李 少 旭

(石家莊職業(yè)技術(shù)學院 建筑工程系，河北 石家莊 050081)

鋼結(jié)構(gòu)建筑與混凝土建筑相比，強度更高，抗震性更好，且鋼材能重復利用，可大大減少建筑垃圾，也更加綠色環(huán)保，因而被廣泛應用于工業(yè)建筑和民用建筑中.鋼結(jié)構(gòu)建筑由于在施工過程中涉及大量的安裝作業(yè)，因此必須對其質(zhì)量進行精準控制，如鋼構(gòu)件的平整度、垂直度、軸線偏移度等，這些都是鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量控制的重點.行業(yè)內(nèi)經(jīng)常采取抽樣檢測的方法，如用2 m靠尺、托板等工具對鋼結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量進行檢測，但這種方法精準性較差，有一定的局限性.

三維激光掃描技術(shù)通過發(fā)射激光獲取建筑物的三維數(shù)據(jù)[1].利用三維激光掃描技術(shù)，可在不影響施工進度的情況下，準確地監(jiān)測建筑物的施工情況[2].建筑信息模型(BIM)是建筑學、工程學及土木工程的新工具，是一種應用于工程設(shè)計、建造、管理中的數(shù)據(jù)化工具.通過BIM技術(shù)可以依據(jù)施工藍圖(正式的設(shè)計文件，即依據(jù)流程出具的設(shè)計施工圖)進行建模.將采用三維激光掃描技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)與按藍圖建模的BIM模型數(shù)據(jù)進行對比，可得到實際尺寸與設(shè)計尺寸的差值，為工程順利驗收提供數(shù)據(jù)支持.

“鹿港壹號院”項目位于河北省辛集市田家莊開發(fā)區(qū)(衡井線48.7 km處)，總建筑面積約10 000 m2，是由河北雪龍機械制造有限公司投資，清華大學建筑設(shè)計研究院規(guī)劃設(shè)計的綠色建筑園區(qū).此項目的鋼結(jié)構(gòu)住宅中，鋼管柱與H型鋼梁節(jié)點采用套筒式連接，這就對安裝精度提出了較高的要求，如構(gòu)件尺寸精度要達到毫米級，而目前大部分人工作業(yè)施工精度在厘米級，一旦施工精度不夠，后期的頻繁調(diào)整會影響工程整體的施工進度.同時，鋼結(jié)構(gòu)工程為隱梁體系，無吊頂，結(jié)構(gòu)還兼具裝飾功能，因此，鋼結(jié)構(gòu)施工完成后的外觀也是人們關(guān)注的重點.石家莊職業(yè)技術(shù)學院與“鹿港壹號院”項目的投資方為長期校企合作單位，雙方希望通過此項目，利用BIM技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)，突破抽樣檢測的局限性，探索出適合鋼結(jié)構(gòu)工程的新型驗收方式.

1 三維激光掃描技術(shù)原理及特點

1.1 原理

三維激光掃描技術(shù)作為一項高新技術(shù)，是繼GPS空間定位系統(tǒng)后的又一項測繪技術(shù)新突破，具有速度快、精度高、非接觸等特點，是一種快速測量手段，可在建筑物表面模擬合成上百萬的點云(pointcloud，意思為無數(shù)的點以測量的規(guī)則在計算機里呈現(xiàn)物體的結(jié)果)數(shù)據(jù)，掃描時每秒可記錄數(shù)千的點云數(shù)據(jù).完成點云數(shù)據(jù)采集后，將采集到的數(shù)據(jù)與按藍圖建模的BIM模型數(shù)據(jù)進行對比，即可反映建筑物實際尺寸(采集的點云數(shù)據(jù)模型)和建筑物設(shè)計尺寸(BIM數(shù)據(jù)模型)的全部差值，實現(xiàn)建筑物整體質(zhì)量驗收.

三維激光掃描技術(shù)利用激光測距原理，通過記錄被測物體表面大量的密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù).采集的數(shù)據(jù)通常用于三維重建計算，并在虛擬世界中創(chuàng)建真實物體的數(shù)字模型.

1.2 特點

(1)獲取點云數(shù)據(jù)的速度快，效率高.

(2)獲取的點云數(shù)據(jù)能真實地還原建筑物的所有特征，數(shù)據(jù)精度高，且便于量取.

(3)工作時間和環(huán)境不受限制，可隨時進行數(shù)據(jù)采集.

(4)采集到的點云數(shù)據(jù)簡單易懂，且與AutoCAD，ReCap等多種常用軟件有接口.

2 三維激光掃描技術(shù)的應用

三維激光掃描技術(shù)的點云數(shù)據(jù)采集依靠的是三維激光掃描儀.為確保三維掃描及檢測質(zhì)量，本文采用FARO Laser Scanner Focus進行掃描，它是一款高速三維激光掃描儀，主要由激光發(fā)射器、激光反射鏡、激光自適應聚焦控制單元、光機點自動傳感裝置等組成[3].它以激光為光源,采用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來獲取物體表面的三維信息[4].它能夠在幾分鐘內(nèi)為復雜的環(huán)境和幾何圖形制作出由數(shù)百萬個點云組成的三維圖像，精度可達0.01 mm.

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

本文通過對圖1所示鋼結(jié)構(gòu)住宅(支撐系統(tǒng)已拆除，樓面進行了清理，沒有雜物干擾掃描工作)的檢測來分析如何獲取外業(yè)數(shù)據(jù).

圖1 清掃后的待檢測鋼結(jié)構(gòu)住宅

2.1.1 掃描儀固定及調(diào)平

將掃描儀的上半部分安裝到三腳架底座上，沿順時針方向旋轉(zhuǎn)螺母，確保扭緊螺母并鎖定.安裝完成后，從三腳架上抬起掃描儀看其是否被正確鎖定到位.固定后，使用自動調(diào)平功能進行調(diào)平.

2.1.2 現(xiàn)場布點

城市建筑物周圍環(huán)境復雜，不可能在一個測點就獲得一棟建筑物的整體信息.根據(jù)三維激光掃描儀的儀器特性,在掃描時，建筑物表面法向變化較頻繁的區(qū)域必須多次更換視點[5].因此，在掃描前，應考慮工作環(huán)境及測點的點位可見度，確定測點的數(shù)目、位置、掃描范圍和重合度，以避免出現(xiàn)掃描盲區(qū).一般以兩個測點的重合度達到20%為宜.基于平面特征點的標靶配準策略在解決配準誤差傳播問題上有較高的穩(wěn)定性，因此本文采用基于平面特征點的標靶配準策略.在掃描作業(yè)時,為了不影響配準效果，標靶布設(shè)的跨度不宜太大[6]，而本文設(shè)置的掃描點間距均不大于5 m.

在掃描前，對“鹿港壹號院”項目進行了現(xiàn)場勘察，確定了最佳掃描路線.為了保證點云數(shù)據(jù)的完整性，在目標建筑物內(nèi)外共設(shè)置了44個測點，如圖2所示.

圖2 設(shè)置的目標建筑物測點

2.1.3 數(shù)據(jù)采集

在進行數(shù)據(jù)采集時，應將與主體結(jié)構(gòu)無關(guān)的雜物清理干凈，以防止其干擾檢測工作.設(shè)置掃描參數(shù)為360°×300°掃描，點間距為3 cm.掃描數(shù)據(jù)輸出設(shè)置為“FLS”格式.在采集點云數(shù)據(jù)時，室內(nèi)設(shè)置的采集距離一般為10 m，室外為20 m.如果只采集數(shù)據(jù)，則可以關(guān)閉彩色掃描模式，縮短數(shù)據(jù)采集時間；后期如果需要對采集到的黑白點云數(shù)據(jù)進行渲染，可在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時進行著色.本文在進行數(shù)據(jù)采集時選擇彩色掃描，即在掃描過程中兼顧渲染功能，這樣可減少內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的工作量.數(shù)據(jù)采集過程中，每個項目和子項目在創(chuàng)建時都會獲得唯一的內(nèi)部標識號.這些標識號即為掃描儀內(nèi)置數(shù)據(jù)拼接軟件SCENE拼接數(shù)據(jù)的依據(jù).SCENE 的拼接根據(jù)標識號進行，而不是基于項目名稱.在使用多個掃描儀處理同一個掃描項目時，必須創(chuàng)建主項目，并將其傳輸?shù)綊呙鑳x.因此，不要在每個掃描儀上單獨創(chuàng)建或編輯屬于同一個掃描項目的子項目.這是因為即使單獨創(chuàng)建的項目和子項目具有相同的名稱，它們也會獲得不同的標識號，會被SCENE視為不同的項目.

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析

采用Polyworks專業(yè)點云內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析，通過該軟件對采集到的點云數(shù)據(jù)進行去噪、拼接和比對，并生成圖文并茂的比對文檔.

2.2.1 點云數(shù)據(jù)的處理與對齊

在數(shù)據(jù)采集過程中, 由于人為、周圍環(huán)境等因素會導致采集的點云數(shù)據(jù)存在噪聲, 而噪聲會影響后期處理的精度.此外，點云數(shù)據(jù)中還可能包含異常點, 這些點也會對精度造成較大的影響, 因此必須進行去噪處理[7].點云數(shù)據(jù)去噪后，在Polyworks軟件中會顯示為紅色，此時可進行點云數(shù)據(jù)的對齊、比對工作.去噪后的點云文件保存為“.asc”格式.去噪后的點云數(shù)據(jù)以“米”為對象單位，導入到與BIM數(shù)據(jù)模型相同的參考坐標系中，得到的模型如圖3所示.

用點對點的方式進行數(shù)據(jù)對齊.利用軟件“分析”菜單中的“點坐標”命令，分別檢核點云模型和參考模型的坐標，并利用“工具”菜單中的“精確移動”命令將點云數(shù)據(jù)和BIM參考模型精確對齊.對齊的參照點每層不少于3個，相鄰點的最大距離不超過4 m，偏移的角度控制在45°以內(nèi)，收斂目標的迭代次數(shù)不宜超過50次.進行初始配準后的兩個模型位置大致重合后,再利用ICP(Iterative Closest Point的簡寫)算法進行精確配準, 以達到后續(xù)模型變形所需的精度.ICP算法通過迭代的方式對變換矩陣進行優(yōu)化,每一次迭代都尋找目標最近點, 使點云數(shù)據(jù)模型更靠近BIM數(shù)據(jù)模型[8].Polyworks軟件集成了ICP算法，可在設(shè)置對齊命令后進行自動迭代，并達到最優(yōu)化對齊.將BIM數(shù)據(jù)模型與點云數(shù)據(jù)模型對齊后的總模型如4圖所示.

圖4 點云數(shù)據(jù)模型和BIM數(shù)據(jù)模型對齊后的總模型

2.2.2 點云數(shù)據(jù)模型與BIM數(shù)據(jù)模型比對

點云數(shù)據(jù)模型與BIM數(shù)據(jù)模型對齊后，使用“分析”菜單下的“3D 比較”功能，對點云數(shù)據(jù)模型與BIM數(shù)據(jù)模型的一致性進行檢查，并輸出3D圖形及文字報告.總模型偏差值的3D展示見圖5.

圖5 總模型偏差值的3D展示

通過總模型偏差值的3D展示，可以直觀地反映出建筑物實際尺寸和設(shè)計尺寸的全部差值.尤其在凈高測量、截面測量方面，點云數(shù)據(jù)可以通過直接進行點與點的位置測量得到，優(yōu)勢較為明顯.通過點云數(shù)據(jù)與BIM模型的比對分析發(fā)現(xiàn)，本項目有46處不能滿足精度要求的施工點，其中12處必須進行重新施工；20處需要進行微調(diào)；14處影響不大，可不調(diào)整.該工程20處需要微調(diào)構(gòu)件的數(shù)據(jù)截圖見圖6.

圖6 分析得出的20處需要微調(diào)構(gòu)件的數(shù)據(jù)偏差截圖

經(jīng)檢測，圖7(a)中畫圈位置的梁存在形變.進一步測量發(fā)現(xiàn)，該梁靠近電梯方向立柱1067 mm處，頂梁向x軸負方向偏移了39.29 mm，如圖7(b)所示.

圖7 鋼結(jié)構(gòu)住宅二層梁偏差值的3D展示

二樓衛(wèi)生間位置有部分混凝土樓板出現(xiàn)漏筋現(xiàn)象，見圖8(a)，該處由于混凝土離析、缺漿或安裝時碰撞導致鋼筋裸露.對點云數(shù)據(jù)和BIM模型數(shù)據(jù)進行分析后，精確計算得出折線尺寸為151.15 mm，360.27 mm和272.23 mm，如圖8(b)所示.

圖8 二層局部漏筋位置的3D展示

2.3 三維掃描點云數(shù)據(jù)檔案的形成

目前,工程質(zhì)量檢測部門的工程驗收資料僅局限于圖紙和檔案類資料.通過對建筑物進行全方位的三維激光掃描，獲取建筑物的點云數(shù)據(jù)，結(jié)合 BIM 技術(shù)，將CAD圖紙升級為三維可視化BIM模型，經(jīng)Polyworks軟件處理后，不但能為工程項目的施工測量及數(shù)字化存檔管理提供新的途徑，而且能為后續(xù)管理提供完整、準確、永久的數(shù)字檔案.施工單位以點云文件為基礎(chǔ)保存竣工三維模型，可供各參建方進行無紙化驗收使用.

3 結(jié)語

本項目利用三維激光掃描技術(shù)，在鋼結(jié)構(gòu)住宅安裝完成后進行全區(qū)域構(gòu)件掃描，得到了鋼結(jié)構(gòu)竣工驗收時所有的點云數(shù)據(jù)模型.通過將點云數(shù)據(jù)模型與 BIM數(shù)據(jù)模型在Polyworks軟件中進行智能比對，可得到各構(gòu)件的偏差值，經(jīng)核驗，數(shù)據(jù)偏差與第三方檢測結(jié)果一致.三維激光掃描技術(shù)的應用，使構(gòu)件安裝的尺寸精度達到了毫米級，全部位檢測有效地避免了漏檢帶來的施工作業(yè)返工.檢測后，對存在定位偏差、變形過大的構(gòu)件及時采取了補救措施，不但穩(wěn)定性滿足了需求，更兼具了美觀的效果，得到了各方的一致好評.三維激光掃描技術(shù)必將因出色的測量精度和高效的測量效率在建筑竣工驗收中得到廣泛的應用.