本發(fā)明涉及橋梁工程檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)估，具體而言，是一種基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的裝配式橋梁虛擬預(yù)拼裝與質(zhì)量評(píng)定方法，適用于裝配式鋼桁架橋、鋼箱梁橋等鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工驗(yàn)收階段，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁構(gòu)件的高精度虛擬預(yù)拼裝及全維度質(zhì)量評(píng)定，為橋梁施工質(zhì)量控制與全生命周期性能管理提供技術(shù)支撐。
背景技術(shù)：
1、裝配式橋梁憑借構(gòu)件工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)快速拼裝的優(yōu)勢(shì)，在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中應(yīng)用廣泛，其施工質(zhì)量直接決定結(jié)構(gòu)承載能力、服役耐久性及運(yùn)營(yíng)安全性。傳統(tǒng)裝配式橋梁預(yù)拼裝依賴物理試裝，需占用大量場(chǎng)地，人工成本高且工期長(zhǎng)，難以適應(yīng)大型、復(fù)雜橋梁構(gòu)件的預(yù)拼裝需求；同時(shí)，幾何精度檢測(cè)依賴全站儀等離散點(diǎn)測(cè)量設(shè)備，效率低下且無(wú)法捕捉構(gòu)件整體形態(tài)，易遺漏節(jié)段拼裝錯(cuò)位、線形偏差等累積誤差；質(zhì)量評(píng)定多采用確定性評(píng)價(jià)方法，難以量化測(cè)量噪聲、環(huán)境干擾等因素帶來(lái)的不確定性，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果主觀性強(qiáng)、準(zhǔn)確性不足。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的裝配式橋梁虛擬預(yù)拼裝與質(zhì)量評(píng)定方法，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、高精度虛擬預(yù)拼裝及多維度質(zhì)量評(píng)定，實(shí)現(xiàn)裝配式橋梁施工質(zhì)量的精細(xì)化管控。
2、本發(fā)明的具體技術(shù)方案包括如下步驟：
3、步驟1：首先查閱裝配式橋梁設(shè)計(jì)圖紙，明確構(gòu)件類型、尺寸參數(shù)及拼裝精度要求；隨后開(kāi)展施工現(xiàn)場(chǎng)勘察，記錄地形、障礙物分布及環(huán)境條件，基于勘察結(jié)果布設(shè)掃描站點(diǎn)與磁吸式標(biāo)靶，確保相鄰掃描站點(diǎn)的標(biāo)靶重疊率能滿足配準(zhǔn)需求；進(jìn)行預(yù)掃描獲取低精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，優(yōu)化掃描分辨率與掃描范圍，確定最終掃描方案；
4、步驟2：采用地面三維激光掃描儀，按照所述掃描方案對(duì)已生產(chǎn)的橋梁構(gòu)件進(jìn)行全表面掃描，獲取覆蓋構(gòu)件關(guān)鍵拼裝部位的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，關(guān)鍵部位包括拼接面、焊縫區(qū)域，單個(gè)構(gòu)件掃描點(diǎn)云密度不能低于指定數(shù)量要求，并在掃描過(guò)程中記錄構(gòu)件編號(hào)、掃描時(shí)間及掃描參數(shù)，以保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)構(gòu)件的一致性；
5、步驟3：對(duì)步驟2掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括噪聲點(diǎn)濾除、點(diǎn)云抽稀及點(diǎn)云分塊處理，通過(guò)所述分塊處理形成包含完整構(gòu)件表面信息及拼裝邊界信息的多個(gè)點(diǎn)云子模塊；
6、步驟4：以磁吸式標(biāo)靶的空間坐標(biāo)作為全局約束基準(zhǔn)，對(duì)所述點(diǎn)云子模塊進(jìn)行多站配準(zhǔn)處理，使各子模塊點(diǎn)云處于統(tǒng)一坐標(biāo)系下；在此基礎(chǔ)上構(gòu)建構(gòu)件三維網(wǎng)格模型，并按照構(gòu)件拼裝順序與拼裝約束條件進(jìn)行虛擬預(yù)拼裝，生成裝配式橋梁虛擬預(yù)拼裝模型；將所述虛擬預(yù)拼裝模型與設(shè)計(jì)?bim?模型進(jìn)行對(duì)齊，對(duì)比提取拼裝關(guān)鍵特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)偏差，構(gòu)建拼裝誤差場(chǎng)，以表征拼裝誤差在構(gòu)件表面及拼裝節(jié)點(diǎn)處的空間分布特征。
7、進(jìn)一步地，將虛擬預(yù)拼裝模型與設(shè)計(jì)?bim?模型之間的特征點(diǎn)三維坐標(biāo)偏差，按照其在構(gòu)件表面及拼裝節(jié)點(diǎn)處的空間位置進(jìn)行映射，形成用于表征拼裝誤差空間分布狀態(tài)的拼裝誤差場(chǎng)。所述拼裝誤差場(chǎng)用于描述拼裝誤差在不同構(gòu)件區(qū)域的集中程度、分布范圍及方向性特征，為后續(xù)質(zhì)量評(píng)定提供空間分布依據(jù)。
8、步驟5：構(gòu)建“宏觀幾何精度?+?微觀缺陷關(guān)聯(lián)”的多維度指標(biāo)體系，基于所述拼裝誤差場(chǎng)，構(gòu)建包含宏觀幾何精度指標(biāo)與微觀拼裝缺陷指標(biāo)的多維質(zhì)量評(píng)定指標(biāo)體系，并引入誤差空間分布特征作為指標(biāo)權(quán)重調(diào)節(jié)因子；采用基于云模型的評(píng)估方法，對(duì)所述質(zhì)量評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行不確定性建模，計(jì)算各指標(biāo)的期望值、熵值及超熵值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式橋梁虛擬預(yù)拼裝質(zhì)量的綜合評(píng)定。
9、進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟1的具體內(nèi)容為：
10、研讀裝配式橋梁設(shè)計(jì)圖紙，梳理構(gòu)件清單并標(biāo)注拼裝關(guān)鍵部位，明確弦桿、腹桿、節(jié)點(diǎn)板等各類構(gòu)件的材質(zhì)、尺寸參數(shù)及拼裝精度要求。標(biāo)注關(guān)鍵部位（如焊縫坡口角度、拼接法蘭面平整度），為后續(xù)掃描范圍確定與精度驗(yàn)證提供依據(jù)。在施工時(shí)，避開(kāi)雨天、強(qiáng)風(fēng)、高溫或低溫天氣，優(yōu)先選擇晴朗、微風(fēng)時(shí)段，減少環(huán)境因素對(duì)掃描精度的影響。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)條件，采用全站儀標(biāo)記施工現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵控制點(diǎn)（如橋梁支座中心、臨時(shí)支架基礎(chǔ)位置），記錄障礙物（如施工機(jī)械、臨時(shí)堆放材料）的位置、尺寸及高度，評(píng)估對(duì)掃描視線的遮擋情況，標(biāo)記需臨時(shí)移除或避讓的障礙物區(qū)域。
11、在站點(diǎn)布設(shè)上，遵循?“少設(shè)站、全覆蓋、高重疊”?原則，以能完整掃描單個(gè)或多個(gè)相鄰構(gòu)件、無(wú)掃描盲區(qū)為目標(biāo)，結(jié)合勘察確定的無(wú)遮擋區(qū)域，
12、采用測(cè)量?jī)x器確定掃描站點(diǎn)位置，并在構(gòu)件非關(guān)鍵受力區(qū)域或現(xiàn)場(chǎng)固定構(gòu)筑物上布設(shè)磁吸式標(biāo)靶，以保證相鄰掃描站點(diǎn)之間具有滿足多站配準(zhǔn)要求的標(biāo)靶重疊率。每個(gè)站點(diǎn)需保證至少能觀測(cè)到?3?個(gè)以上后續(xù)布設(shè)的標(biāo)靶。在構(gòu)件非關(guān)鍵受力部位（如弦桿非拼接端側(cè)面、節(jié)點(diǎn)板邊緣）及施工現(xiàn)場(chǎng)固定構(gòu)筑物上布設(shè)標(biāo)靶，確保相鄰站點(diǎn)標(biāo)靶重疊率≥30%，滿足后續(xù)多站配準(zhǔn)需求。使用全站儀測(cè)量每個(gè)標(biāo)靶的三維坐標(biāo)（x、y、z），記錄標(biāo)靶編號(hào)與對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，建立標(biāo)靶坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，作為后續(xù)點(diǎn)云配準(zhǔn)的約束基準(zhǔn)。
13、然后采用地面三維激光掃描儀，設(shè)置低掃描分辨率、低掃描質(zhì)量，對(duì)前期規(guī)劃的掃描區(qū)域進(jìn)行預(yù)掃描，獲取低精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成初步點(diǎn)云模型。在專業(yè)點(diǎn)云處理軟件中加載預(yù)掃描點(diǎn)云模型，檢查是否存在掃描盲區(qū)（如構(gòu)件之間的狹小縫隙、標(biāo)靶未覆蓋的邊緣區(qū)域），若存在盲區(qū)，調(diào)整掃描站點(diǎn)位置或增加輔助掃描站點(diǎn)，確保所有構(gòu)件關(guān)鍵部位（拼接面、焊縫區(qū)域）均能被掃描覆蓋。
14、最后整理掃描站點(diǎn)位置、標(biāo)靶布設(shè)圖、掃描分辨率、掃描順序及環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)記錄，形成正式的激光掃描方案，經(jīng)項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人審批后執(zhí)行。
15、進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟2的具體內(nèi)容為：
16、在激光掃描前對(duì)地面三維激光掃描儀進(jìn)行距離精度與角度精度校準(zhǔn)，并通過(guò)反射率標(biāo)定建立點(diǎn)云反射強(qiáng)度與構(gòu)件表面特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可靠性。具體實(shí)現(xiàn)如下：
17、在掃描前，對(duì)地面三維激光掃描儀進(jìn)行外觀檢查，確認(rèn)鏡頭無(wú)污漬、劃痕，設(shè)備電池電量充足，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬盤(pán)剩余空間根據(jù)站點(diǎn)數(shù)量預(yù)留足夠空間。
18、使用掃描儀自帶的標(biāo)準(zhǔn)距離校準(zhǔn)板，在現(xiàn)場(chǎng)空曠區(qū)域，分別測(cè)量掃描儀到校準(zhǔn)板的距離，對(duì)比測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差，通過(guò)設(shè)備校準(zhǔn)軟件進(jìn)行距離修正，直至偏差≤±0.1mm。采用設(shè)備配套的角度校準(zhǔn)工具，調(diào)整掃描儀水平角與垂直角測(cè)量精度，確保水平角偏差≤±5″，垂直角偏差≤±5″。使用標(biāo)準(zhǔn)反射率板，在相同距離、相同光照條件下，測(cè)量不同反射率板的點(diǎn)云反射強(qiáng)度值，建立反射強(qiáng)度與實(shí)際反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用于后續(xù)點(diǎn)云去噪時(shí)區(qū)分噪聲點(diǎn)（如低反射率的粉塵點(diǎn)）與構(gòu)件有效點(diǎn)。
19、移除前期勘察確定的臨時(shí)障礙物，對(duì)無(wú)法移除的大型障礙物，在掃描時(shí)調(diào)整掃描儀角度，避開(kāi)遮擋區(qū)域，或增加輔助掃描站點(diǎn)，確保構(gòu)件無(wú)掃描盲區(qū)。
20、按照前期編寫(xiě)的激光掃描方案確定的掃描順序，將掃描儀安置在預(yù)設(shè)站點(diǎn)，通過(guò)三腳架調(diào)平，調(diào)用標(biāo)靶坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，手動(dòng)瞄準(zhǔn)并識(shí)別站點(diǎn)周邊的?3?個(gè)以上標(biāo)靶，完成站點(diǎn)初始化。
21、在掃描過(guò)程中，實(shí)時(shí)觀察掃描軟件界面的點(diǎn)云生成情況，確保掃描過(guò)程中標(biāo)靶始終被有效識(shí)別，若標(biāo)靶丟失，暫停掃描，重新瞄準(zhǔn)標(biāo)靶后繼續(xù)。在構(gòu)件關(guān)鍵部位（如拼接孔、焊縫）處，通過(guò)軟件放大功能觀察點(diǎn)云密度，若密度不足，暫停掃描，提高該區(qū)域局部掃描分辨率后重新掃描。
22、進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟3的具體內(nèi)容為：
23、基于點(diǎn)云鄰域距離的統(tǒng)計(jì)特征對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行噪聲點(diǎn)識(shí)別與剔除，以降低非構(gòu)件點(diǎn)對(duì)后續(xù)建模精度的影響；在點(diǎn)云處理軟件中加載單站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)置濾波參數(shù)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)與其鄰域點(diǎn)的距離，統(tǒng)計(jì)所有距離的均值（μ）與標(biāo)準(zhǔn)差（σ）。若某點(diǎn)與鄰域點(diǎn)的平均距離＞μ+3σ?或＜μ-3σ，判定該點(diǎn)為孤立噪點(diǎn)（如空氣中的粉塵反射點(diǎn)、掃描時(shí)偶然出現(xiàn)的雜點(diǎn)），標(biāo)記并移除該類噪點(diǎn)。去噪后，在軟件中觀察構(gòu)件邊緣、空曠區(qū)域的點(diǎn)云，若仍存在明顯孤立噪點(diǎn)，則調(diào)整鄰域點(diǎn)數(shù)或均值倍數(shù)，重復(fù)上述操作，直至孤立噪點(diǎn)基本清除。
24、基于體素柵格方式對(duì)去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，在保證構(gòu)件幾何特征不失真的前提下降低點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余；在軟件中，啟用體素柵格抽稀功能，導(dǎo)入去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分別對(duì)主桁構(gòu)件、次要構(gòu)件點(diǎn)云設(shè)置對(duì)應(yīng)的體素尺寸，軟件自動(dòng)在每個(gè)體素內(nèi)保留一個(gè)代表性點(diǎn)，完成抽稀。對(duì)比抽稀前后點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，確保數(shù)據(jù)量得到明顯壓縮，達(dá)到降低后續(xù)處理負(fù)荷的目的。
25、基于點(diǎn)云曲率變化特征及空間鄰接關(guān)系對(duì)抽稀后的點(diǎn)云進(jìn)行分割，自動(dòng)識(shí)別構(gòu)件拼接邊界并形成多個(gè)點(diǎn)云子模塊，其中，每個(gè)點(diǎn)云子模塊均包含對(duì)應(yīng)構(gòu)件或構(gòu)件區(qū)域的完整表面信息及拼裝邊界信息，以為后續(xù)虛擬預(yù)拼裝與誤差分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。具體實(shí)現(xiàn)如下：導(dǎo)入抽稀后的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)行聚類算法，算法自動(dòng)根據(jù)曲率差異識(shí)別構(gòu)件連接邊界，結(jié)合距離閾值，將整體點(diǎn)云分割為弦桿段、腹桿段、節(jié)點(diǎn)域等獨(dú)立子模塊，每個(gè)子模塊自動(dòng)生成唯一編號(hào)。在軟件中逐一加載每個(gè)子模塊點(diǎn)云，對(duì)比設(shè)計(jì)圖紙中的構(gòu)件尺寸，確認(rèn)子模塊點(diǎn)云覆蓋構(gòu)件完整表面（如弦桿段點(diǎn)云包含兩端拼接面、整個(gè)側(cè)面），無(wú)缺失區(qū)域。
26、進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟4的具體內(nèi)容為：
27、運(yùn)行配準(zhǔn)算法，軟件自動(dòng)根據(jù)標(biāo)靶約束點(diǎn)調(diào)整各站點(diǎn)點(diǎn)云的空間位置，實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)云的拼接，生成整體點(diǎn)云模型。計(jì)算配準(zhǔn)后各標(biāo)靶中心點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)（從整體點(diǎn)云模型中提取）與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的偏差，統(tǒng)計(jì)所有標(biāo)靶的三維坐標(biāo)偏差（δx、δy、δz），確保最大偏差在允許范圍內(nèi)，若偏差超標(biāo)，檢查標(biāo)靶是否在掃描過(guò)程中移位，重新測(cè)量標(biāo)靶坐標(biāo)后再次配準(zhǔn)。
28、將配準(zhǔn)合格的整體點(diǎn)云模型（或分塊后的子模塊點(diǎn)云）導(dǎo)入專業(yè)建模軟件，如geomagic?wrap，針對(duì)點(diǎn)云表面可能存在的微小凸起或凹陷，啟用軟件的平滑功能，消除微小噪聲，保留構(gòu)件真實(shí)幾何形態(tài)。從點(diǎn)云中創(chuàng)建網(wǎng)格，將非流形邊合并為正常流形邊，確保網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理。自動(dòng)識(shí)別并刪除重疊的網(wǎng)格面，保留單個(gè)有效面。在軟件中測(cè)量網(wǎng)格模型的關(guān)鍵尺寸（如弦桿截面寬度、高度，腹桿長(zhǎng)度），與設(shè)計(jì)圖紙尺寸對(duì)比，確認(rèn)網(wǎng)格無(wú)非流形邊、重疊面、孤立網(wǎng)格單元，確保模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理、無(wú)扭曲重疊。
29、最后參考施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拼裝流程，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，確定虛擬拼裝順序，如“先下弦桿→后腹桿→再上弦桿→最后節(jié)點(diǎn)板”，確保拼裝過(guò)程中構(gòu)件受力合理，無(wú)碰撞干涉。制作構(gòu)件幾何誤差對(duì)比表，包含構(gòu)件編號(hào)、誤差類型（特征點(diǎn)偏差、截面尺寸偏差、軸線線形偏差）、最大誤差值、允許誤差值、是否合格（符合允許誤差值為合格，否則為不合格），為后續(xù)質(zhì)量評(píng)定與整改提供依據(jù)。
30、進(jìn)一步的，對(duì)虛擬預(yù)拼裝模型與預(yù)先設(shè)計(jì)的bim模型進(jìn)行精度對(duì)比，具體如下：
31、提取拼接孔中心點(diǎn)、構(gòu)件端點(diǎn)及軸線控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，計(jì)算對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)在三個(gè)空間方向上的坐標(biāo)偏差；??基于所述坐標(biāo)偏差在構(gòu)件表面及拼裝節(jié)點(diǎn)區(qū)域的空間分布情況，構(gòu)建拼裝誤差場(chǎng)，用于表征拼裝誤差在不同區(qū)域的集中程度、分布范圍及方向性特征，從而揭示構(gòu)件加工誤差與拼裝誤差之間的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系。
32、進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟5基于云模型對(duì)所述質(zhì)量評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行不確定性建模，包括：針對(duì)每個(gè)質(zhì)量評(píng)定指標(biāo)計(jì)算對(duì)應(yīng)的期望值、熵值及超熵值，以表征指標(biāo)數(shù)值的集中趨勢(shì)、離散程度及不確定性特征；將構(gòu)件或虛擬預(yù)拼裝整體對(duì)應(yīng)的云模型與預(yù)設(shè)的多級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)云模型進(jìn)行相似度匹配，并根據(jù)相似度分析匹配確定構(gòu)件或虛擬預(yù)拼裝整體的質(zhì)量等級(jí)，使質(zhì)量評(píng)定結(jié)果能夠同時(shí)反映幾何偏差大小及其空間分布不確定性。
33、具體依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（gb?50017-2017）、《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（jtg/th21-2021）、《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（gb?50205-2020）等相關(guān)規(guī)范，提取與裝配式橋梁虛擬預(yù)拼裝質(zhì)量相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如構(gòu)件尺寸偏差、拼裝對(duì)位偏差、軸線線形偏差、焊縫外觀質(zhì)量（若結(jié)合超聲檢測(cè)可加入焊縫內(nèi)部缺陷指標(biāo)）。
34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì)：
35、（1）替代傳統(tǒng)物理試裝，節(jié)省場(chǎng)地占用，縮短預(yù)拼裝周期，云理論評(píng)定量化不確定性影響，避免傳統(tǒng)確定性評(píng)價(jià)的主觀性偏差。
36、（2）適用于不同跨度、類型的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁，可擴(kuò)展性強(qiáng)，后續(xù)可融合超聲相控陣、無(wú)人機(jī)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)?“宏觀?+?微觀”“地面?+?空中”?一體化檢測(cè)，為橋梁全生命周期質(zhì)量管控提供技術(shù)支撐。