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)
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。
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。
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。
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。
3.1.1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,解決弧線軸線及圓柱現(xiàn)場(chǎng)定位難度大的問(wèn)題,從而優(yōu)化管線綜合設(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
3.2.1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
3.3.1技術(shù)應(yīng)用流程
大體積土方量測(cè)量流程如圖6所示。現(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。
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)其他各專業(yè)有極大幫助,但存在互通性差的問(wèn)題。