郭燈，施正寶，陳保祥，薛杰，胡穩(wěn)根

（中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100024）

1 項(xiàng)目概況

貴州省沿印松高速公路，具體實(shí)施工點(diǎn)為K5+975～K6+145 右側(cè)邊坡、K99+010～K99+180 左側(cè)邊坡，李家寨隧道進(jìn)口、涼風(fēng)坳隧道出口YK81+728～YK81+748 段初支侵限段落，柏樹(shù)坪隧道復(fù)雜溶洞，橋梁墩柱、預(yù)制T 梁（波紋管定位）等，通過(guò)對(duì)不同方位進(jìn)行三維激光掃描，對(duì)BIM 模型和所對(duì)應(yīng)的三維掃描模型進(jìn)行對(duì)比、轉(zhuǎn)化和分析，獲取了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體較設(shè)計(jì)偏差，并及時(shí)調(diào)整，輔助工程現(xiàn)場(chǎng)施工，提升項(xiàng)目管理水平。

2 “BIM+三維激光掃描”技術(shù)概述

在高速公路施工階段，采用三維激光掃描技術(shù)高效、快速獲取物體表面高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合BIM 設(shè)計(jì)模型的高可計(jì)算性、可視性特點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高邊坡、隧道結(jié)構(gòu)、橋梁構(gòu)件的逆向模型重構(gòu)，與BIM 設(shè)計(jì)模型進(jìn)行空間形態(tài)的算法比對(duì)，獲得邊坡、隧道開(kāi)挖前后的設(shè)計(jì)曲面及實(shí)際施工曲面的曲面形態(tài)計(jì)算數(shù)據(jù)，繼而快速進(jìn)行邊坡的開(kāi)挖土方量計(jì)算、邊坡坡率校核、邊坡變形監(jiān)測(cè)，以及隧道施工的超欠挖計(jì)算、線型控制，橋梁構(gòu)件質(zhì)量控制等[1]。其應(yīng)用重難點(diǎn)是要將BIM 模型導(dǎo)入三維掃描處理軟件中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM 模型數(shù)據(jù)擬合對(duì)比，分析輸出差異化結(jié)果。另外，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備操作受限，如何布點(diǎn)是本研究項(xiàng)目的難點(diǎn)所在。

3 “BIM+三維激光掃描”技術(shù)在山區(qū)高速公路項(xiàng)目施工中的應(yīng)用對(duì)策

3.1 邊坡應(yīng)用

3.1.1 位移監(jiān)測(cè)

以土建一分部K5+975～K6+145 右側(cè)邊坡為例，本段路塹位于斜坡上，平時(shí)無(wú)地表水發(fā)育，雨季降水在山間溝谷內(nèi)匯集，向場(chǎng)地低洼處排泄。本路塹段位于構(gòu)造剝蝕低山地貌區(qū)緩坡地帶。地面高程632.8～543.6 m，相差89.2 m，地形起伏較大，局部坡度較陡。坡面上植被較發(fā)育，主要為灌木和喬木。不同時(shí)間段對(duì)邊坡地形進(jìn)行三維激光掃描，生成原地形曲面點(diǎn)云，將點(diǎn)云導(dǎo)入掃描儀配套的SCENE 軟件中生成三維模型，通過(guò)Build IT Construction 分析軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，或?qū)隒ivil 3D 中，生成地形曲面模型，利用Civil 3D 建模，在地形模型上將設(shè)計(jì)邊坡的BIM 模型建立完成，進(jìn)行比較，得出期間邊坡的位移和變形量[2]。

3.1.2 測(cè)量方量和坡率

對(duì)邊坡進(jìn)行原地面掃描，再掃描開(kāi)挖至一定程度的狀態(tài)，生成當(dāng)前開(kāi)挖狀態(tài)的點(diǎn)云模型，與原地形曲面模型求差，得到目前開(kāi)挖完成的土石方量，通過(guò)開(kāi)挖最終狀態(tài)邊坡模型曲面與原地形曲面求差，可計(jì)算復(fù)核設(shè)計(jì)開(kāi)挖土石方量，結(jié)合地質(zhì)分層模型，將實(shí)際的土石比代入求得實(shí)際開(kāi)挖土石方量[3]。斷面法計(jì)算土方量的精度取決于斷面的密度以及斷面上測(cè)量點(diǎn)的密度，容易忽視2 個(gè)斷面間實(shí)際地形的起伏，與傳統(tǒng)的斷面法測(cè)土方相比，模型法拾取了地形表面的所有細(xì)節(jié)，大大提高了測(cè)算精度。

另外，在開(kāi)挖過(guò)程中或開(kāi)挖完成后，通過(guò)三維激光掃描儀建立的點(diǎn)云模型與BIM 設(shè)計(jì)模型進(jìn)行整合，隨機(jī)設(shè)置坡率采樣線，可以求取邊坡任意位置的坡率值，同時(shí)能夠提取超挖、欠挖區(qū)域的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，通過(guò)全站儀進(jìn)行超挖、欠挖點(diǎn)放樣，告知施工隊(duì)伍按要求開(kāi)挖至設(shè)計(jì)要求的開(kāi)挖面，對(duì)邊坡開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行精確控制。

3.2 隧道應(yīng)用

3.2.1 超欠挖分析

在點(diǎn)云建模軟件Tunnel 中，通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖后進(jìn)行一次斷面掃描后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，逆向重構(gòu)生成實(shí)際模型，可以直接三維預(yù)覽，將拼接好的點(diǎn)云逆向模型與按照施工圖紙搭建的標(biāo)準(zhǔn)化模型同坐標(biāo)定位匹配，直接觀察理論與實(shí)際模型的偏差，同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算每個(gè)樁號(hào)的超欠挖數(shù)據(jù)，出具超欠挖分析結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 超欠挖分析結(jié)果

3.2.2 耗材方量分析

對(duì)隧道開(kāi)挖后和二襯施作后各進(jìn)行掃描一次，在點(diǎn)云建模軟件中將生成的2 個(gè)三維模型進(jìn)行擬合，可計(jì)算出混凝土的消耗量。實(shí)施工點(diǎn)為沿印松高速公路項(xiàng)目李家寨隧道進(jìn)口處隨機(jī)選取40 m 初支段落、涼風(fēng)坳隧道出口YK81+728～YK81+748 段初支侵限段落，以李家寨隧道為例，隧道全長(zhǎng)4 552 m，最大埋深約647 m，隧道區(qū)海拔高程介于656～1 346 m，相對(duì)高差690 m，屬中低山丘陵地貌區(qū)。對(duì)進(jìn)口已完成二襯段落進(jìn)行掃描，形成了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際三維模型，與前期建立的BIM 標(biāo)準(zhǔn)化模型進(jìn)行比對(duì)，逐個(gè)樁號(hào)進(jìn)行分析，探究設(shè)計(jì)偏差。

3.3 橋梁應(yīng)用

3.3.1 預(yù)制T 梁檢測(cè)

運(yùn)用三維激光掃描與BIM 技術(shù)融合，針對(duì)已施工完成或正在施工的預(yù)制T 梁，通過(guò)不同方位進(jìn)行三維激光掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)；將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合成處理，形成預(yù)制T梁和鋼筋骨架實(shí)體構(gòu)件信息和圖像，并繪制平面圖、立面圖、剖面圖；與BIM 標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行數(shù)模比對(duì)，分析偏差、平整度、傾斜度、體積計(jì)算、耗材分析等情況，替代常規(guī)的測(cè)量手段，達(dá)到精細(xì)化水平。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工點(diǎn)為土建10 標(biāo)2 號(hào)預(yù)制梁廠。2號(hào)預(yù)制梁廠位于K105+240～K105+740 段路基，占地面積約為12 000 m2，其中30 m 臺(tái)座15 個(gè)，40 m 臺(tái)座10 個(gè)，20 m 臺(tái)座由40 m 臺(tái)座改建，負(fù)責(zé)本標(biāo)段776 片預(yù)制T 梁，主線355 片（30 m T 梁225 片；40 m T 梁130 片），九江樞紐互通421 片（20 m T 梁165 片）。通過(guò)對(duì)T 梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行BIM 建模，利用Revit 結(jié)合Dynamo 提取出BIM 模型中T 梁幾何參數(shù)信息和建模過(guò)程中的參數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合三維掃描模型，獲取T 梁水平面投影梁長(zhǎng)和空間三維實(shí)際梁長(zhǎng)，對(duì)圖紙T 梁水平梁長(zhǎng)進(jìn)行審核。由于T 梁放置過(guò)程中受縱坡影響，故圖紙預(yù)制T 梁梁長(zhǎng)較實(shí)際梁長(zhǎng)短一些。因此，提取出的空間三維梁長(zhǎng)更加貼合實(shí)際，為T 梁的預(yù)制提供更加準(zhǔn)確的尺寸信息。

3.3.2 墩柱質(zhì)量控制

運(yùn)用三維激光掃描與BIM 技術(shù)融合，針對(duì)已施工完成或正在施工的橋梁墩柱，通過(guò)不同方位進(jìn)行三維激光掃描，獲取整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)；將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合成處理，形成墩柱實(shí)體構(gòu)件信息和圖像，并繪制平面圖、立面圖、剖面圖；與設(shè)計(jì)文件進(jìn)行數(shù)模比對(duì)，分析偏差、傾斜度、體積等，對(duì)超過(guò)設(shè)計(jì)允許范圍的及時(shí)進(jìn)行整改和糾偏。

4 “BIM+三維激光掃描”技術(shù)的應(yīng)用效益

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

預(yù)期成果對(duì)于解決目前公路工程建設(shè)中面臨的結(jié)構(gòu)物（如墩柱、T 梁）實(shí)體質(zhì)量管理、邊坡、隧道監(jiān)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)等難題提供了理論基礎(chǔ)，對(duì)于解決目前公路工程建設(shè)中面臨的高邊坡監(jiān)測(cè)精度不足，隧道位移監(jiān)測(cè)不夠全面問(wèn)題，將隧道、邊坡監(jiān)測(cè)由“點(diǎn)”到“面”進(jìn)行轉(zhuǎn)變具有重要意義和實(shí)用價(jià)值，能夠提升隧道、邊坡監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率，及時(shí)預(yù)知變化情況，確保有足夠時(shí)間去應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，具有重要學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值，能提升經(jīng)濟(jì)效益，降低財(cái)產(chǎn)損失?？偟膩?lái)說(shuō)，該技術(shù)的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）提高精細(xì)化管理的管控水平；（2）提高橋梁墩柱、預(yù)制T 梁質(zhì)量；（3）使邊坡監(jiān)測(cè)更加便捷、快速；（4）具有無(wú)接觸測(cè)量、監(jiān)測(cè)速度快、測(cè)量精度高、能夠測(cè)量常規(guī)測(cè)量手段無(wú)法測(cè)量的溶洞體積和形狀等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)物探測(cè)量相比，三維掃描技術(shù)極大地提高了工作效率及精確度。傳統(tǒng)手段不能快速、準(zhǔn)確地反映出實(shí)體結(jié)構(gòu)的完整物理特性。三維激光掃描儀所獲得的數(shù)據(jù)更加具體、生動(dòng)、形象，能夠真實(shí)反映出現(xiàn)場(chǎng)情況和待測(cè)物結(jié)構(gòu)，三維激光掃描儀具有的高速度掃描、高精度測(cè)繪、非接觸測(cè)量、安全性高、逼近原形等優(yōu)點(diǎn)，能夠使內(nèi)外業(yè)所需時(shí)間及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員至少減少50%，并且可以輕松反映出三維狀況，為后續(xù)設(shè)計(jì)、施工提供更專業(yè)、更方便、更高效的參考依據(jù)。

4.2 社會(huì)效益

“BIM+三維激光掃描”技術(shù)具有的社會(huì)效益包括以下方面：（1）提升項(xiàng)目管理水平，樹(shù)立企業(yè)形象?？梢源?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量及驗(yàn)收等方式，效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)，出具結(jié)果快，能夠達(dá)到機(jī)械化減人，新技術(shù)替人目的，以數(shù)字化手段創(chuàng)新管理模式，實(shí)現(xiàn)提能增效，樹(shù)立品牌。（2）測(cè)量手段先進(jìn)，減少生命財(cái)產(chǎn)損失。在一些危險(xiǎn)區(qū)域如復(fù)雜溶洞、不良地質(zhì)高邊坡、長(zhǎng)大隧道等工點(diǎn)，采用三維激光掃描技術(shù)，一方面設(shè)備輕便，進(jìn)場(chǎng)方便，可以提高安全系數(shù)；另一方面能夠減少作業(yè)人員數(shù)量，在一定程度上減少安全事故發(fā)生，減少人員傷亡的數(shù)量，保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，貴州省高速公路的建設(shè)進(jìn)入了加密路網(wǎng)階段，在今后一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)高和省高的建設(shè)將成為貴州公路建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)，隨著城鎮(zhèn)的發(fā)展與擴(kuò)張，公路建設(shè)也將越來(lái)越緊鄰生產(chǎn)生活密集區(qū)域。本項(xiàng)目的研究成果可以推廣應(yīng)用到這些公路工程建設(shè)中，替代常規(guī)測(cè)量手段，提高精細(xì)化水平，減少浪費(fèi)和返工，精確分析尺寸差異，提高驗(yàn)收檢測(cè)準(zhǔn)確性，提升經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)也為危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)提供了可供選擇的新方案，幫助規(guī)劃工作者做好防災(zāi)規(guī)劃工作，提高項(xiàng)目運(yùn)行效益。