一种管状焊接钢结构网架的逆向建模的方法技术

本发明专利技术提供了一种管状焊接钢结构网架的逆向建模的方法，包括：进行三维激光扫描，得到管状焊接钢结构网架数据；提取每一个管状构件的点云数据；进行圆柱面拟合，确定圆柱的直径、中心线以及中心线的前后两个端点的三维空间坐标；对每一个端点在允许误差值的范围内寻找与该管状构件连接的其它管状构件的端点，以确定各个管状构件之间的连接关系，构建各管状构件之间的空间拓扑关系；根据重心化坐标的方法修正各个端点的坐标并且重新计算每个管状构件的中心线方程；根据空间拓扑关系及各个管状构件的参数信息进行逆向三维重建。应用本发明专利技术可解决现有技术中的测量精度较差、因外部因素无法进行逆向建模、人员的安全性隐患以及测量可重复性等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种管状焊接钢结构网架的逆向建模的方法
本申请涉及钢结构网架逆向建模
，尤其涉及一种管状焊接钢结构网架的逆向建模的方法。
技术介绍
钢结构焊接技术在我国建筑领域中有着较长时间的应用历史，在我国采用钢结构进行建筑物建设的很长一部分时间中，我国一直都在跟随着国际建筑领域发展趋势。钢结构建筑物一般是以钢材为主要建筑材料的建筑结构，其具有强度高、自重轻、整体刚性好和变形能力强等特点，适用于各种建造大跨度和超高、超重型的建筑物。同时，钢材的材料匀质性和各向同性好，材料塑性、韧性较好，可有较大变形，可以承受较大的动力载荷，同时其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产。随着钢结构建筑物的逐渐广泛建设，为了满足大众对于建筑物结构的越来越多样化的需求，对钢结构网架建筑物的设计施工、安全性、安装检测等均提出了新的严峻挑战。管状焊接钢结构网架是由多根管状钢结构构件按照一定的网格形式通过焊接连结而成的空间结构。管状焊接钢结构建筑物因其自身的材料和建设的特点，建筑物结构分析和维护是决定该类建筑使用寿命的关键之一。因此，要在一定周期内对管状焊接钢结构网架建筑物进行测量，并且进行逆向建模从而实现结构分析和维护。然而，建筑物在施工或使用的过程中，由于特殊的安装建设环境的情况或因重新建设、自然或人为的破坏等其它的情况，当现有管状钢结构网架建筑物与原有设计图纸不一致时，需要对现有建筑物的网架结构中的各个管状构件进行测量，从而重新确定钢结构网架中每个部件的确定位置以及部件间的连接结构。本专利技术中所涉及的管状焊接钢结构网架是采用钢材作为钢结构网架中的钢梁、钢柱和钢桁架等钢结构管状构件组成的钢结构网架。现有技术中的一种测量方法是：对管状结构的两端点表面贴反射片，使用无棱镜的全站仪，在地面上对反射片的中心位置粗略地测量，或者通过用无棱镜的模式进行测量，从而得到各钢结构管状构件的位置坐标；然后，根据构件设计的尺寸和位置进行逆向建模恢复其三维结构。但是，由于焊接结构易受到外部因素的破坏，多个管状结构的焊接点根据所处网架中的节点位置不同，其所起的受力作用就不一样，受力的不同使得在设计时其考虑的结构特点也不同；并且，全站仪等传统测量仪器只能通过间接的手段来测量管状钢结构的表面，因此采用全站仪测量管状钢结构构件表面粗略认为是管状构件的端点，其精度不可靠；同时，根据设计的尺寸和测量结果进行逆向建模精度难以保障。此外，对于一些弱反射的钢结构材料，无法直接通过全站仪进行无棱镜模式的测量，需要工作人员在其表面贴反射片从而才能进行测量，这种反射片不牢固且无法反复使用，而且人为操作的复杂度较高，且对工作人员安全存在一定隐患。现有技术中的另一种测量方法是：通过摄影测量的方法进行三维重建。该方法首先在钢结构网架下按照一定的距离间隔和拍摄角度获取钢结构网架的多角度多位置的影像，并且在钢结构网架附近设置一定数量的控制点，且所拍摄的影像要拍摄到控制点。其次，通过影像间的特征匹配确定影像间的位置和姿态关系，再通过引入控制点以确定每张影像相对于钢结构网架物方发位置和姿态关系；随后，根据每张影像的姿态和位置进行多张影像的密集匹配生成影像点云；最后，通过人为分类将钢结构各个构件进行逆向三维建模，从而进行钢结构网架的建模。然而，该方法由于影像匹配、三维重建的算法过于复杂因此导致处理效率较差；而且，由于光照、自身和其它地物的遮挡等原因，该方法对于客观因素要求过高，有时无法满足拍照的条件，因此在一些环境的工程下无法使用该方法；另外，该方法对于光照的情况要求过高，且由于条件的限制，恢复每张影像拍照时的姿态和位置的精度也相对有限；此外，该方法还需要在钢结构网架附近贴上一定数量的控制点标靶，同时也无法进行重复的测量。由此可知，在现有技术中，如何快速获取管状焊接钢结构网架中各个管状构件的三维信息，并且准确的确定各个构件之间的连接结构是目前球管状焊接钢结构网架逆向建模技术中的难点。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种管状焊接钢结构网架的逆向建模的方法，从而可以解决现有技术中在大型管状焊接钢结构网架逆向建模中的测量精度较差、因外部因素无法进行逆向建模以及对于人员的安全性隐患以及测量可重复性等问题。本专利技术的技术方案具体是这样实现的：一种管状焊接钢结构网架的逆向建模的方法，该方法包括如下步骤：步骤A、在管状焊接钢结构网架下，根据网架的结构特点以及点云分辨率进行三维激光扫描，获取点云数据，删除与管状焊接钢结构网架的点云数据无关的数据，并将处理后的点云数据拼接成一个完整的管状焊接钢结构网架数据；步骤B、从管状焊接钢结构网架数据中提取每一个管状构件的点云数据并编号；步骤C、对所提取的每一个管状构件的点云数据进行圆柱面拟合，确定圆柱的直径、中心线以及中心线的前后两个端点的三维空间坐标并存储；步骤D、根据管状构件对应的中心线的前后两个端点，设定一个允许误差值；对每一个端点在所述允许误差值的范围内寻找与该管状构件连接的其它管状构件的端点，以确定各个管状构件之间的连接关系；步骤E、根据确定的各个管状构件之间的连接关系，构建各个管状构件之间的空间拓扑关系；对于连接在一起的端点，根据重心化坐标的方法修正各个端点的坐标并且重新计算每个管状构件的中心线方程；步骤F、根据各个管状构件之间的空间拓扑关系以及各个管状构件的参数信息进行逆向三维重建。较佳的，所述步骤A包括：根据扫描装置与管状焊接钢结构网架的距离确定三维激光扫描的扫描分辨率；使用多站扫描的方式对管状焊接钢结构网架进行三维激光扫描得到点云数据，并使得管状焊接钢结构网架中的所有管状构件的点云数据的表面积占对应的管状构件的表面积1/3以上；删除与管状焊接钢结构网架的点云数据无关的数据；将处理后的点云数据通过地面标靶球配准到预设的坐标系中，使得管状焊接钢结构网架中的所有管状构件的点云数据同处于一个独立坐标系下，然后将处理后的点云数据拼接成一个完整的管状焊接钢结构网架数据。较佳的，所述允许误差值为：该管状构件对应的圆柱面的直径的1/2。较佳的，所述步骤E包括：计算同一连接点处所有管状构件端点的坐标的端点平均值；较佳的，使用如下公式计算同一连接点处所有管状构件端点的坐标的端点平均值：其中，为所述端点平均值的三维坐标；(xi,yi,zi)为第i个管状构件端点的三维坐标，n为同一连接点处所有管状构件的端点的数量。较佳的，使用如下公式计算每个端点与端点平均值之间的距离：其中，Di为第i个端点的间距。较佳的，使用如下公式计算端点的权值和重心化坐标值：其中，Wi为第i个端点的权值，(xc,yc,zc)为重心化坐标值。较佳的，根据采集的次序进行编号。由上述技术方案可见，在本专利技术的技术方案中，由于首先采用三维激光扫描技术对管状焊接钢结构网架进行三维激光扫描，得到高分辨率、高精度的管状焊接钢结构网架三维激光点云数据；然后从管状焊接钢结构网架数据中提取每一个管状构件的点云数据，并对所提取的每一个管状构件的点云数据进行圆柱面拟合，确定各个管状构件构件的具体位置和尺寸；随后设定允许误差值，并根据该允许误差值自动确定各个管状构件之间的连接关系；然后根据连接关系构建各个管状构件之间的空间拓扑关系，再对于连接在一起的端点，根据重心化坐标的方法对各个管状构件的中心线方程和前后两个端点的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管状焊接钢结构网架的逆向建模的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤A、在管状焊接钢结构网架下，根据网架的结构特点以及点云分辨率进行三维激光扫描，获取点云数据，删除与管状焊接钢结构网架的点云数据无关的数据，并将处理后的点云数据拼接成一个完整的管状焊接钢结构网架数据；步骤B、从管状焊接钢结构网架数据中提取每一个管状构件的点云数据并编号；步骤C、对所提取的每一个管状构件的点云数据进行圆柱面拟合，确定圆柱的直径、中心线以及中心线的前后两个端点的三维空间坐标并存储；步骤D、根据管状构件对应的中心线的前后两个端点，设定一个允许误差值；对每一个端点在所述允许误差值的范围内寻找与该管状构件连接的其它管状构件的端点，以确定各个管状构件之间的连接关系；步骤E、根据确定的各个管状构件之间的连接关系，构建各个管状构件之间的空间拓扑关系；对于连接在一起的端点，根据重心化坐标的方法修正各个端点的坐标并且重新计算每个管状构件的中心线方程；步骤F、根据各个管状构件之间的空间拓扑关系以及各个管状构件的参数信息进行逆向三维重建。

【技术特征摘要】
1.一种管状焊接钢结构网架的逆向建模的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤A、在管状焊接钢结构网架下，根据网架的结构特点以及点云分辨率进行三维激光扫描，获取点云数据，删除与管状焊接钢结构网架的点云数据无关的数据，并将处理后的点云数据拼接成一个完整的管状焊接钢结构网架数据；步骤B、从管状焊接钢结构网架数据中提取每一个管状构件的点云数据并编号；步骤C、对所提取的每一个管状构件的点云数据进行圆柱面拟合，确定圆柱的直径、中心线以及中心线的前后两个端点的三维空间坐标并存储；步骤D、根据管状构件对应的中心线的前后两个端点，设定一个允许误差值；对每一个端点在所述允许误差值的范围内寻找与该管状构件连接的其它管状构件的端点，以确定各个管状构件之间的连接关系；步骤E、根据确定的各个管状构件之间的连接关系，构建各个管状构件之间的空间拓扑关系；对于连接在一起的端点，根据重心化坐标的方法修正各个端点的坐标并且重新计算每个管状构件的中心线方程；步骤F、根据各个管状构件之间的空间拓扑关系以及各个管状构件的参数信息进行逆向三维重建。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括：根据扫描装置与管状焊接钢结构网架的距离确定三维激光扫描的扫描分辨率；使用多站扫描的方式对管状焊接钢结构网架进行三维激光扫描得到点云数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学飞，张兴斌，林松涛，马晓鑫，
申请(专利权)人：中冶建筑研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11