guān)規(guī)范要求。3)在精細化實景三維模型基礎(chǔ)上,獲得實時大地坐標能利用于主體結(jié)構(gòu)中構(gòu)件尺寸、構(gòu)件撓度、塔架垂直度等檢測項目。4)利用貼近攝影測量和精細化實景三維建模技術(shù)在實際大型公共建筑主體結(jié)構(gòu)檢測項目中可提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),實現(xiàn)檢測行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。