趙 峰 劉 剛

(1.浙江省建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,杭州 310012； 2.浙江省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司,杭州 310012)

引言

三維激光掃描技術(shù)和BIM技術(shù)[1-2]是當(dāng)前土木工程方向研究的前沿和熱點(diǎn)技術(shù)，正逐步應(yīng)用到工程各個(gè)方面。當(dāng)前有很多學(xué)者在BIM技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)的運(yùn)用上進(jìn)行探索和實(shí)踐，像鄭欣[3]采用BIM聯(lián)合三維激光掃描技術(shù)，解決水庫(kù)大壩基礎(chǔ)開挖、回填等隱蔽工程的測(cè)量復(fù)核問題； 李小飛[4]等基于三維激光掃描的BIM技術(shù)對(duì)多項(xiàng)施工方案進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了降低工期、減少成本的效果； 孫文[5]等學(xué)者將三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，綜合兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)文物古建筑修復(fù)的正向設(shè)計(jì)，同時(shí)為修復(fù)施工和古建筑維護(hù)提供技術(shù)支持； 韓光達(dá)[6]等采用BIM 結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，將其應(yīng)用在基坑監(jiān)測(cè)中； 闞浩鐘[7]等采用BIM技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)對(duì)項(xiàng)目中鋼結(jié)構(gòu)的虛擬預(yù)拼裝、現(xiàn)場(chǎng)拼裝三維檢測(cè)和焊接收縮變形等進(jìn)行分析探討； 覃亞偉[8]等以BIM技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)為支撐，提出了質(zhì)量檢測(cè)、虛擬拼裝以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一體化的工程質(zhì)量管控方法； 廖羚[9]等將基于BIM 的三維激光掃描及放樣技術(shù)等應(yīng)用到軌道交通站線建設(shè)中，取得了良好的效果； 以上研究雖然對(duì)BIM技術(shù)和三維激光掃描做了大量的探索，但是對(duì)基于BIM和激光掃描點(diǎn)云技術(shù)的智能安裝系統(tǒng)確卻鮮有報(bào)道。

因此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與BIM技術(shù)的融合銜接，采用預(yù)先控制、分析研究、模擬演示等多種手段為預(yù)制裝配式建筑構(gòu)件的安裝提供指導(dǎo)，通過三維激光掃描的控制網(wǎng)布設(shè)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，研究實(shí)時(shí)點(diǎn)云模型與施工BIM模型對(duì)比校核，開發(fā)基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的預(yù)制裝配式建筑智能施工安裝系統(tǒng)，優(yōu)化現(xiàn)有管理方法與施工工藝，降低安裝偏差，提高工程質(zhì)量，更好地發(fā)揮了 BIM 的價(jià)值，推動(dòng)智慧建設(shè)的美好愿景。

1 智能施工安裝系統(tǒng)研究及開發(fā)

1.1 智能施工安裝系統(tǒng)研究

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與BIM技術(shù)融合，采用預(yù)先控制、分析研究、模擬演示等多種手段指導(dǎo)預(yù)制裝配式建筑構(gòu)件的安裝。研究基于預(yù)制裝配式建筑施工BIM模型的安裝工藝模擬、安裝工作面沖突檢測(cè)等BIM可視化模擬技術(shù)，開展預(yù)制構(gòu)件的施工虛擬裝配，進(jìn)行施工工藝和安裝現(xiàn)場(chǎng)布置的三維模擬和安裝數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)施工場(chǎng)地可視化設(shè)備的安裝以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)施的動(dòng)態(tài)管理和優(yōu)化，如圖1所示。

圖1 BIM模型及一體化協(xié)同平臺(tái)工程項(xiàng)目進(jìn)度管控

利用由產(chǎn)業(yè)鏈上游傳遞而來的BIM模型和統(tǒng)一協(xié)同管理平臺(tái)進(jìn)行工程項(xiàng)目的管控。通過施工模擬，對(duì)不同施工組織策劃方案進(jìn)行比選，選擇最優(yōu)場(chǎng)地布置及預(yù)制構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)、堆放的布控方式。同時(shí)結(jié)合裝配式施工組織設(shè)計(jì)的方案，對(duì)工序之間的穿插進(jìn)行合理優(yōu)化，對(duì)技術(shù)間歇進(jìn)行規(guī)劃，在重點(diǎn)的部位和節(jié)點(diǎn)提前進(jìn)行施工模擬，達(dá)到科學(xué)地編制施工進(jìn)度計(jì)劃。而后將此進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行分解，細(xì)化到各個(gè)階段，計(jì)算各階段的物資配備和消耗情況，進(jìn)一步優(yōu)化各項(xiàng)資源消耗及場(chǎng)地布置。

1.2 智能施工安裝系統(tǒng)研發(fā)框架

BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化與結(jié)構(gòu)化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)化建筑大數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計(jì)和分析。

圖2 智能施工安裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法與技術(shù)路線

裝配式建筑施工現(xiàn)場(chǎng)信息管理平臺(tái)通過RFID技術(shù)及BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)構(gòu)件的加工、運(yùn)輸、施工全過程的質(zhì)量、進(jìn)度、人員的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控； 而三維激光掃描技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了物體真實(shí)數(shù)據(jù)的采集，它可以直接得到物體表面的三維空間數(shù)據(jù)，然后利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)(空間數(shù)據(jù))就可以重新構(gòu)建虛擬的三維物體表面。該建模方法不僅不用接觸實(shí)物而且不受物體表面復(fù)雜度的干擾，同時(shí)又速度快、精度高、真實(shí)感強(qiáng)。并且三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和掃描儀相比，其具有速度快、精度高、易操作、可移動(dòng)等特點(diǎn)，它系統(tǒng)的軟硬件可以根據(jù)需求進(jìn)行對(duì)應(yīng)的研發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)用性強(qiáng)。同時(shí)基于BIM建模的虛擬化施工是在已有三維模型的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化定義，以三維可視化的方式反應(yīng)施工的整個(gè)過程和施工各階段的不同情況。BIM建模虛擬化施工技術(shù)的運(yùn)用不僅使得項(xiàng)目管理變得簡(jiǎn)單高效，而且極大地降低了施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，利用三維激光掃描儀探索與研究構(gòu)件的智能安裝控制要點(diǎn)與施工工藝， 以示范項(xiàng)目為落腳地，以建筑構(gòu)配件唯一ID關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工等各個(gè)階段構(gòu)配件的編碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式建筑構(gòu)件的全過程一體化的智能管理。

1.3 智能施工安裝系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用

利用三維激光掃描儀通過兩次掃描(構(gòu)件掃描、安裝后掃描)、兩次校驗(yàn)(尺寸校驗(yàn)、安裝校驗(yàn))和點(diǎn)云模型與BIM模型的對(duì)比，探索與研究構(gòu)件的智能安裝控制要點(diǎn)與施工工藝。系統(tǒng)功能包括：對(duì)點(diǎn)云模型的逆向建模、點(diǎn)云模型的查看瀏覽、點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)與施工現(xiàn)場(chǎng)信息平臺(tái)的對(duì)接、兩次掃描與校驗(yàn)等功能。利用RFID芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件的全過程(生產(chǎn)—運(yùn)輸—施工—運(yùn)維)管理及參建各方、各階段的數(shù)據(jù)/信息互通； 通過對(duì)RFID芯片中攜帶的構(gòu)件信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，為智能建造的過程提供相應(yīng)的技術(shù)支持和決策支持。

(1)項(xiàng)目管理提供系統(tǒng)管理項(xiàng)目的唯一入口如圖3，通過建立項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的WBS、BIM模型，點(diǎn)云模型的統(tǒng)一管理，為項(xiàng)目各參與方基于BIM進(jìn)行統(tǒng)計(jì)決策分析，打好技術(shù)與管理的基礎(chǔ)。

圖3 智能安裝系統(tǒng)登錄頁(yè)

圖4 智能安裝系統(tǒng)項(xiàng)目管理

(2)新建項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)，如圖5需要具有權(quán)限的用戶才能建立，建立時(shí)需要輸入項(xiàng)目信息及WBS的分解信息。根據(jù)項(xiàng)目特征，按照單項(xiàng)工程、單位工程、樓層建立項(xiàng)目各個(gè)單項(xiàng)的WBS節(jié)點(diǎn)信息。WBS節(jié)點(diǎn)信息如圖6所示。

圖5 項(xiàng)目立項(xiàng)

(3)從點(diǎn)云模型的建立(如圖7所示)、點(diǎn)云模型管理(如圖8所示)與點(diǎn)云模型的查看(如圖9所示)整個(gè)三維建模的過程來看，激光掃描數(shù)據(jù)處理主要可分為以下三個(gè)步驟：首先是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取、其次是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析處理、最后是三維立體模型的建立。進(jìn)一步細(xì)分可表示為：點(diǎn)云數(shù)據(jù)的收集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的縮減、點(diǎn)云的分層、等高線擬合、建立立體三維模型同時(shí)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Realworks進(jìn)行處理。

圖6 項(xiàng)目WBS

圖7 點(diǎn)云模型的建立

圖8 點(diǎn)云模型的管理

1)配準(zhǔn)

Realwoks自動(dòng)處理各站掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過一定的規(guī)則將各站數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，自動(dòng)生成整體模型。

2)點(diǎn)云處理

點(diǎn)云里幾乎包含了所有能掃到的物體，因此需要?jiǎng)h除部分無用的構(gòu)件，也可以在精度點(diǎn)云足夠密的情況下適當(dāng)降低點(diǎn)密度。系統(tǒng)統(tǒng)一管理點(diǎn)云模型文件，通過文件方式進(jìn)行上傳，下載以及查看，系統(tǒng)操作界面如圖9所示。系統(tǒng)的模型查看需要借助本地的Realworks進(jìn)行查看，下載到本地后，進(jìn)行點(diǎn)云模型的查看。

圖9 點(diǎn)云模型的查看

3)工廠校驗(yàn)

三維掃描現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云真實(shí)數(shù)據(jù)模型與構(gòu)件BIM模型整合，通過平臺(tái)整合，運(yùn)用相關(guān)手段協(xié)同對(duì)比，得出生產(chǎn)誤差。在構(gòu)件生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)提供統(tǒng)一的構(gòu)件管理，集合BIM模型實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件尺寸的精確復(fù)核。構(gòu)件管理界面如圖10所示。

圖10 工廠校驗(yàn)構(gòu)件管理界面

構(gòu)件導(dǎo)入以后，系統(tǒng)可以直接對(duì)接深化設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件信息從BIM模型直接導(dǎo)入，操作界面如圖11所示。得到三維掃描數(shù)據(jù)后，基于三維掃描模型需要復(fù)核構(gòu)件尺寸，通過在Realworks平臺(tái)上進(jìn)行模型的疊加，分析實(shí)測(cè)實(shí)量的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的誤差，結(jié)果查看頁(yè)面如圖12所示。

圖11 構(gòu)件導(dǎo)入圖

圖12 工廠構(gòu)件掃描與校驗(yàn)

4)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)

三維掃描現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云真實(shí)數(shù)據(jù)模型與構(gòu)件BIM模型整合，通過平臺(tái)整合，運(yùn)用相關(guān)手段協(xié)同對(duì)比，分析得出生產(chǎn)誤差。在施工現(xiàn)場(chǎng)通過BIM模型與掃描結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)安裝的誤差，提高項(xiàng)目的質(zhì)量。系統(tǒng)安裝項(xiàng)目WBS實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM模型與三維掃描模型的管理，界面如圖13所示。系統(tǒng)按照WBS節(jié)點(diǎn)，在點(diǎn)云模型文件與WBS建立關(guān)聯(lián)，可以通過WBS節(jié)點(diǎn)查看其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云模型，界面如圖14所示。

圖13 BIM模型與點(diǎn)云模型管理

圖14 點(diǎn)云模型

BIM模型與點(diǎn)云模型的對(duì)比分析時(shí)，系統(tǒng)按照WBS節(jié)點(diǎn)，在BIM模型文件與WBS建立關(guān)聯(lián)，可以通過WBS節(jié)點(diǎn)查看其對(duì)應(yīng)的BIM模型如圖15所示，同時(shí)其與點(diǎn)云模型的對(duì)比界面如圖16所示。

圖15 BIM模型圖

圖16 BIM模型與點(diǎn)云模型對(duì)比

5)色差分析

系統(tǒng)按照WBS節(jié)點(diǎn)，在BIM模型文件與WBS建立關(guān)聯(lián)，可以通過WBS節(jié)點(diǎn)查看其對(duì)應(yīng)的BIM模型與點(diǎn)云模型的對(duì)比，色差界面如圖17所示。

圖17 色差分析

6)系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理為管理員提供組織機(jī)構(gòu)、角色和人員配置和授權(quán)的功能，并可以進(jìn)行系統(tǒng)后臺(tái)基本數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)配置，以及監(jiān)控系統(tǒng)基本情況。

7)基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM的進(jìn)場(chǎng)物資驗(yàn)收和質(zhì)量驗(yàn)收

對(duì)進(jìn)場(chǎng)的所有構(gòu)件進(jìn)行掃碼或掃描，然后進(jìn)行驗(yàn)收資料的填寫，在平臺(tái)中實(shí)時(shí)更新驗(yàn)收數(shù)據(jù)，及時(shí)反饋物資驗(yàn)收結(jié)果。在移動(dòng)端或PC端進(jìn)行相應(yīng)進(jìn)場(chǎng)構(gòu)件表單的內(nèi)容填寫，對(duì)進(jìn)場(chǎng)物資驗(yàn)收結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的文字錄入，同時(shí)上傳進(jìn)場(chǎng)物資驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)照片，如圖18中所示，其中驗(yàn)收合格的表單與資料系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步，將進(jìn)場(chǎng)物資合格表單納入進(jìn)場(chǎng)物資驗(yàn)收資料體系； 驗(yàn)收不合格的表單，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，可選擇再次對(duì)該批進(jìn)場(chǎng)物資進(jìn)行復(fù)檢，將復(fù)檢結(jié)果以同樣的方式納入進(jìn)場(chǎng)物資驗(yàn)收資料體系，并控制復(fù)檢次數(shù)。同理與資料系統(tǒng)對(duì)接，將質(zhì)量驗(yàn)收相關(guān)表單與模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，準(zhǔn)確定位質(zhì)量驗(yàn)收位置和內(nèi)容，及時(shí)傳達(dá)質(zhì)量驗(yàn)收結(jié)果。在移動(dòng)端或PC端進(jìn)行掃碼和質(zhì)量驗(yàn)收表單的內(nèi)容填寫，對(duì)質(zhì)量驗(yàn)收結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的文字錄入，同時(shí)上傳質(zhì)量驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)照片，并關(guān)聯(lián)模型構(gòu)件，如圖19所示，其中驗(yàn)收合格的表單與資料系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步，將質(zhì)量合格表單納入質(zhì)量驗(yàn)收資料體系； 驗(yàn)收不合格的表單，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，可選擇發(fā)起質(zhì)量檢查記錄后整改，也可選擇直接與資料系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步，將質(zhì)量不合格表單納入質(zhì)量驗(yàn)收資料體系。

圖18 構(gòu)件驗(yàn)收實(shí)物

圖19 質(zhì)量驗(yàn)收實(shí)物

8)安裝工藝模擬、安裝工作面沖突檢測(cè)等

BIM可視化模擬技術(shù)示范工程項(xiàng)目吊裝經(jīng)過模擬優(yōu)化后的吊裝方案及分析，分別如圖20、21所示。

圖20 吊裝方案

圖21 吊裝分析

圖22 中加國(guó)際學(xué)校施工BIM模型

2 工程應(yīng)用

上虞中加國(guó)際學(xué)校項(xiàng)目，位于紹興市上虞區(qū)濱海新城，以經(jīng)八路和緯二路交叉點(diǎn)為西南起點(diǎn)向東北展開。學(xué)校建設(shè)分為兩期，本項(xiàng)目為一期工程，建設(shè)用地面積約65畝，總建筑面積約為5萬m2，工程估算投資2.5億元。工程承包模式為EPC+建筑工業(yè)化。采用預(yù)制構(gòu)件的部分主要是1#、2#、4#、5#、6#的疊合板和樓梯，預(yù)制率20%以上。

通過示范工程項(xiàng)目管理平臺(tái)的移動(dòng)端和WEB端對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)化了現(xiàn)有管理方法與施工工藝，降低了施工中的安裝偏差，提高了工程質(zhì)量。

3 總結(jié)

本文通過將虛擬施工方案放入PC工業(yè)化建筑項(xiàng)目管理平臺(tái)中，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工； 采用三維掃描，進(jìn)行拼裝校核，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后，進(jìn)行分析總結(jié)與持續(xù)改進(jìn)。通過集成基于BIM的虛擬建造技術(shù)與基于掃描點(diǎn)云的安裝質(zhì)量控制技術(shù)，優(yōu)化現(xiàn)有管理方法與施工工藝，實(shí)現(xiàn)了虛擬環(huán)境下工程施工全過程模擬，是對(duì)施工過程精細(xì)化的再現(xiàn)。