(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200120)

1 引言

近年來，隨著工程建造水平的不斷提升，BIM技術的普及程度也愈加廣泛。大量工程實踐顯示：BIM技術為工程建造賦予了全新的科技生命力。但也應看到，BIM技術的應用深度依然亟待深入。

近年來，愈來愈多的學術界和企業(yè)界開始將研究目標，聚焦于BIM技術在工程質量管控中。要實現(xiàn)BIM技術對工程質量進行有效管控，必須以精準、可靠的測量方式作為技術支撐。

現(xiàn)階段，國內工程建設行業(yè)在工程質量管控中的BIM技術應用，依然以計算機仿真為主。也就是說，BIM技術在工程質量管控中的應用，更多的集中于“事先管控”階段。如何將BIM技術和工程質量管控切實結合，實現(xiàn)工程建造階段潛在的質量問題、質量隱患的全過程、動態(tài)管控，依然是一個亟待解決的難題。

在這一背景下，三維激光掃描技術的誕生，為上述技術難題提供了一條全新的解決途徑。三維激光掃描技術(3D Laser Scanning Technology)，也稱“實景復制技術”。是近年來工程測控領域中的又一全新技術突破[1-2]。

三維激光掃描技術使得工程人員能夠快速、自動的獲取待測目標的三維激光掃描數(shù)據。目前，三維激光掃描技術已經成功應用于文物保護、工業(yè)和制造業(yè)等領域。將三維激光掃描技術應用于工程質量管控是一項全新的應用，有著巨大的實踐價值和引領示范作用[3]。

2 BIM+三維激光掃描技術在工程質量“預管控”中的應用

通過三維激光掃描技術，對現(xiàn)場實景進行數(shù)據采集和三維重建。在此基礎上，通過和BIM技術相結合，以“虛實匹配”的方式，指導復雜環(huán)境下的專項方案的編制和審核是BIM+三維激光掃描技術在工程質量“預管控”中的創(chuàng)新應用。

這里，以“重慶來福士廣場”工程為例，就古建筑遺址和結構沖突狀態(tài)下的BIM+三維激光掃描技術在工程質量“預管控”中的應用進行介紹。

在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)古建筑遺址，將對施工的連續(xù)性造成極大的破壞。同時，也對工程質量管控提出了更苛刻的要求。在“重慶來福士廣場”工程土方開挖中，在現(xiàn)場西北側發(fā)現(xiàn)了古建筑遺址。經文物部門多次挖掘、鑒定，古建筑遺址不僅包括明代城墻，還包括部分南宋時期城墻。同時，古城墻貫穿“重慶來福士廣場”工程的深基坑，古城墻和地下室結構之間存在嚴重的空間沖突?？紤]到古城墻在文化傳承中的重要性，在地下室結構施工中，如何對古城墻的完整性進行保護，成為了施工中不可回避的突發(fā)性技術難題。

經文物部門多次挖掘、鑒定。文物專家要求對古城墻進行整體保護，不能拆除。針對這一突發(fā)性技術難題，原定采用在古城墻外部搭設部門腳手架，再利用水準儀、經緯儀、皮尺對古城墻進行整體測繪。由于古城墻和地下室結構之間交錯重疊，采用傳統(tǒng)的測量技術和測量方式，不能精準的反映古城墻和地下室結構之間的空間關系。同時，“重慶來福士廣場”工程緊鄰長江和嘉陵江堤岸，堤岸凹凸不平且和江水之間的落差很大，又正值重慶的雨季，采用傳統(tǒng)的測量技術和測量方式，工程人員的安全性也難以保障[4-5]。

針對這一現(xiàn)狀，工程人員決定基于三維激光掃描技術，對古城墻進行整體式掃描，通過三維重建得到古城墻逆向BIM，進而對比古城墻逆向BIM和地下室結構設計BIM之間的空間沖突，形成滿足文物部門要求的專項方案。具體應用過程如下所示：

數(shù)據采集前，首先進行現(xiàn)場踏勘。在全站儀的配合下，獲取控制點的空間坐標。結合控制點和古城墻的空間分布，確定具體的三維激光掃描站點，圖1所示。為了保證點云質量高、數(shù)據拼接更準確，測站間距控制在15m之內，對于特殊位置增設測站。

基于以上掃描數(shù)據，進行測站無標靶配準，將測站數(shù)據拼接成完整的點云，配準精度在3.8mm。在Realworks中，進行點云分割，去除無用點和噪點，得到目標點云，導出.e57格式的點云數(shù)據。在Recape中進行點云格式轉換，保存為Autodesk標準的點云格式.rcp文件，然后導入Revit中進行結構校核與設計，如圖2所示。編制形成了如下的專項方案：在地下室結構的外部，做一個切角。將靠近古城墻的結構柱整體移動，并增設連系梁。同時，切角外側增設結構柱，用以承托上層的道路。最后，將地上區(qū)域和地下室結構相脫離，預留為古城墻參觀平臺，如圖3所示。目前，這一專項方案已經得到順利實施，得到政府部門、文物部門、業(yè)主單位的一致肯定。

圖1 控制點分布、數(shù)據采集

圖2 三維重建得到的逆向BIM與設計BIM虛實匹配

3 BIM+三維激光掃描技術在工程質量檢測分析中的應用

這里，以成形實體檢驗分析為例，對BIM+三維激光掃描技術在工程質量檢測分析中的應用進行介紹。

3.1 BIM+三維激光掃描技術在鋼結構構件加工質量檢測分析中的應用

鋼結構構件加工質量對鋼結構安裝過程起著至關重要的意義。這里，以“天津周大福”工程為例，對BIM+三維激光掃描技術在鋼結構構件加工質量檢測分析中的應用進行介紹。

圖4 數(shù)據采集與點云拼接

在“天津周大?！惫こ讨?，基于三維激光掃描技術，在工廠中對加工好的鋼結構構件進行掃描，并結合BIM技術，進行構件加工質量的分析，將潛在的質量問題、質量隱患，在施工前就予以減少乃至消除，避免返廠對工程質量和進度的影響。具體應用過程如下所示：將測站數(shù)據導入到scene中做有標靶拼接，形成整體拼接點云，整體拼接誤差0.45mm，編輯點云，得到目標構件點云，導出為點云.pts，在Geomagic中打開，進行最佳擬合和3D比較，得到構件整體偏差情況，如圖4、圖5所示。通過2D比較和注釋，得到構件局部細節(jié)偏差情況[6-7]。

工程實踐中，依據《GB50205-2001鋼結構工程工程質量驗收規(guī)范》，對檢測分析結果進行量化分析。鋼結構構件加工質量檢測分析結果如表1所示，該批次鋼結構構件在零件寬度、長度等2個主控項目的偏差最大值為2.96mm，控制在3mm以內，對規(guī)范的整體滿足率達到100%，滿足加工及后序安裝質量管控的要求。

表1 鋼結構構件加工質量檢測分析結果

主控項目檢測分析結果的最大值(mm)允許偏差(mm)通過率(%)零件寬度、長度2.963100

3.2 BIM+三維激光掃描技術在幕墻安裝前的工程質量復核應用

圖5 數(shù)據分析

圖6 混凝土樓板、鋼結構的數(shù)據采集

圖7 虛實匹配后的逆向BIM和設計BIM； 幕墻安裝前的復核分析

對當前成形實體的工程質量進行精準測量，為后序工序工程質量的有效管控夯實基礎是BIM+三維激光掃描技術在工程質量檢測分析中的又一創(chuàng)新應用。這里，還是以“天津周大?！惫こ虨槔?，對BIM+三維激光掃描技術在幕墻安裝前的工程質量復核應用進行介紹。

圖8 內裝飾鋁板設計BIM、現(xiàn)場的成形龍骨

圖9 三維重建后的成形龍骨、虛實匹配后的逆向BIM和設計BIM

在“天津周大?！惫こ讨?，在幕墻安裝前基于混凝土樓板、鋼結構的三維激光掃描結果去復核幕墻設計BIM，通過對當前成形實體的工程質量進行復核，減少乃至消除后序安裝中的誤差，為后序工序工程質量的有效管控夯實基礎。具體應用過程如下所示：將掃描數(shù)據導入scene軟件中進行拼接，拼接誤差0.62mm，如圖6所示。導出.e57目標點云，在recape中打開保存文件為.rcp格式，便于直接在CAD、Revit以及Navisworks中鏈接點云文件。在Navisworks中將幕墻設計模型與土建、鋼結構點云模型進行虛實匹配，如圖7所示，調整幕墻的碰撞問題，優(yōu)化幕墻設計，避免造成返工和材料浪費[8-9]。

工程實踐顯示：基于全站儀聯(lián)測，將混凝土樓板、鋼結構的三維激光掃描結果和幕墻設計BIM進行精準匹配。通過對當前成形實體的工程質量，尤其是前序工序的垂直度、平整度、尺寸偏差進行精準測量，有助于異形幕墻安裝質量的精準管控。

3.3 BIM+三維激光掃描技術在曲面結構工程質量檢測分析中的應用

這里，以“大連國際會議中心”工程為例，對BIM+三維激光掃描技術在曲面結構工程質量檢測分析中的應用進行介紹。

在“大連國際會議中心”工程中，內裝飾鋁板為復雜曲面結構，鋁板的龍骨也為曲面結構，如圖8所示。同時，鋁板是在國外加工完成，再運送至國內穿孔，整體周期較長。因此，鋁板安裝前，需要先獲取龍骨的表面尺寸，再下料并訂購鋁板。由于施工工藝復雜等客觀因素，實際完工的龍骨的表面尺寸不會和最初的設計完全一致，故無法直接使用設計圖紙作為鋁板的下料依據[10]。

當時，現(xiàn)場已經搭設了腳手架，腳手架需要一個5人團隊至少3周的工作量，人工測量還需要至少10天，且又很難保證數(shù)據的精準程度。在這一背景下，使用三維激光掃描技術，用時3天，完成了所有成形龍骨的三維激光掃描數(shù)據的采集。具體應用過程如下所示：現(xiàn)場掃描采集數(shù)據后進行配準，形成現(xiàn)場龍骨點云模型，通過對干擾數(shù)據進行篩選、剔除。對需要下料區(qū)域進行三維重建，并將三維重建結果導入CAD，即可獲得下料所需要的尺寸依據，指導鋁板下料，如圖9所示?；诖朔N方法，確保了工程質量和進度的順利進行，使鋁板設計和下料更合理，節(jié)約成本。

4 結語

三維激光掃描技術基于激光測量原理，能夠對各種“大型、復雜、不規(guī)則、非標準”的待測目標進行“非接觸、精準、實時”的采集。在此基礎上，借助后處理平臺，三維激光掃描技術能夠對待測目標進行“檢測分析”。同時，通過和BIM技術相結合，能夠以“虛實匹配”的方式輔助工程質量的精準管控。因此，BIM+三維激光掃描技術必將成為工程質量控制領域極具生命力的研究熱點和應用趨勢。