采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法与流程

1.本发明涉及大型建筑的智能化施工领域，特别是一种采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法。

背景技术：

2.现有的建筑工程结构，通常需要具有更高的强度和更大的跨度。例如桥梁的塔柱，以及箱梁结构，通常采用更大的尺寸规格，以具有更高的高度和更大的单跨跨度，以现浇的施工方式能够更好的满足设计要求。在现有技术中，塔柱以及箱梁的钢筋笼通常在浇筑仓内进行绑扎，钢筋铺设和绑扎的工作量非常巨大。例如，30米高度的简支箱梁钢筋需要铺设约10000根钢筋，重量共计60t左右，钢筋铺设和绑扎工作量大，简支箱梁钢筋共需要绑扎约10万个点，而且现场绑扎的形位精度控制难度高，劳动强度大，施工质量没有保障，而且高空作业安全风险也较大。为解决该问题，也有采用将钢筋在工厂内进行加工、绑扎，然后在现场整体进行吊装的方案。例如中国专利文献cn114263116a一种混凝土桥塔钢筋笼工业化施工方法，即记载了钢筋笼整体吊装的技术方案。整体吊装时的结构如图1、7中所示，吊钩通过起吊钢丝绳与吊装架连接，吊装架通过多根悬挂件与钢筋笼连接，通常钢筋笼内设有固定架，以抵抗钢筋笼的变形，悬挂件通常采用可调长度的结构，例如双头螺杆和螺母套筒的结构。但是由于钢筋笼的体积太大，尤其是长度和宽度尺寸较大，在吊装过程中很难确保各个悬挂件的受力均衡，而若受力不均则会导致钢筋笼在吊装过程中发生变形。由于钢筋笼在工厂内已经连接为一个整体，吊装过程中的变形很难在后继的安装过程中加以恢复。而且吊装过程中的受力不均衡也很容易导致吊装施工事故。目前的检测方式是在施工过程中依靠施工人员的目测检测，这种方式的可靠性和安全性均不高，存在较大的施工风险和安全隐患。

技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，能够通过扫描钢筋笼端头钢筋端面的坐标来反馈吊装施工中钢筋笼的变形程度。
4.为解决上述的技术问题，本发明的技术方案是：一种采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，包括以下步骤：s1、在吊装架的底部设有多个激光扫描装置，激光扫描装置具有回转360
°
，俯仰60
°
以上的视野，激光扫描装置用于扫描钢筋笼的钢筋端面点云；s2、在起吊前，激光扫描装置初始扫描钢筋笼的钢筋端面点云数据；s3、在起吊过程中，激光扫描装置实时扫描钢筋端面点云数据；s4、比较起吊过程中的钢筋端面点云数据与初始的钢筋端面点云数据，两组数据的误差超出预设数值即报警；通过以上步骤实现大型钢筋笼的辅助吊装。
5.优选的方案在步骤s1中，还包括给钢筋笼朝上的钢筋端面增加反射效果的措施。
6.优选的方案中，增加反射效果的措施包括：朝上钢筋端头的断面进行切割或磨削加工，形成新的金属断面；或者在朝上钢筋端头涂覆反光漆；或者在朝上钢筋端头粘贴反光膜。
7.优选的方案中，增加反射效果的措施包括在朝上钢筋端头套上盲套管，在盲套管的外端面设有反光层，在盲套管的侧壁内侧设有放射状的翼片。
8.优选的方案中，步骤s2和s3中，在扫描结果中，以亮度为依据对点云数据进行过滤，保留亮度超过预设值的点云数据。
9.优选的方案中，对点云数据以相邻距离为依据，对点云数据进行聚类分析，以过滤掉杂点信息；再对聚类数据中包含的点云数量进行分析，以过滤掉点云数量低于预设值的聚类，从而确定钢筋端面点云。
10.优选的方案中，还包括以下步骤：在步骤s2中,s01、在吊装架底部选取一点作为基准坐标系原点；s02、从设计图中储存朝上的钢筋端面的设计坐标，并将预设坐标分别转换为激光扫描装置所在的检测点的预设坐标；s03、在步骤s2和步骤s3中，各检测点分别扫描朝上的钢筋端面点云数据，并依据亮度进行过滤；s04、点云数据聚类过滤杂点信息；s05、根据预设坐标，确定与钢筋端面相关的聚类点云数据；s06、根据聚类点云数据，各测点分别确定钢筋端面，并与预设坐标进行比较是否存在缺失，若是则进入下一步，若否则跳转s09；s07、根据聚类点云数据，将各测点的钢筋端面点云的坐标转换为基准坐标系，将各测点的钢筋端面点云进行组合，组合是指将各测点完整的钢筋端面点云进行组合，将组合后的钢筋端面点云与进行比较是否存在缺失，若是则进入下一步，若否则跳转s09；s08、根据聚类点云数据，将各测点的钢筋端面点云的坐标转换为基准坐标系，将各测点的钢筋端面点云进行融合；融合是指将不完整的钢筋端面点云与预设坐标进行拟合，将各测点的拟合后的对应的钢筋端面点云组合成完整的钢筋端面点云；s09、将获得的钢筋端面点云转换至基准坐标系；优选的方案中，步骤s02中，将预设坐标修改为直径和空间位置信息，在步骤s06~s07中，校验钢筋端面点云的直径和空间位置信息判断钢筋端面点云是否完整。
11.优选的方案中，以轮廓法校验钢筋端面点云是否完整，即先选取钢筋端面点云中的点集描绘外轮廓，然后检测一定距离内是否存在临近点，若是则根据该临近点扩展外轮廓。
12.优选的方案中，根据钢筋端面点云定位平面作为钢筋端面，获取该平面的中心点，以中心点所在坐标的坐标z值进行比较；定位平面时，选取点云数据中能够定义一个平面的点集，校验剩余点，给剩余点设置一曲率值，若剩余点与该平面的距离较远，则曲率值较大，反之，则曲率值较小，若50%以
上的点的曲率值小于预设值，则该平面作为钢筋端面所在的平面；通过轮廓拟合法或直径交叉法确定平面的中心点，轮廓拟合法是先扩展追踪钢筋端面点云的外轮廓，然后将外轮廓拟合成圆，该圆圆心的位置，即为钢筋端面点云的中心点；或者追踪钢筋端面点云的外轮廓，获取外轮廓不同角度的最大长度线段连线，多个线段连线的交叉点或以线段连线中点拟合的圆的圆心即为钢筋端面点云的中心点；所述的坐标z值是指在垂直方向上的坐标值；比较时，设有两个参数，即最大高程差和相邻高程差；最大高程差是指各个钢筋端面的最大的坐标z值与最小的坐标z值之间的高程差，该参数反映的是钢筋笼整体变形的状况；相邻高程差是指相邻钢筋端面的坐标z值之间的高程差，该参数反映的是钢筋笼局部变形的状况，涉及受力不均时，反映在相邻高程差；当超出预设值，即报警。
13.本发明提供的一种采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，能够以激光扫描仪快速定位钢筋端面点云，从而在起吊过程中反馈钢筋端面的形状和位置差异，以辅助判断是否钢筋笼在吊装过程中是否存在受力不均衡的问题，从而辅助控制吊装施工中钢筋笼的变形程度，以激光雷达辅助提高大型钢筋笼吊装的成功率和安全性。本发明的方法，通过在钢筋端头做增加反射效果的措施，配合亮度过滤，聚类筛选的方案，大幅简化激光雷达的计算量，提高激光雷达辅助的实时性，能够快速反馈钢筋笼的变形情况，并能够在变形超出预设值时，通过控制系统提前发出警报，避免因吊装过程中的变形较大，导致后继装配过程中的难题，尤其是能够避免在施工过程中出现安全事故。本发明的方法将各监测点的激光点云数据进行组合或融合，能够反馈被悬挂件遮挡的钢筋端面，确保钢筋端面点云数据的完整性。
附图说明
14.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明的流程示意图。
15.图2为本发明的另一优选的流程示意图。
16.图3为本发明的另一优选的流程示意图。
17.图4为本发明吊装时的主视图。
18.图5为本发明的钢筋端面点云的示意图。
19.图6为本发明的位于钢筋端头的盲套管的结构示意图。
20.图7为现有技术中钢筋笼吊装时的现场图。
21.图中：吊钩1，起吊钢丝绳2，吊装架3，悬挂件4，钢筋笼5，激光扫描装置6，固定架7，钢筋端面点云8，限位块9，反射层10，盲套管11，第一检测点a，第二检测点b。
具体实施方式
22.实施例1：如图1中，一种采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，包括以下步骤：s1、如图4中，在吊装架3的底部设有多个激光扫描装置6，激光扫描装置6具有回转360
°
，俯仰60
°
以上的视野，激光扫描装置6用于扫描钢筋笼5的钢筋端面点云8；本例中的激光扫描装置6采用武汉海达数云技术有限公司的hd tls360 迷你便携三维激光扫描仪。
23.s2、在起吊前，激光扫描装置6初始扫描钢筋笼5的钢筋端面点云8数据；s3、在起吊过程中，激光扫描装置6实时扫描钢筋端面点云8数据；s4、比较起吊过程中的钢筋端面点云8数据与初始的钢筋端面点云8数据，两组数据的误差超出预设数值即报警；通过以上步骤实现大型钢筋笼的辅助吊装。由此结构，通过扫描获得钢筋笼5朝上的钢筋端面点云8数据，如图5中所示，能够判断钢筋笼5的变形程度，从而辅助吊装大型钢筋笼的施工。
24.优选的方案在步骤s1中，还包括给钢筋笼5朝上的钢筋端面增加反射效果的措施。
25.优选的方案中，增加反射效果的措施包括：朝上钢筋端头的断面进行切割或磨削加工，形成新的金属断面；或者在朝上钢筋端头涂覆反光漆；或者在朝上钢筋端头粘贴反光膜。所述的反光膜为原方向发射的反光膜，即反射光方向与发射光方向一致的反光膜。
26.优选的方案如图6中，增加反射效果的措施包括在朝上钢筋端头套上盲套管11，在盲套管11的外端面设有反光层12，在盲套管11的侧壁内侧设有放射状的翼片，优选的，盲套管11的材质采用pvc，能够通过变形适应钢筋端头的直径变化，而且还能起到排气的效果。优选的方案中，在盲套管11顶壁的内侧还设有等高的支撑块，以使盲套管11顶壁外壁能够真实反映钢筋端面。
27.优选的方案如图2中，步骤s2和s3中，在扫描结果中，以亮度为依据对点云数据进行过滤，保留亮度超过预设值的点云数据。
28.优选的方案中，对点云数据以相邻距离为依据，对点云数据进行聚类分析，即将点的相邻距离作为聚类的依据，以过滤掉杂点信息；再对聚类数据中包含的点云数量进行分析，以过滤掉点云数量低于预设值的聚类，从而确定钢筋端面点云8所对应的点云数据。
29.实施例2：优选的方案如图3中，还包括以下步骤：在步骤s2中,s01、在吊装架3底部选取一点作为基准坐标系原点；通常选择吊装架3底部中心点位置安装的激光扫描装置6的自有坐标系原点作为基准坐标系原点。
30.s02、从设计图中储存朝上的钢筋端面的设计坐标，并将预设坐标分别转换为激光扫描装置6所在的检测点的预设坐标；在制作钢筋笼的过程中，将朝上的钢筋端头的位置参数作为钢筋笼的质量控制参数，由于塔墩是采用从上到下多个钢筋笼组装起来，各个钢筋笼的上下端头都需要机械连接或焊接，因此钢筋笼的钢筋端头位置也需要具有足够的位置精度。
31.s03、在步骤s2和步骤s3中，各检测点分别扫描朝上的钢筋端面点云数据，如图5中所示，并依据亮度进行过滤；s04、点云数据聚类过滤杂点信息；s05、根据预设坐标，确定与钢筋端面相关的聚类点云数据；过滤掉与钢筋端面无关的聚类点云数据。
32.s06、根据聚类点云数据，各测点分别确定钢筋端面，即确定点云数据是否与钢筋
端面点云8相对应，并与预设坐标进行比较是否存在缺失，若是则进入下一步，若否则跳转s09；优选的方案中，在本步骤中，将预设坐标修改为直径和空间位置信息，例如表达为钢筋端头的直径、行列数据以及相邻钢筋端头的位置数据，在步骤s06~s07中，校验钢筋端面点云8的直径和空间位置信息判断钢筋端面点云8是否完整。
33.优选的方案中，以轮廓法校验钢筋端面点云8是否完整，即先选取钢筋端面点云8中的点集描绘外轮廓，然后检测一定距离内是否存在临近点，若是则根据该临近点扩展外轮廓。比较该外轮廓拟合的圆的直径与钢筋端头的直径之间的差异，当差异值小于预设值，则判断钢筋端面点云8完整。
34.s07、根据聚类点云数据，将各测点的钢筋端面点云8的坐标转换为基准坐标系，将各测点的钢筋端面点云8进行组合，组合是指将各测点完整的钢筋端面点云8进行组合，将组合后的钢筋端面点云8与进行比较是否存在缺失，若是则进入下一步，若否则跳转s09；例如，先以第一检测点a的钢筋端面点云8作为基础，与预设坐标进行比较，看是否缺失点云数据，例如经过比较，缺少了第1行第2列的点云数据，则将第二检测点b的钢筋端面点云8的第1行第2列的点云数据补充到第一检测点a的钢筋端面点云8中，则完成了组合操作。
35.s08、根据聚类点云数据，将各测点的钢筋端面点云8的坐标转换为基准坐标系，将各测点的钢筋端面点云8进行融合；融合是指将不完整的钢筋端面点云8与预设坐标进行拟合，将各测点的拟合后的对应的钢筋端面点云8组合成完整的钢筋端面点云8；即先做完整性判断，在融合操作时，仅选择不完整的钢筋端面点云8数据进行融合。由于即便钢筋端头部分的被悬挂件4遮挡，但是由于激光扫描装置6是从不同角度对钢筋端面进行扫描，因此，能够通过拼接得出完整的钢筋端面点云8数据。融合的步骤是，先对单独的不完整钢筋端面点云8进行外圆拟合，拟合时采用圆弧拟合方案，即追踪点云数据的轮廓，对点云数据的局部轮廓进行圆弧拟合，选取其中最接近钢筋端面直径的圆弧作为外轮廓所拟合的圆，圆的圆心即为钢筋端面的中心点。另一个测点的点云数据则用于校对该拟合的圆的准确性。校验时，若两处对应的点云数据误差值在允许范围内，则融合完成，若两处对应的点云数据误差值较大，优选的，对拟合的圆弧长度进行比对，选择拟合的圆弧长度较长的点云数据作为钢筋端面点云8数据。
36.s09、将获得的钢筋端面点云8转换至基准坐标系；优选的方案中，根据钢筋端面点云8定位平面作为钢筋端面，获取该平面的中心点，以中心点所在坐标的坐标z值进行比较；定位平面时，选取点云数据中能够定义一个平面的点集，校验剩余点，给剩余点设置一曲率值，若剩余点与该平面的距离较远，则曲率值较大，反之，则曲率值较小，若50%以上的点的曲率值小于预设值，则该平面作为钢筋端面所在的平面；通过轮廓拟合法或直径交叉法确定平面的中心点，轮廓拟合法是先扩展追踪钢筋端面点云8的外轮廓，然后将外轮廓拟合成圆，该圆圆心的位置，即为钢筋端面点云8的中心点；或者追踪钢筋端面点云8的外轮廓，获取外轮廓不同角度的最大长度线段连线，多个线段连线的交叉点或以线段连线中点拟合的圆的圆心即为钢筋端面点云8的中心点；所述的坐标z值是指在垂直方向上的坐标值；比较时，设有两个参数，即最大高程差和相邻高程差；最大高程差是指各个钢筋端面的最大的坐标z值与最小的坐标z值之间的高程差，该参数反映的是钢筋笼整体变形的状
况；相邻高程差是指相邻钢筋端面的坐标z值之间的高程差，该参数反映的是钢筋笼局部变形的状况，涉及受力不均时，反映在相邻高程差；当超出预设值，即通过控制系统例如plc或工控机进行报警。本发明的方法通常在起吊初期即可发现这些缺陷，通过本发明的系统及方法能够早期预防这些风险，大幅提高大型钢筋笼吊装的精确度和安全性。
37.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本技术中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，其特征是包括以下步骤：s1、在吊装架（3）的底部设有多个激光扫描装置（6），激光扫描装置（6）具有回转360
°
，俯仰60
°
以上的视野，激光扫描装置（6）用于扫描钢筋笼（5）的钢筋端面点云（8）；s2、在起吊前，激光扫描装置（6）初始扫描钢筋笼（5）的钢筋端面点云（8）数据；s3、在起吊过程中，激光扫描装置（6）实时扫描钢筋端面点云（8）数据；s4、比较起吊过程中的钢筋端面点云（8）数据与初始的钢筋端面点云（8）数据，两组数据的误差超出预设数值即报警；通过以上步骤实现大型钢筋笼的辅助吊装。2.根据权利要求1所述的采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，其特征是：在步骤s1中，还包括给钢筋笼（5）朝上的钢筋端面增加反射效果的措施。3.根据权利要求2所述的采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，其特征是：增加反射效果的措施包括：朝上钢筋端头的断面进行切割或磨削加工，形成新的金属断面；或者在朝上钢筋端头涂覆反光漆；或者在朝上钢筋端头粘贴反光膜。4.根据权利要求2所述的采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，其特征是：增加反射效果的措施包括在朝上钢筋端头套上盲套管（11），在盲套管（11）的外端面设有反光层（12），在盲套管（11）的侧壁内侧设有放射状的翼片。5.根据权利要求2~4任一项所述的采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，其特征是：步骤s2和s3中，在扫描结果中，以亮度为依据对点云数据进行过滤，保留亮度超过预设值的点云数据。6.根据权利要求5所述的采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，其特征是：对点云数据以相邻距离为依据，对点云数据进行聚类分析，以过滤掉杂点信息；再对聚类数据中包含的点云数量进行分析，以过滤掉点云数量低于预设值的聚类，从而确定钢筋端面点云（8）。7.根据权利要求6所述的采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，其特征是包括以下步骤：在步骤s2中,s01、在吊装架（3）底部选取一点作为基准坐标系原点；s02、从设计图中储存朝上的钢筋端面的设计坐标，并将预设坐标分别转换为激光扫描装置（6）所在的检测点的预设坐标；s03、在步骤s2和步骤s3中，各检测点分别扫描朝上的钢筋端面点云数据，并依据亮度进行过滤；s04、点云数据聚类过滤杂点信息；s05、根据预设坐标，确定与钢筋端面相关的聚类点云数据；s06、根据聚类点云数据，各测点分别确定钢筋端面，并与预设坐标进行比较是否存在缺失，若是则进入下一步，若否则跳转s09；s07、根据聚类点云数据，将各测点的钢筋端面点云（8）的坐标转换为基准坐标系，将各测点的钢筋端面点云（8）进行组合，组合是指将各测点完整的钢筋端面点云（8）进行组合，将组合后的钢筋端面点云（8）与进行比较是否存在缺失，若是则进入下一步，若否则跳转s09；
s08、根据聚类点云数据，将各测点的钢筋端面点云（8）的坐标转换为基准坐标系，将各测点的钢筋端面点云（8）进行融合；融合是指将不完整的钢筋端面点云（8）与预设坐标进行拟合，将各测点的拟合后的对应的钢筋端面点云（8）组合成完整的钢筋端面点云（8）；s09、将获得的钢筋端面点云（8）转换至基准坐标系。8.根据权利要求7所述的采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，其特征是：步骤s02中，将预设坐标修改为直径和空间位置信息，在步骤s06~s07中，校验钢筋端面点云（8）的直径和空间位置信息判断钢筋端面点云（8）是否完整。9.根据权利要求7所述的采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，其特征是：以轮廓法校验钢筋端面点云（8）是否完整，即先选取钢筋端面点云（8）中的点集描绘外轮廓，然后检测一定距离内是否存在临近点，若是则根据该临近点扩展外轮廓。10.根据权利要求7所述的采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，其特征是：根据钢筋端面点云（8）定位平面作为钢筋端面，获取该平面的中心点，以中心点所在坐标的坐标z值进行比较；定位平面时，选取点云数据中能够定义一个平面的点集，校验剩余点，给剩余点设置一曲率值，若剩余点与该平面的距离较远，则曲率值较大，反之，则曲率值较小，若50%以上的点的曲率值小于预设值，则该平面作为钢筋端面所在的平面；通过轮廓拟合法或直径交叉法确定平面的中心点，轮廓拟合法是先扩展追踪钢筋端面点云（8）的外轮廓，然后将外轮廓拟合成圆，该圆圆心的位置，即为钢筋端面点云（8）的中心点；或者追踪钢筋端面点云（8）的外轮廓，获取外轮廓不同角度的最大长度线段连线，多个线段连线的交叉点或以线段连线中点拟合的圆的圆心即为钢筋端面点云（8）的中心点；所述的坐标z值是指在垂直方向上的坐标值；比较时，设有两个参数，即最大高程差和相邻高程差；最大高程差是指各个钢筋端面的最大的坐标z值与最小的坐标z值之间的高程差，该参数反映的是钢筋笼整体变形的状况；相邻高程差是指相邻钢筋端面的坐标z值之间的高程差，该参数反映的是钢筋笼局部变形的状况，涉及受力不均时，反映在相邻高程差；当超出预设值，即报警。

技术总结

本发明提供一种采用激光雷达辅助吊装大型钢筋笼的方法，包括以下步骤：S1、在吊装架的底部设有多个激光扫描装置，激光扫描装置具有回转360

技术研发人员：

熊浩 赵卫宾 林伟恩

受保护的技术使用者：

武汉海达数云技术有限公司

技术研发日：

2022.09.08

技术公布日：

2022/12/19