周成益

東部機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司 江蘇 南京 210014

在建筑行業(yè)，三維激光掃描技術(shù)和BIM作為現(xiàn)代信息化發(fā)展的重要支撐手段，已在很多工程上相繼使用，受到政府和行業(yè)的關(guān)注與大力支持。目前三維激光掃描與BIM技術(shù)主要在新建工程中有所應(yīng)用，而在大型交通樞紐改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用研究不多。本文從大型改擴(kuò)建項(xiàng)目施工控制的角度出發(fā)，結(jié)合實(shí)際工程案例，探索三維激光掃描技術(shù)和BIM技術(shù)在大型交通樞紐改擴(kuò)建施工中的應(yīng)用價(jià)值。

1 三維激光掃描技術(shù)的可行性分析

1.1 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

三維激光掃描技術(shù)又稱(chēng)“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它采用非接觸式高速激光掃描測(cè)量的方法，以陣列式點(diǎn)云的形式獲取地形或復(fù)雜物體表面的三維空間數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)憑借點(diǎn)云掃描，在方法上不僅很靈活，而且還兼具科學(xué)性，這也是三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在。掃描所形成的點(diǎn)云模型主要是根據(jù)掃描所形成的三維坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，來(lái)直觀展示掃描的模型結(jié)果，不僅具有便攜性、可操作性，同時(shí)還具有科學(xué)性、準(zhǔn)確性。根據(jù)所采集的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠精確地進(jìn)行距離量測(cè)、逆向建模、結(jié)構(gòu)提取、二次設(shè)計(jì)等多方面應(yīng)用。

1.2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

大型交通樞紐改擴(kuò)建項(xiàng)目由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，如果采用傳統(tǒng)的手段，由人工使用檢測(cè)儀器來(lái)繪制二維圖紙進(jìn)行方案的確定，則難以將復(fù)雜三維空間的方案設(shè)計(jì)通過(guò)二維圖紙全面反映出來(lái)，大大增加了施工方案的確定難度和后期出現(xiàn)方案修改時(shí)的成本。而三維激光掃描技術(shù)具有非接觸性、可全天候作業(yè)、掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、數(shù)據(jù)兼容性強(qiáng)[1-2]、全數(shù)字化等特點(diǎn)，可完美復(fù)制大型改擴(kuò)建工程項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景，便于后期通過(guò)BIM技術(shù)進(jìn)行方案的確定與優(yōu)化。

2 BIM技術(shù)的可行性分析

對(duì)于大型交通樞紐改擴(kuò)建項(xiàng)目，BIM技術(shù)所具有的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等特點(diǎn)，能夠在項(xiàng)目施工過(guò)程中發(fā)揮出最大優(yōu)勢(shì)。在方案的制定上，可提早發(fā)現(xiàn)偏差，優(yōu)化各專(zhuān)業(yè)施工材料下料，并運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行放樣，使各專(zhuān)業(yè)深化圖紙更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，減少現(xiàn)場(chǎng)施工偏差，從而進(jìn)一步提高施工質(zhì)量。

3 三維激光掃描與BIM技術(shù)的應(yīng)用思路

大型交通樞紐改擴(kuò)建項(xiàng)目具有造型奇異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、質(zhì)量要求高、現(xiàn)場(chǎng)施工人員多、涉及專(zhuān)業(yè)多、分包多、交叉施工多等特點(diǎn)與難點(diǎn)，所以在前期必須有一個(gè)周全的方案。在確定方案時(shí)，由于是改擴(kuò)建工程，故現(xiàn)場(chǎng)已有環(huán)境和結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，同時(shí)，已有建筑年限較久，可能存在圖紙不全、不準(zhǔn)等問(wèn)題。在全面考察施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境后，根據(jù)三維激光掃描儀確定掃描的站點(diǎn)位置，保證能夠完全得到現(xiàn)場(chǎng)的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)；獲取每一站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后進(jìn)行點(diǎn)云處理與拼接，得到完整的現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云模型；通過(guò)點(diǎn)云模型進(jìn)行逆向BIM建模，形成現(xiàn)場(chǎng)完整的BIM模型；根據(jù)BIM模型進(jìn)行方案的BIM施工模擬與優(yōu)化，保證每一處的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其他不同專(zhuān)業(yè)間的交叉施工順利進(jìn)行，對(duì)不同方案進(jìn)行對(duì)比與分析，最終確定實(shí)施方案。

4 工程應(yīng)用案例

4.1 工程概況

南京祿口機(jī)場(chǎng)作為大型交通樞紐改擴(kuò)建項(xiàng)目的代表，是國(guó)家重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)的區(qū)域性樞紐機(jī)場(chǎng)，是長(zhǎng)三角世界級(jí)機(jī)場(chǎng)群重要樞紐。為提升機(jī)場(chǎng)T1航站樓安全性等級(jí)，整體承載力以及綜合抗震能力，擬進(jìn)行機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建。此次改擴(kuò)建工程總建筑面積159 447 m2（新建面積45 708 m2，改造面積113 739 m2），登機(jī)橋面積5 201 m2。

4.2 工程難點(diǎn)

本次工程的改造面積很大，約占總面積的2/3。在已有建筑的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，需要全面了解已有建筑內(nèi)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、設(shè)備等準(zhǔn)確位置。而本機(jī)場(chǎng)始建于1997年，由于施工圖紙不完全以及后期各種原因的一些改動(dòng)，導(dǎo)致圖紙與現(xiàn)場(chǎng)不符，給改擴(kuò)建方案的制定帶來(lái)一定的困難。

4.3 傳統(tǒng)方法弊端

1）現(xiàn)場(chǎng)勘察工作量巨大，耗時(shí)費(fèi)力。

2）可能存在勘察遺漏、記錄失誤等情況。

3）通過(guò)人工測(cè)量進(jìn)行施工圖紙的重繪，受限于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，方案制定時(shí)難以考慮周到。

4.4 新方法的應(yīng)用

4.4.1 獲取點(diǎn)云

本工程屋面規(guī)模大，鋼筋混凝土灌注樁分布多，這種情況下采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是可行的。本次使用的是FARO Focus 3D X330地面三維掃激光掃描系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)地面較為平整，方便三維激光掃描儀的架設(shè)。根據(jù)三維激光掃描儀的參數(shù)和三維激光掃描儀的作業(yè)方法，對(duì)外業(yè)掃描做出以下要求：每一站點(diǎn)與待掃描的建筑面保持5～20 m距離；設(shè)置掃描時(shí)間為5 min；對(duì)掃描現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行掃描站點(diǎn)的合理劃分，確保掃描的區(qū)域能夠全部覆蓋。在每一站點(diǎn)架設(shè)掃描儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描，獲取每一站點(diǎn)的掃描點(diǎn)云（圖1）。

圖1 掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4.4.2 BIM模型創(chuàng)建

選用現(xiàn)階段行業(yè)市場(chǎng)選擇最多的Autodesk Revit軟件工具進(jìn)行逆向三維信息模型創(chuàng)建，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程具體施工過(guò)程，包括前期方案制定、中期現(xiàn)場(chǎng)施工、后期運(yùn)維階段的全生命周期的數(shù)字化表達(dá)，與傳統(tǒng)依賴(lài)二維圖紙的表達(dá)相比，對(duì)改擴(kuò)建工程的影響會(huì)更廣泛和深遠(yuǎn)。具體的逆向建模過(guò)程可以概括為：建立現(xiàn)場(chǎng)軸網(wǎng)與標(biāo)高線→比較T1航站樓圖紙與掃描點(diǎn)云模型→分專(zhuān)業(yè)將現(xiàn)場(chǎng)的梁、板、柱、墻、屋蓋、機(jī)電管線各個(gè)系統(tǒng)等在對(duì)應(yīng)的位置畫(huà)出→各專(zhuān)業(yè)模型合成為整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)BIM模型。

4.5 三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)為機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)

1）對(duì)T1航站樓進(jìn)行三維激光掃描，其整體和細(xì)節(jié)都能夠立體化展現(xiàn)。大型機(jī)場(chǎng)航站樓改擴(kuò)建工程是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)工程，建筑形式和造型各異，僅靠二維圖紙很難將其表達(dá)清楚。掃描的點(diǎn)云模型提供了可視化的思路，具有距離測(cè)量的功能，便于設(shè)計(jì)人員與施工人員互相溝通，確定改造方案。

2）T1航站樓工程涉及的專(zhuān)業(yè)與系統(tǒng)很多，設(shè)備量巨大，各個(gè)領(lǐng)域都有專(zhuān)業(yè)的人員，相互間充分配合才能更好地完成項(xiàng)目。一旦在項(xiàng)目施工過(guò)程中遇到問(wèn)題，各個(gè)參與方都需要組織起來(lái)共同發(fā)現(xiàn)原因并解決問(wèn)題。BIM技術(shù)的引入，能夠充分發(fā)揮BIM技術(shù)模擬性與協(xié)調(diào)性的特點(diǎn)，提前在BIM模型中模擬真實(shí)項(xiàng)目中各參與方間施工交叉協(xié)調(diào)的問(wèn)題，施工前即發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并能夠給出解決方案。如在機(jī)場(chǎng)主體施工前完成行李系統(tǒng)BIM模型的深化與整合，指導(dǎo)混凝土預(yù)埋件下吊支撐點(diǎn)數(shù)量的優(yōu)化，很好地解決了電纜橋架、風(fēng)管等與行李系統(tǒng)的碰撞問(wèn)題，從而確保檢修凈高與吊頂高度。像這樣的碰撞問(wèn)題可以通過(guò)前期的模型預(yù)演進(jìn)行避讓?zhuān)垢鲗?zhuān)業(yè)之間在建造前期對(duì)會(huì)發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行協(xié)調(diào)，提供解決方案。

3）在機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程中，針對(duì)圓柱修補(bǔ)方案，現(xiàn)場(chǎng)利用三維激光掃描得到圓柱掃描模型，確定鋼板下料長(zhǎng)度后進(jìn)行放樣，避免了鋼板下料長(zhǎng)度不足與過(guò)長(zhǎng)現(xiàn)象，減少了二次焊接，保證了圓柱粘鋼加固的施工質(zhì)量。同時(shí)運(yùn)用BIM技術(shù)模擬現(xiàn)場(chǎng)施工，輔助方案交底，完美地解決了這一難題，并且節(jié)省直接經(jīng)濟(jì)效益7萬(wàn)元。

4.6 針對(duì)大型改擴(kuò)建工程的建議

在大型改擴(kuò)建工程的施工過(guò)程中，應(yīng)用三維激光掃描與BIM技術(shù)能夠在安全、經(jīng)濟(jì)、效率三方面發(fā)揮其巨大的作用。三維激光掃描技術(shù)的外業(yè)作業(yè)，完美復(fù)制施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境，形成BIM模型，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜情況進(jìn)行施工方案的模擬，發(fā)現(xiàn)施工問(wèn)題并進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案，在動(dòng)工前即考慮可能存在的難題，避免施工后的返工以及方案調(diào)整造成的工期延誤、經(jīng)費(fèi)增加等情況。

5 結(jié)語(yǔ)

南京祿口機(jī)場(chǎng)T1航站樓改擴(kuò)建工程是國(guó)家的重大系統(tǒng)工程，不僅有既有建筑的改造，還有新建建筑，這就大大增加了施工的難度和現(xiàn)場(chǎng)條件的協(xié)調(diào)要求，傳統(tǒng)的施工模式已很難滿(mǎn)足需要?；诖耍趯?shí)際施工中通過(guò)應(yīng)用新興的三維激光掃描與BIM技術(shù)，取得了理想的效果，可為其他類(lèi)似的大型交通樞紐工程項(xiàng)目提供參考。