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1研究概况

弦支穹顶结构相较传统的钢屋盖结构其形式较为新颖，通过上部单层网壳和下部索杆体系的完美结合，形成了这种刚柔并济的杂交空间结构形式。由于结构既有刚性网壳，又存在柔性的预应力索，弦支穹顶结构施工内容相对更为丰富。对施工整体的技术水平要求更高，因此对其关键施工技术及整体施工流程的研究尤为重要。

而三维空间信息技术是当前地球空间信息科学研究的热点之一，准确描述三维空间信息的数据是进行空间结构研究的基础。空间实体最准确的表达形式是将它在三维空间中“复刻”。三维激光扫描技术实现了快速、精确的对空间实体的三维重构。它能快速获取空间实体表面每个采样点的空间位置信息，得到一个表达空间实体的海量点集合。通过记录被测空间实体表面点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速构建出空间实体的三维模型。三维激光扫描技术实现了从单点测量到面测量的革命性技术突破。

本研究以采用旋转滑移施工方式以及径向索张拉成形方法构建的轮辐式桁架弦支穹顶结构1：10试验模型为研究对象，采用徕卡P40三维激光扫描系统，获取试验模型三维点云模型，并以此构建研究区域精细化三维实体模型，分析了三维模型构建的质量及环向索径向索形态及节点变形。

2三维激光扫描技术

2.1系统组成

三维激光扫描技术是基于地面固定站的一种通过发射激光获取被测物体表面三维坐标、反射光强度等多种信息的非接触式主动测量技术。三维激光扫描系统由脉冲发射器、旋转棱镜、接收器、距离时间模块和控制器以及计算机等组成，如图1所示。首先由激光发射器发射激光脉冲，再由高速均匀旋转的棱镜将脉冲信号发射出去；同时控制器中的距离和时间模块记录激光脉冲信号。

2.2工作原理

利用三维扫描获得点云信息的原始数据主要包括：脉冲信号的水平角度 和垂直角度 ，脉冲信号发射与接收的时间差，同时计算发射器到被测物体的空间距离以及点云反射率等值。点云数据的三维坐标以仪器坐标系为参考，如图2所示，图2中O为仪器中心对应坐标原点，Y轴为仪器固定方向，Z轴竖直向上且垂直于Y轴，X轴垂直于YOZ平面。研究对象表面的三维坐标可以按照下式，自动转换计算。

2.3数据采集方法

三维激光扫描数据采集流程包括控制测量、扫描站布测、标靶布测、设站扫描、纹理图像采集、外业数据检查和数据导出备份等。三维激光扫描数据采集技术要求和采集方法，根据目标扫描物的大小、范围、复杂程度等，可以选择无标靶测量法、标靶联系测量法、导线测量法和安伯格定位测量法。数据采集流程如图3所示：

2.4数据处理

点云数据获取是地面三维激光扫描过程中的第一步，完整的扫描应用过程包括点云数据获取、点云数据处理和建模输出应用三个步骤。点云数据是海量数据，选择合适的软件和处理方法，实现对点云数据的自动化处理是处理点云数据的关键。数据处理流程主要包含点云数据预处理、特征信息提取方法、线划图绘制、三维建模方法及多种点云数据融合方法等。

3基于三维激光扫描的精细化空间结构建模

3.1延安鲁艺天主教堂数字化

延安鲁艺旧址位于延安市城东桥儿沟，1961年成为国务院颁布的首批全国重点文物保护单位。鲁艺是中国共产党在延安开办的第一所培养各种高级和中级文化艺术人才的学院，在革命历史上发挥了巨大作用并对中国现代文化艺术产生了深远的影响，被称为“新文艺圣殿”受到注目。2016年，在开展鲁艺文化园区改造工作中，天主教堂现状如何，是否存在重大安全隐患，是目前保护工作中亟待解决的问题。项目旨在为建筑遗址进行数字构建，展现建筑主体结构信息，为建筑现状存档提供数据，为建筑安全评估提供数据支持。

该项目采用FARO focus S150进行作业，作业时采用靶球拼接的方式进行。

设备名称扫描范围测量速度测距误差角精度三维位置精度相机分辨率Faro FocusS Plus 150150m最大100万点/秒±119角秒

（竖直角/水平角）10m/2mm；25m/3.5mm1亿6千5百万像素，彩色对延安鲁艺天主教堂的三维激光扫描最终形成完善的三维模型，并根据三维模型完成了各种平立剖面图的绘制，完成三维模型的渲染及漫游动画的渲染，实现了多种数字化成果的产出，不仅为建筑数字化建档提供了数据，也为建筑结构性安全评估提供了数据支撑。

3.2湖南涟钢数字工厂建设

湖南涟钢数字工厂建设主要针对厂区内部全地形、地物、道路、植被、建筑物、架空管线、地下管线等等进行总图修测并三维建模。对新修测总图进行二、三维地理信息系统库的建设，实现厂区总图可视化管理，优化系统功能，使各部门生产协调管理更加便捷。

为了快速全面的获取厂区地面要素的三维全景数据，我们主要选用倾斜摄影测量系统为主，近景摄影测量技术等方式进行联合的方法进行厂区三维数据的采集，局部遮挡或复杂区域采用三维激光扫描技术进行补充采集。

3.3西安创业咖啡街区拓展建设

创业咖啡街区作为西安高新区“双创”新地标，本次项目建设以打造特色街区为目的，主要围绕街区的绿化、亮化、美化展开改造，目标是形成具有“灯红酒绿、繁荣繁华、花园城市”文化时尚气质的街区。

本项目测区范围大，涉及建筑多且形状复杂，根据对现场环境的勘查，绘制了现场草图，根据扫描对象的大小与周围的遮挡情况，确定扫描站数和仪器架站的位置。为确保获取目标建筑物的完整点云数据，仪器架设的时候对架设位置进行调整，尽量避开了树木等遮挡物，以防出现点云数据被大面积遮挡的情况，遇到结构复杂的区域还进行了多位置架站，保证了数据间的公共性，以及点云覆盖的完整性。最终形成了110多栋建筑总平图及其对应的建筑立面图纸。

4模型分析

4.1试验模型设计

轮辐式桁架弦支穹顶结构模型跨度为11.68m，高度2.8m，上部屋盖结构主要由20榀辐射状三角桁架、20榀加强平面次桁架及系杆支撑组成，下部索结构由4圈环向索及80根径向索组成，上下弦之间通过撑杆连接为整体从而共同受力。杆件截面均采用圆钢管，钢结构材质均为Q235钢材，拉索采用钢丝绳。模型结构的设计主要包括上部巨型屋盖的设计、下部索杆体系的设计，以及支撑体系和边界的设计。考虑现有试验设备并结合试验场地大小等因素，将模型几何相似比确定为1：10。模型结构设计图与实物图见图1。

4.2精细化三维模型构建

采用三维激光扫描设备，通过现场扫描测试，分别于结构安装完成、预应力张拉成型、预应力卸载三个阶段获取了3组试验模型三维点云数据；建立点云数据拓扑关系，将激光扫描数据结构化；再通过海量点云数据去噪处理及精简优化，获取有序的三维点云数据。最终构建了试验模型在三个不同阶段的三维模型。

4.3环向索径向索形态对比

弦支穹顶结构中，结构在正常使用荷载作用下，内力通过上端的单层网壳传到下端的撑杆上，再通过撑杆传给索，索受力后，产生对支座的反向推力，使整个结构对下端约束环梁的横向推力大大减小。根据环向索在各级张拉结束后索力实测值与计算值的误差，可以根据三维激光扫描构建的现场实际模型分析拉索形态及试验方法的准确性和测点布置的合理性。

通过对比张拉施工过程中的节点位移及杆件内力变化规律，得出外圈拉索承载占比较高，对结构支撑作用较大，为结构提供了较多的刚度支撑。同时，模型实测值与计算值吻合较好，验证了模型的正确性、张拉方案及试验方法的准确性和模型测点布置的合理性。

4.4节点变形

通过对弦支穹顶结构中各阶段模型中相同位置节点剖面分析，可以定量地确定模型在不同试验条件下形态变化，其中模型Ⅰ为钢结构模型，模型Ⅱ为施加荷载状态下实测模型，模型Ⅲ为施加荷载并预应力张拉状态下实测模型。

实测模型比较发现，尽管各圈径向索存在不同程度的索力不均匀分布的情况，但由于张拉过程中的协调变形，环索一定程度上平衡了径向索的不均匀索力。根据试验值与模拟值数据对比，试验模型成形的变形值与模拟值误差小于3%，验证了张拉方案的合理性

5结论

（1）本试验采用三维激光扫描的方法，建立轮辐式桁架弦支穹顶结构模型在不同施工阶段的三维实测模型，为现场试验提供了可靠的实测数据。

（2）通过分析预应力张拉状态拉索的形态变化，验证了模型的正确性、张拉方案及试验方法的准确性和模型测点布置的合理性，得出外圈拉索承载占比较高的结论。

（3）通过模型在三个不同试验条件下的形态变化，根据试验值与模拟值数据对比，试验模型成形的变形值与模拟值误差小于3%，验证了张拉方案的合理性。

参考文献：

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[5] 刘红波，闫翔宇，陈志华，于敬海. 新型弦支穹顶结构分析与设计[M].科学出版社，2021.（Liu Hongbo， Yan Xiangyu， Chen Zhihua， Yu Jinghai. Analysis and design of a new type of chord-supported dome structure [M]. Science Press， 2021.

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