陳奕才，蔡慶軍，蔡文浩，盧建文，崔喜瑩

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司華南分公司，廣東 廣州 510700)

1 BIM+三維掃描技術(shù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用概況

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代中期，由激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展而來(lái)。利用激光測(cè)距原理，通過(guò)將激光投射到相應(yīng)物體，再接收反射的激光，從而快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)。目前，市面上三維激光掃描分為以下幾種：機(jī)載激光掃描系統(tǒng)，主要用于大地測(cè)繪等城市級(jí)別的測(cè)繪工作；地面式激光掃描系統(tǒng)，也是建筑業(yè)最常用的儀器，主要用于建筑物外部、主體結(jié)構(gòu)的復(fù)測(cè)工作；另外還有背包式及手持式激光掃描系統(tǒng)，分別應(yīng)用于規(guī)劃測(cè)繪及工業(yè)領(lǐng)域。相較而言，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在三維掃描技術(shù)上發(fā)展成熟，已形成一定規(guī)模，當(dāng)前較為成熟的三維激光掃描儀主要有Trimble TX8和GX200，Leica Scanstation，Optech Real Work。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在三維掃描技術(shù)上的研究應(yīng)用起步較晚，隨著國(guó)家大力推廣和采用工業(yè)4.0技術(shù)，激光三維掃描儀也遇到了制造業(yè)數(shù)字化水平提升的時(shí)代機(jī)遇。近年來(lái)，三維激光掃描在現(xiàn)場(chǎng)勘察、地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查、室內(nèi)三維環(huán)境重建、古建筑及文物復(fù)原等領(lǐng)域都有著積極的應(yīng)用效果，相信隨著我國(guó)高端制造領(lǐng)域水平的提升，三維激光掃描儀有良好的應(yīng)用前景。

2 工程概況

深圳機(jī)場(chǎng)衛(wèi)星廳及其配套工程位于深圳市寶安區(qū)，占地面積16.3萬(wàn)m2，建筑面積約23.89萬(wàn)m2。本項(xiàng)目致力打造好管、好看、好用的精品工程，工期緊張、承包范圍廣、節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、質(zhì)量要求高、平面復(fù)雜等成為整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施階段的重難點(diǎn)。特別是對(duì)弧形結(jié)構(gòu)行李機(jī)房系統(tǒng)、前期大方量土方測(cè)量、大跨屋蓋結(jié)構(gòu)變形及主體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量控制、施工過(guò)程管控尤為重要。

3 三維掃描技術(shù)的應(yīng)用

三維掃描技術(shù)在建設(shè)工程中的應(yīng)用原理為基于點(diǎn)云模型特性，在現(xiàn)場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)完工后，運(yùn)用三維掃描儀器分不同測(cè)站采集現(xiàn)場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)點(diǎn)云，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行點(diǎn)云處理，得到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)與BIM模型集成、點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)計(jì)算等后期運(yùn)用分析，得到有利于現(xiàn)場(chǎng)施工的數(shù)據(jù)模型或報(bào)告。

基于大型機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程特點(diǎn)，針對(duì)行李系統(tǒng)布置、屋蓋鋼結(jié)構(gòu)變形、大體積土方量測(cè)量、主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制等方面展開(kāi)BIM+三維掃描技術(shù)應(yīng)用。

3.1 基于三維掃描的結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)核

3.1.1技術(shù)應(yīng)用流程

基于三維掃描的結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)核流程如圖1所示。

圖1 基于三維掃描的結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)核流程

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)靶定位，以便后期圓形點(diǎn)云及BIM模型偏差分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況多次采集測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)，后臺(tái)利用Realworks合成并整理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，刪除不必要的數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)靶點(diǎn)及模型坐標(biāo)，拼合BIM模型及點(diǎn)云模型。運(yùn)用Realworks軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)偏差分析，得出偏差報(bào)告、偏差圖等，并運(yùn)用點(diǎn)云模型進(jìn)行其他應(yīng)用。

3.1.2行李系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分析

衛(wèi)星廳項(xiàng)目中央西地下1層為行李機(jī)房，為弧形仿清水混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)柱為圓形或橢圓形，采用傳統(tǒng)方法放樣測(cè)量難度大、誤差大；行李機(jī)房設(shè)備眾多，疊層布置機(jī)電管線(xiàn)穿插其中，使現(xiàn)場(chǎng)排布空間異常狹??；行李機(jī)房弧形結(jié)構(gòu)眾多，深化難度大，采用三維掃描技術(shù)輔助行李系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)核，測(cè)站分布如圖2所示。

圖2 行李系統(tǒng)三維掃描測(cè)站分布

通過(guò)整體三維掃描地下室，避免GPS及傳統(tǒng)測(cè)量的累積誤差，真實(shí)還原地下室完工后的狀態(tài)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比BIM模型，反向修改建筑結(jié)構(gòu)BIM模型，使建筑結(jié)構(gòu)模型與現(xiàn)場(chǎng)一致。調(diào)整機(jī)電模型，避免后期安裝拆改，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供給行李系統(tǒng)單位，用以檢查模型與行李系統(tǒng)的碰撞問(wèn)題，減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量復(fù)核帶來(lái)的工作量，解決弧線(xiàn)軸線(xiàn)及圓柱現(xiàn)場(chǎng)定位難度大的問(wèn)題，從而優(yōu)化管線(xiàn)綜合設(shè)計(jì)方案，通過(guò)平面圖、剖面圖、軸測(cè)圖提高深化設(shè)計(jì)精度，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3.1.3主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量復(fù)核

大型機(jī)場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)面積大、范圍廣、過(guò)程實(shí)測(cè)實(shí)量難度大，本項(xiàng)目指廊局部區(qū)域有2層挑高，質(zhì)量部門(mén)實(shí)測(cè)實(shí)量無(wú)法檢測(cè)驗(yàn)收挑高區(qū)域，傳統(tǒng)測(cè)量需搭設(shè)架體測(cè)量懸空柱及樓板，耗時(shí)久，且存在極大的安全隱患，為此項(xiàng)目通過(guò)三維掃描點(diǎn)云對(duì)比方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)收，避免安全隱患，高效完成實(shí)測(cè)實(shí)量工作。

通過(guò)整體掃描東北指廊，避免傳統(tǒng)測(cè)量手段累積誤差，真實(shí)還原東北指廊主體結(jié)構(gòu)完成后的效果，將Revit導(dǎo)出.dwg格式，導(dǎo)入Realworks軟件中，通過(guò)模型和點(diǎn)云對(duì)比，分析結(jié)構(gòu)水平和垂直位移，通過(guò)點(diǎn)云匹配比對(duì)分析獲取建筑物整體變形信息，得出結(jié)構(gòu)與模型變形量，輔助質(zhì)量部門(mén)進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)實(shí)量及驗(yàn)收，主體結(jié)構(gòu)尺寸偏差分析如圖3所示。

圖3 主體結(jié)構(gòu)尺寸偏差分析

3.2 基于三維掃描的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋變形觀測(cè)

3.2.1鋼結(jié)構(gòu)屋蓋變形觀測(cè)流程(見(jiàn)圖4)

圖4 基于三維掃描的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋變形觀測(cè)流程

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，選取合適站點(diǎn)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行多角度掃描；集成處理掃描的站點(diǎn)點(diǎn)云，獲得新的鋼結(jié)構(gòu)點(diǎn)云模型；比對(duì)鋼結(jié)構(gòu)Tekla模型，分析鋼結(jié)構(gòu)屋蓋變形情況；根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用逆向建模軟件進(jìn)行逆向建模，形成實(shí)體模型；提交金屬屋面、玻璃幕墻的深化設(shè)計(jì)。

3.2.2鋼結(jié)構(gòu)屋面變形觀測(cè)

大型民用機(jī)場(chǎng)由于使用功能要求，往往采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋作為屋面結(jié)構(gòu)。大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工過(guò)程中的受力情況與成型后不同，需考慮結(jié)構(gòu)體系變化，卸載后鋼結(jié)構(gòu)屋蓋變形可能影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)(金屬屋面、玻璃幕墻)的深化設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。為不影響金屬屋面及玻璃幕墻施工，應(yīng)提供金屬屋面及玻璃幕墻準(zhǔn)確的深化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋安裝完成并卸載后，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行三維掃描，獲取鋼結(jié)構(gòu)屋蓋現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于鋼結(jié)構(gòu)有防火要求，鋼結(jié)構(gòu)下方有大量防火網(wǎng)，應(yīng)利用特殊工具快速消除防火網(wǎng)，避免現(xiàn)場(chǎng)其他因素引起鋼結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差，并對(duì)比鋼結(jié)構(gòu)Tekla模型，根據(jù)可視化鋼結(jié)構(gòu)卸載后的變形狀態(tài)，驗(yàn)證其受力體系變化。

基于鋼結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)偏差，重新構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)BIM桿件模型，進(jìn)行金屬屋面及玻璃幕墻深化設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)逆向建模如圖5所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)逆向建模

3.3 基于三維掃描的大體積土方量測(cè)量

3.3.1技術(shù)應(yīng)用流程

大體積土方量測(cè)量流程如圖6所示?，F(xiàn)場(chǎng)選取合適的站點(diǎn)，對(duì)土堆多個(gè)角度進(jìn)行掃描，利用Realworks合成并整理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，刪除無(wú)效的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，選擇需測(cè)量的基準(zhǔn)面，通過(guò)軟件計(jì)算得到土方相對(duì)于基準(zhǔn)面的體積。

圖6 大體積土方量測(cè)量流程

3.3.2土方量測(cè)量

受場(chǎng)地限制，本項(xiàng)目土方共110萬(wàn)m3，引進(jìn)三維激光掃描技術(shù)精確計(jì)算土方，提高效率，通過(guò)合理安排運(yùn)力，消除以往面大地廣測(cè)量取點(diǎn)的誤差。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)掃描合成點(diǎn)云，選取點(diǎn)云完善的區(qū)域進(jìn)行處理，選取基準(zhǔn)面，通過(guò)軟件進(jìn)行計(jì)算，得到點(diǎn)云相對(duì)于基準(zhǔn)面的詳細(xì)數(shù)據(jù)，從而得到土方量數(shù)據(jù)，避免用傳統(tǒng)測(cè)量方法造成的網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)誤差，相比于傳統(tǒng)測(cè)量速度更快、精度更高。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)應(yīng)用三維掃描技術(shù)，減少測(cè)量人員的復(fù)測(cè)工作量，極大地提高工作效率，將掃描后實(shí)體結(jié)構(gòu)真實(shí)反映在模型中，有利于快速對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)各單位高效決策，真正體現(xiàn)BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

2)對(duì)于異形體建筑，BIM+三維掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)已逐步體現(xiàn)，在結(jié)合多個(gè)軟件的交互應(yīng)用方面，可實(shí)時(shí)有效地分析是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，更直觀高效地確定整體布局形式。目前存在的局限性是各軟件互通處理時(shí)間較久、文件較大。

3)實(shí)踐表明，三維激光掃描技術(shù)適用于大型航站樓復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜環(huán)境下大型工程的質(zhì)量精準(zhǔn)分析，對(duì)其他各專(zhuān)業(yè)有極大幫助，但存在互通性差的問(wèn)題。