金簡仁沱江特大橋位于成都簡陽市沱江畔，是成都“東進(jìn)”戰(zhàn)略的重要工程。該橋作為連接天府國際機(jī)場、空港新城、簡州新城、淮州新城的重要通道，是成都東進(jìn)片區(qū)南北方向的交通軸，在成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)中占有重要地位。
該橋全長963米，主橋長513米（45+185+238+45），采用獨(dú)塔雙索面斜拉橋結(jié)構(gòu)，索塔高173米，主梁標(biāo)準(zhǔn)寬度64米，最寬處達(dá)86.7米，創(chuàng)下“世界最寬橋面大橋”、“世界最高傾斜橋塔”、“世界最大跨徑非對稱曲線形扭索面獨(dú)塔斜拉橋”三項(xiàng)世界紀(jì)錄。
沱江大橋在造型設(shè)計(jì)上沿用了“結(jié)構(gòu)即景觀”的理念，注重結(jié)構(gòu)本身的線條美感與造型新意。為實(shí)現(xiàn)“超級指環(huán)”的最佳視覺效果，該橋索塔并未采用傳統(tǒng)垂直設(shè)計(jì)，而是向沱江東岸傾斜17.3°，呈現(xiàn)出自然斜臥的姿態(tài)；塔柱本身也突破了常規(guī)平面或圓面形式，采用漸變扭曲設(shè)計(jì)，讓“指環(huán)”線條更顯優(yōu)美流暢、富有變化。而這一特殊造型，直接帶來了大型復(fù)雜曲面構(gòu)件的建造精度控制難題。
該橋采用裝配式建造方式，索塔結(jié)構(gòu)和鋼箱梁在中國五冶（成都）建筑科技產(chǎn)業(yè)園鋼結(jié)構(gòu)基地內(nèi)完成生產(chǎn)和加工，再分節(jié)段運(yùn)送至施工現(xiàn)場完成拼裝，這對鋼構(gòu)件的生產(chǎn)和安裝精度提出了極高要求。
在橋梁施工過程中，合龍段安裝堪稱重中之重，它不僅決定著橋梁建設(shè)的最終成敗，更對橋梁的受力狀態(tài)和整體質(zhì)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。傳統(tǒng)的合龍段安裝需要測量人員在合龍口和合龍段周圍使用全站儀采集特征點(diǎn)，并將其導(dǎo)入到CAD軟件中進(jìn)行手動(dòng)匹配，從而確定合龍段左右兩側(cè)的切割量。這種方法不僅操作流程繁瑣、依賴技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)，且每一步都可能引入人為誤差，而且數(shù)據(jù)處理效率低、精度受限，難以滿足大跨度橋梁對測量時(shí)效性和穩(wěn)定性的要求。此外，傳統(tǒng)方式通常需要多人協(xié)同完成外業(yè)測量與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，耗時(shí)長、勞動(dòng)強(qiáng)度大，在復(fù)雜施工環(huán)境中還容易受到天氣、光照、作業(yè)面受限等因素影響，進(jìn)一步降低整體可靠性和施工效率。
為破解這一行業(yè)難題，中國五冶集團(tuán)與重慶大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)工程研究中心智能建造團(tuán)隊(duì)針對性提出了一種高效精準(zhǔn)的解決方案—— 通過高精度激光掃描、智能幾何特征提取、法向投影配切量計(jì)算以及 ISS–GICP 驅(qū)動(dòng)的尺寸智能檢測等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了從點(diǎn)云獲取、界面識別、模型比對到誤差可視化的全過程自動(dòng)化測算體系。
團(tuán)隊(duì)技術(shù)以三維激光掃描為基礎(chǔ)，通過“二分式”連接面數(shù)據(jù)自動(dòng)提取方法，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜異形橋梁索塔合龍段點(diǎn)云的精準(zhǔn)分離，有效降低噪聲與遮擋影響。
結(jié)合PCA、RANSAC與GMM等方法的特征點(diǎn)識別算法，可自動(dòng)獲取界面邊緣直線和空間角點(diǎn)，構(gòu)建完整的十二組合龍?zhí)卣鼽c(diǎn)模型；同時(shí)創(chuàng)新性地提出了基于接觸面法向量的配切量投影計(jì)算方法，使配切方向更加符合真實(shí)力學(xué)狀態(tài)，從而使配切結(jié)果更小、更穩(wěn)、更可靠；依托高精度陸地激光掃描技術(shù)進(jìn)行三維幾何重建，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集、連接面提取到配切量輸出的全過程自動(dòng)化，大幅降低人工依賴性，實(shí)現(xiàn)合龍段后加工的標(biāo)準(zhǔn)化與智能化。
利用三維激光掃描對合龍段進(jìn)行多測站全覆蓋采集，并通過點(diǎn)云拼接獲得完整三維模型；結(jié)合BIM模型指導(dǎo)的二分式數(shù)據(jù)提取方法，將四個(gè)實(shí)際參與裝配的合龍連接面從整體點(diǎn)云中自動(dòng)提??；針對提取后的界面點(diǎn)云，通過法向聚類、PCA與區(qū)域生長方法獲取邊緣要素，并利用RANSAC完成邊線擬合和空間角點(diǎn)識別；基于這些特征點(diǎn)建立十二組合龍控制點(diǎn)模型，最終通過法向投影算法計(jì)算各點(diǎn)的實(shí)際配切量，實(shí)現(xiàn)結(jié)果的自動(dòng)輸出。
ISS–GICP 驅(qū)動(dòng)的尺寸智能檢測：針對大型復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)構(gòu)件，提出基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的智能檢測方案。借助Geomagic離散BIM模型降本增效，通過 ISS+FPFH+RANSAC完成粗配準(zhǔn)，結(jié)合GICP實(shí)現(xiàn)精確配準(zhǔn)，配準(zhǔn)精度較傳統(tǒng)方法最高提升73.4%，經(jīng) KNN算法計(jì)算構(gòu)件偏差更小。該方法對高曲率點(diǎn)、邊界點(diǎn)等特征區(qū)域適配性良好，已通過實(shí)際構(gòu)件驗(yàn)證有效性，為復(fù)雜構(gòu)件檢測提供高效智能解決方案。
通過虛擬預(yù)拼裝技術(shù)準(zhǔn)確分析節(jié)段就位數(shù)據(jù)與鋼橋線形變化，彌補(bǔ)了現(xiàn)場拼裝無法預(yù)測彎扭節(jié)段現(xiàn)場架設(shè)狀態(tài)的不足，解決了大尺寸重型節(jié)段無法開展實(shí)體預(yù)拼裝的難題。
合龍段切割前現(xiàn)場掃描
調(diào)整完線形后合龍段現(xiàn)場掃描
調(diào)整完線形后合龍段現(xiàn)場掃描
人工方法與所提方法得到的配切量比較
結(jié)果顯示，本方法獲得的數(shù)據(jù)波動(dòng)更小，穩(wěn)定性優(yōu)于人工配切量。點(diǎn)間距與點(diǎn)間投影距離的離散程度相近，但與人工配切量存在明顯差異；同時(shí)，點(diǎn)間距與人工配切量的均值幾乎一致，說明人工配切與直接基于點(diǎn)集的計(jì)算結(jié)果較為接近。相比之下，點(diǎn)間投影距離與人工配切量的均值相差達(dá) 8.83 mm，進(jìn)一步表明本方法得到的修邊量更小、更保守，有助于減少過度修邊、焊接質(zhì)量下降及返工風(fēng)險(xiǎn)。
檢測結(jié)果表明，采用本技術(shù)計(jì)算得到的配切量平均值為91.42mm，而傳統(tǒng)的全站儀測量+人工經(jīng)驗(yàn)評估結(jié)果為100.25mm；可見，本技術(shù)可平均減少配切量10.35%，配切量的離散程度亦明顯下降，變異系數(shù)由傳統(tǒng)方式的0.326降至0.208，表現(xiàn)出更強(qiáng)的穩(wěn)定性。在實(shí)際施工中，最終配切誤差約為5mm，焊接吻合度高，完全滿足工程應(yīng)用需求。
該技術(shù)已成功應(yīng)用于沱江大橋索塔合龍段施工中。實(shí)踐結(jié)果顯示，通過自動(dòng)化點(diǎn)云處理與配切量計(jì)算，現(xiàn)場測量時(shí)長從傳統(tǒng)方式的兩天縮短至約4.5小時(shí)，效率提升超過75%，人員需求從8人減至1人，同時(shí)配切精度更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了合龍段的順利安裝與焊接質(zhì)量的顯著提升，為工程施工進(jìn)度和焊接質(zhì)量提供了有力保障。
中國五冶集團(tuán)與重慶大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)工程研究中心智能建造團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了鋼橋合龍段后加工由人工經(jīng)驗(yàn)向智能化、數(shù)字化的系統(tǒng)性跨越，通過高精度激光掃描、智能幾何特征提取、法向投影配切量計(jì)算以及 ISS–GICP 驅(qū)動(dòng)的尺寸智能檢測等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了從點(diǎn)云獲取、界面識別、模型比對到誤差可視化的全過程自動(dòng)化測算體系。該方法大幅提升了空間異形鋼結(jié)構(gòu)的加工精度與施工效率，顯著降低高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了配切量計(jì)算與尺寸檢測的“雙智能化”，為鋼橋及復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的精度控制提供了科學(xué)、可推廣的解決方案。
技術(shù)體系的形成不僅豐富了大型復(fù)雜構(gòu)件數(shù)字化測量、幾何分析與精度控制的理論方法，也推動(dòng)了橋梁工程、裝配式建筑及智能建造領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與工程應(yīng)用深化。
沱江特大橋的成功實(shí)踐充分驗(yàn)證了該體系的工程價(jià)值與可復(fù)制性，展示了科研成果向產(chǎn)業(yè)賦能的轉(zhuǎn)化路徑，為我國鋼結(jié)構(gòu)制造與智慧建造樹立了新的標(biāo)桿，也為行業(yè)向高精度、高效率和全流程可視化方向發(fā)展提供了重要示范。
重慶大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)工程研究中心智能建造團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人:
周緒紅、劉界鵬
重慶大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)工程研究中心智能建造團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目參與人：
李東聲、馬玉錳、陳其镕、楊整濤、杜海柱
中國五冶集團(tuán)項(xiàng)目參與人：
周敬、王云飛、王永景、王效
編輯：武睿涵 審核：齊宏拓
重慶大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)工程研究中心智能建造團(tuán)隊(duì)聯(lián)系人：李明春
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