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        BIM+三維掃描技術(shù)在大型機場施工監(jiān)測中的應用

        2022-10-10 07:16:30陳奕才蔡慶軍蔡文浩盧建文崔喜瑩
        施工技術(shù)(中英文) 2022年17期
        關(guān)鍵詞:屋蓋土方鋼結(jié)構(gòu)

        陳奕才,蔡慶軍,蔡文浩,盧建文,崔喜瑩

        (中國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)國內(nèi)外應用概況

        1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

        三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)于20世紀90年代中期,由激光雷達技術(shù)發(fā)展而來。利用激光測距原理,通過將激光投射到相應物體,再接收反射的激光,從而快速復建出被測目標的空間點云數(shù)據(jù)。目前,市面上三維激光掃描分為以下幾種:機載激光掃描系統(tǒng),主要用于大地測繪等城市級別的測繪工作;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)的復測工作;另外還有背包式及手持式激光掃描系統(tǒng),分別應用于規(guī)劃測繪及工業(yè)領(lǐng)域。相較而言,歐美發(fā)達國家在三維掃描技術(shù)上發(fā)展成熟,已形成一定規(guī)模,當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 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

        我國在三維掃描技術(shù)上的研究應用起步較晚,隨著國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)字化水平提升的時代機遇。近年來,三維激光掃描在現(xiàn)場勘察、地質(zhì)災害的調(diào)查、室內(nèi)三維環(huán)境重建、古建筑及文物復原等領(lǐng)域都有著積極的應用效果,相信隨著我國高端制造領(lǐng)域水平的提升,三維激光掃描儀有良好的應用前景。

        2 工程概況

        深圳機場衛(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m2,建筑面積約23.89萬m2。本項目致力打造好管、好看、好用的精品工程,工期緊張、承包范圍廣、節(jié)點復雜、質(zhì)量要求高、平面復雜等成為整個項目實施階段的重難點。特別是對弧形結(jié)構(gòu)行李機房系統(tǒng)、前期大方量土方測量、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、施工過程管控尤為重要。

        3 三維掃描技術(shù)的應用

        三維掃描技術(shù)在建設(shè)工程中的應用原理為基于點云模型特性,在現(xiàn)場主體結(jié)構(gòu)完工后,運用三維掃描儀器分不同測站采集現(xiàn)場主體結(jié)構(gòu)點云,運用專業(yè)軟件進行點云處理,得到現(xiàn)場數(shù)據(jù),并通過與BIM模型集成、點云幾何數(shù)據(jù)計算等后期運用分析,得到有利于現(xiàn)場施工的數(shù)據(jù)模型或報告。

        基于大型機場建設(shè)工程特點,針對行李系統(tǒng)布置、屋蓋鋼結(jié)構(gòu)變形、大體積土方量測量、主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制等方面展開BIM+三維掃描技術(shù)應用。

        3.1 基于三維掃描的結(jié)構(gòu)尺寸復核

        3.1.1技術(shù)應用流程

        基于三維掃描的結(jié)構(gòu)尺寸復核流程如圖1所示。

        圖1 基于三維掃描的結(jié)構(gòu)尺寸復核流程

        進行現(xiàn)場坐標點標靶定位,以便后期圓形點云及BIM模型偏差分析。根據(jù)現(xiàn)場情況多次采集測站點云數(shù)據(jù),后臺利用Realworks合成并整理點云數(shù)據(jù),刪除不必要的數(shù)據(jù),根據(jù)現(xiàn)場標靶點及模型坐標,拼合BIM模型及點云模型。運用Realworks軟件進行結(jié)構(gòu)偏差分析,得出偏差報告、偏差圖等,并運用點云模型進行其他應用。

        3.1.2行李系統(tǒng)監(jiān)測分析

        衛(wèi)星廳項目中央西地下1層為行李機房,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)方法放樣測量難度大、誤差大;行李機房設(shè)備眾多,疊層布置機電管線穿插其中,使現(xiàn)場排布空間異常狹?。恍欣顧C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)場結(jié)構(gòu)尺寸復核,測站分布如圖2所示。

        圖2 行李系統(tǒng)三維掃描測站分布

        通過整體三維掃描地下室,避免GPS及傳統(tǒng)測量的累積誤差,真實還原地下室完工后的狀態(tài),通過點云數(shù)據(jù)對比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)場一致。調(diào)整機電模型,避免后期安裝拆改,將點云數(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)的碰撞問題,減少現(xiàn)場測量復核帶來的工作量,解決弧線軸線及圓柱現(xiàn)場定位難度大的問題,從而優(yōu)化管線綜合設(shè)計方案,通過平面圖、剖面圖、軸測圖提高深化設(shè)計精度,更好地指導現(xiàn)場施工。

        3.1.3主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量復核

        大型機場主體結(jié)構(gòu)面積大、范圍廣、過程實測實量難度大,本項目指廊局部區(qū)域有2層挑高,質(zhì)量部門實測實量無法檢測驗收挑高區(qū)域,傳統(tǒng)測量需搭設(shè)架體測量懸空柱及樓板,耗時久,且存在極大的安全隱患,為此項目通過三維掃描點云對比方式進行結(jié)構(gòu)驗收,避免安全隱患,高效完成實測實量工作。

        通過整體掃描東北指廊,避免傳統(tǒng)測量手段累積誤差,真實還原東北指廊主體結(jié)構(gòu)完成后的效果,將Revit導出.dwg格式,導入Realworks軟件中,通過模型和點云對比,分析結(jié)構(gòu)水平和垂直位移,通過點云匹配比對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)量部門進行結(jié)構(gòu)實測實量及驗收,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

        3.2.1鋼結(jié)構(gòu)屋蓋變形觀測流程(見圖4)

        圖4 基于三維掃描的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋變形觀測流程

        根據(jù)現(xiàn)場施工情況,選取合適站點,對鋼結(jié)構(gòu)進行多角度掃描;集成處理掃描的站點點云,獲得新的鋼結(jié)構(gòu)點云模型;比對鋼結(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,運用逆向建模軟件進行逆向建模,形成實體模型;提交金屬屋面、玻璃幕墻的深化設(shè)計。

        3.2.2鋼結(jié)構(gòu)屋面變形觀測

        大型民用機場由于使用功能要求,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結(jié)構(gòu)(金屬屋面、玻璃幕墻)的深化設(shè)計及現(xiàn)場施工。為不影響金屬屋面及玻璃幕墻施工,應提供金屬屋面及玻璃幕墻準確的深化設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        當鋼結(jié)構(gòu)屋蓋安裝完成并卸載后,對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進行三維掃描,獲取鋼結(jié)構(gòu)屋蓋現(xiàn)場點云數(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),應利用特殊工具快速消除防火網(wǎng),避免現(xiàn)場其他因素引起鋼結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)誤差,并對比鋼結(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),驗證其受力體系變化。

        基于鋼結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)偏差,重新構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)BIM桿件模型,進行金屬屋面及玻璃幕墻深化設(shè)計,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量

        3.3.1技術(shù)應用流程

        大體積土方量測量流程如圖6所示。現(xiàn)場選取合適的站點,對土堆多個角度進行掃描,利用Realworks合成并整理點云數(shù)據(jù),刪除無效的點云數(shù)據(jù)后,選擇需測量的基準面,通過軟件計算得到土方相對于基準面的體積。

        圖6 大體積土方量測量流程

        3.3.2土方量測量

        受場地限制,本項目土方共110萬m3,引進三維激光掃描技術(shù)精確計算土方,提高效率,通過合理安排運力,消除以往面大地廣測量取點的誤差。

        通過現(xiàn)場掃描合成點云,選取點云完善的區(qū)域進行處理,選取基準面,通過軟件進行計算,得到點云相對于基準面的詳細數(shù)據(jù),從而得到土方量數(shù)據(jù),避免用傳統(tǒng)測量方法造成的網(wǎng)格統(tǒng)計誤差,相比于傳統(tǒng)測量速度更快、精度更高。

        4 結(jié)語

        1)通過應用三維掃描技術(shù),減少測量人員的復測工作量,極大地提高工作效率,將掃描后實體結(jié)構(gòu)真實反映在模型中,有利于快速對比分析,實現(xiàn)各單位高效決策,真正體現(xiàn)BIM技術(shù)的優(yōu)勢。

        2)對于異形體建筑,BIM+三維掃描技術(shù)的優(yōu)勢已逐步體現(xiàn),在結(jié)合多個軟件的交互應用方面,可實時有效地分析是否滿足設(shè)計要求,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間較久、文件較大。

        3)實踐表明,三維激光掃描技術(shù)適用于大型航站樓復雜結(jié)構(gòu)、復雜環(huán)境下大型工程的質(zhì)量精準分析,對其他各專業(yè)有極大幫助,但存在互通性差的問題。

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