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)
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。
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。
3.1.1 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。
3.2.1 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。
3.3.1 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。
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)。
“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。
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。