辛家舜 王孫駿 曹 陽

(上海建工五建集團有限公司，上海 200063)

引言

BIM技術在中國發(fā)展的十幾年間，總體來說是一個加速發(fā)展的過程[1]。歐盟目前正致力于工業(yè)4.0[2]在建筑業(yè)的落地，以數(shù)字孿生[3]等關鍵技術為支撐，并利用 BIM 技術真正實現(xiàn)建筑行業(yè)的現(xiàn)代化。實現(xiàn)數(shù)字化施工，必須采用BIM、云、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、移動互聯(lián)網、人工智能、3D打印機、VR、AR、區(qū)塊鏈以及三維激光掃描技術等新技術，在新設計、新建造和新運維[4]這三個階段發(fā)揮巨大價值。

1 工程概況

徐家匯體育公園建設項目占地面積約127 720.9 m2，建設項目總用地面積115 487.7 m2，包括地上建筑； 建筑面積51 386.4 m2，其中地下室面積64 101.3 m2； 新建綜合體占地面積58 635 m2。項目旨在保留原上海體育場和上海游泳池的主體建筑，同時實施內部改造，建設地下運動基礎設施和室外結構。項目分為三個單元：上海體育館、上海游泳池改造工程和體育綜合體。項目地下室建筑主要配備運動房屋、地下車庫和下沉式廣場。地下室建設主要包括兩部分：上海體育館新增地下室和新建體育綜合體。

上海體育館建于1975 年，建筑面積32 000 m2，主館直徑110 m，高33.62 m[5]。外部改造為：屋面與網架更新，幕墻更新裙房與大臺階重建； 內部改造為：結構加固機電與裝飾更新。上海游泳館建于1982 年，地上四層、平面呈不等邊六角形高30 m、東西93.5 m、南北90 m、周圍有5.5 m寬的挑檐。本項目兩館改建主體結構，部分拆除，部分新建，部分加固，各項工作交錯施工，兩館改建與新建綜合體基坑施工同步進行，周邊環(huán)境復雜，如圖1～圖5所示。本文著重介紹項目施工過程中借助BIM以及三維掃描技術解決以上難點的方法。

圖1 項目效果圖

圖2 體育館改造前圖

圖3 體育館改造后圖

圖4 游泳館改造前圖

圖5 游泳館改造后圖

2 施工BIM綜合應用

2.1 模型深化

本項目涉及多個專業(yè)，深化設計由總承包單位管理，各專業(yè)承包單位直接進行本專業(yè)圖紙的深化。從不同專業(yè)的深化圖紙來看，深化完成的圖紙可以滿足各專業(yè)的要求，但與其他專業(yè)的合作往往有限。因此，由總承包商負責各部門之間的詳細協(xié)調尤為關鍵。

在結構深化工作中，著重對結構留洞及梁加腋位置進行重點排查，向設計單位提交多份軟、硬碰撞報告，在現(xiàn)場施工前解決大量專業(yè)內圖紙問題。項目經過多次改建，將BIM模型分為兩塊：其一是施工前通過原始圖紙，結合現(xiàn)場踏勘進行的原始土建模型，并通過三維掃描復核模型的準確性； 其二是依據(jù)本項目施工圖改建完成后的新建模型。通過模型為交流載體，對建筑的拆除及加固方案進行討論優(yōu)化，在施工過程中確保結構安全穩(wěn)定，兩館BIM模型如圖6～9所示。

圖6 體育館原始模型

圖7 體育館改建模型

圖8 游泳館原始模型

圖9 游泳館改建模型

2.2 圖紙優(yōu)化

創(chuàng)建各專業(yè) BIM 模型后，模型會被劃分為多個區(qū)域，并逐一檢查各個區(qū)域、多專業(yè)間碰撞及設備安裝空間不足、凈高不足和空間不滿足使用需求等問題，然后整理報告，流轉設計，最后由設計給出回復意見,參與者根據(jù)這些問題更新設計圖紙，再更新 BIM 模型以進行聯(lián)合驗證。這樣可以集成平臺信息和數(shù)據(jù)，通過BIM 協(xié)同管理平臺實現(xiàn)完全共享，能夠保證圖紙質量并解決施工階段存在的諸多問題。例如，本項目新建綜合體弧形屋面發(fā)現(xiàn)起坡點建筑與結構不一致，最后由設計給出回復，如圖10所示。

圖10 弧形屋面起坡點面

2.3 鋼結構深化設計

本項目采用自動生成的深化圖紙的方式，圖紙中需補充說明用于加工和安裝的輔助數(shù)據(jù)，并對安裝節(jié)點的構件進行編號。

本工程原體育館網結構為三向普通三角桁架體系，由邊長6.111 m、網狀結構高度6 m、中心拱2.5 m的三角網格和930只鋼球組成； 體育館新建網架由中心環(huán)和36榀徑向主桁架組成，主桁架之間共設置由9組環(huán)向桁架； 主桁架自身高度5.800 m，支撐于原結構36根混凝土柱頂，環(huán)向桁架最小半徑11.423 m，最大半徑58.650 m。

游泳館原屋頂結構形式為三向三角形網架結構，網架高度最大為7.6 m。網架總重量約為420 t； 新建網架外形尺寸與原網架相同，邊緣根據(jù)建筑改為圓角。新建結構重量約為800t。游泳館改造去除比賽功能，拆除原有看臺，增設二層至四層內部功能空間。兩館改造前后網架效果對比如圖11～圖14所示。

圖11 體育館原網架

圖12 體育館新建網架

圖13 游泳館原網架

圖14 游泳館新建網架

本項目兩館拆除的難點：網架結構跨度大(其中體育館要達到110 m)，施工機械布置困難； 網架面積大(體育館+游泳館約2萬m2)，重量重(超1 000 t)，拆除困難； 拆網架屬于高空作業(yè)，安全防護設置存在困難。新建的難點：體育館新網架屬于桁架結構，桁架尺寸大(高度6 m)，超寬構件運輸困難； 鋼桁架(桁架)安裝高度難以精確控制以及焊接質量控制難以保證； 兩館新建都需使用大量施工腳手架，對地面要求高。體育館使用609鋼管以及盤扣式腳手架作為支撐體系，609臨時支撐體系[6]搭設完成后，再施工館內滿堂支撐腳手架。體育館中內側滿堂腳手架縱橫距1.2 m，步距1.5 m，面積約10 000 m2，高度26 m。609臨時支撐系統(tǒng)單支撐高度高，整體穩(wěn)定性難以滿足要求。通過水平結構，將獨立支撐形成支撐系統(tǒng)，提高整體的穩(wěn)定性。借助BIM技術模擬鋼結構方案，利用模型指導現(xiàn)場施工，確保結構安全。場館支撐系統(tǒng)如圖15～圖16所示。

圖15 體育館支撐系統(tǒng)

針對游泳館網架的拆除采取相應措施：在泳池及跳水池設置22組中間支承架和M60滿堂盤扣架作為臨時支撐系統(tǒng)，設置上弦預制馬道平臺，馬道操作平臺通長設置2道，上弦馬道平臺為統(tǒng)一規(guī)格，10.3 m長或5.15 m長，每座重約0.6 T(0.3 T)，馬道操作平臺如圖17所示。

游泳館網架的散拆步驟：依次切割下弦、腹桿和上弦桿件，利用繩索放至地面，將爬梯依次吊離； 吊鉤綁扎固定，錐體切割前，在上弦桿件加焊限位板，錐體采用三點吊裝； 拉起連橋，切割下弦及腹桿，固定纜風繩，切割腹桿上端，切割上弦聯(lián)桿，慢松纜風繩，讓錐體略向外旋轉，穩(wěn)定后吊至地面，通過Tekla完成建模深化與定位，如圖18所示。

圖18 游泳館網架拆除措施

2.4 復雜節(jié)點與施工方案模擬

(1)復雜節(jié)點模擬

體育館原結構框架柱須保留并進行加固，梁柱連接處節(jié)點復雜。BIM團隊通過對節(jié)點建模與設計院、深化單位、同濟大學加固專家、現(xiàn)場的鋼筋工及木工等班組長共同制定節(jié)點加固方案，以確保結構改造安全。對于特殊構造形態(tài)，二維圖紙很難向班組表述清楚，模型便是最好的解決問題的手段。

采用BIM技術深化節(jié)點可以避免傳統(tǒng)的設計深度問題，協(xié)調在設計與施工階段信息資料的一致性。BIM的信息集成能力能夠使特定的設計需求獲得更細致的表現(xiàn)細節(jié)。另外，3D建模可以用來模擬施工計劃，預測和預處理施工過程、位置、進度和難度級別，以提高整體項目利潤，體育館結構框架柱復雜節(jié)點模擬如圖19所示。

圖19 梁柱連接節(jié)點模型

(2)施工方案模擬

創(chuàng)建BIM施工方案與工藝流程模擬以查找施工沖突。在BIM 4D[7]中對施工過程進行仿真時，將仿真結果轉化為施工動畫，并將動畫結果與施工現(xiàn)場進行對比進行演示。將時間信息插入動態(tài)3D 模型，鏈接構建計劃，并將構建過程中的每個作業(yè)視為虛擬構建過程的可視化組件。將BIM技術和施工進度相結合，把控關鍵施工節(jié)點，進行虛擬建造，提前預知問題、解決問題，確保施工連續(xù)性，保障施工進度。

本項目游泳館滿堂腳手架的排布：游泳館舊網架拆除階段在兩側看臺及中間泳池位置分別搭設滿堂腳手架作為拆除支撐。新網架安裝階段在兩側框架結構頂板上搭設滿堂腳手架，中間泳池位置滿堂腳手架不作拆除。通過 Revit 建模導入 Fuzor，給組件時間，最后形成創(chuàng)建動畫模擬的過程，拆除和新建腳手架如圖20～圖21所示。

圖20 游泳館拆除滿堂腳手架

圖21 游泳館新建滿堂腳手架

游泳館舊網架拆除采用300 t汽車吊與ST6015及ZJ6018塔吊，自北向南，逐條拆除，每次拆除一個三角小單元。拆解雙球錐體單元，重量1.3-1.8T，采用三根5T吊裝帶； 標準四球錐體，重量2.5-3.2T，采用四根5T吊裝帶，施工方案模擬如圖22所示。

圖22 游泳館拆解雙球錐體單元

3 三維激光掃描技術

3.1 三維掃描概況

3D激光掃描技術也被稱為“實景復制技術”[8]。在上海體育館、上海游泳館改造及新建體育綜合體項目中采用三維激光掃描技術，對施工過程中的建筑物體進行真彩色三維掃描，高精度采集現(xiàn)場真實坐標數(shù)據(jù)及紋理信息，其輸出的三維格式點云可以直接插入到Revit軟件中進行真實場景的三維建模，也可以將現(xiàn)場土建及鋼結構的點云數(shù)據(jù)與設計的BIM模型做對比分析及干涉檢查，實現(xiàn)建筑施工的精度檢測、BIM模型調整及現(xiàn)場安裝指導，優(yōu)化管線排布方案。對改造后的建筑體及機電管線進行全方位掃描的三維點云，也可作為竣工驗收及后期維護的重要依據(jù)。

上海體育館、上海游泳館改造及新建體育綜合體項目可用場地非常有限，且場地主要為場館改造和新建，大面積三維掃描，直接影響到周邊工作的進度。為如期完成竣工目標，對掃描精度和施工組織安排提出了更高的要求。在施工場地內選擇四處相互通視且基礎穩(wěn)定的位置，設置場區(qū)固定測量控制點，形成上海體育館、上海游泳館改造及新建體育綜合體項目三維掃描控制網，以便后續(xù)測量控制的統(tǒng)一性和穩(wěn)定性，兩館三維掃描點云如圖23～圖26所示。

圖23 體育館整體掃描點云

圖24 游泳館整體掃描點云

圖25 體育館夾層梁掃描點云

圖26 游泳館內部掃描點云

3.2 三維掃描內外業(yè)處理工作

(1)外業(yè)工作

為了更準確地捕捉點云和BIM模型，本項目使用全站儀測量建筑坐標系和數(shù)字化坐標系。作為永久控制點，至少在待測對象周圍放置四個控制點，并使用全站儀測量施工坐標。每個目標的坐標與從掃描儀獲得的各個目標點的坐標相結合，控制掃描儀的局部坐標。擴展目標時，參考球必須在兩個掃描站之間居中。兩個站之間至少需要三個可見的參考球，參考球體和站點在等邊三角形附近形成分布。參考球體之間必須有一定的距離。參考球和設備之間的距離取決于掃描儀的分辨率設置。紙張的目標布局與掃描儀的視角垂直，距離在10 m以內控制。

(2)內業(yè)工作

實地勘察完成后，使用掃描儀的關鍵是處理內部點云數(shù)據(jù)。根據(jù)從掃描儀和全站儀接收到的點坐標數(shù)據(jù)，將其導入適當?shù)狞c云處理軟件中。

項目使用FARO SCENE軟件進行點云過濾、顏色匹配和拼接等。將原始數(shù)據(jù)從SD卡導入計算機并在SCENE 中打開，選擇預處理命令完成過濾、目標搜索、顏色匹配、拼接和項目工作區(qū)生成等過程，獲取即時的黑白或彩色點云，將全站儀獲得的數(shù)據(jù)導入掃描簇進行外部參考控制，并將坐標轉換為所需的坐標系。軟件中的特殊計算方法優(yōu)化了掃描數(shù)據(jù)，從而自動去除不合理的噪聲點，還可以在掃描過程中手動去除行人、車輛和其他人為噪聲，以獲得干凈清晰的3D 點云數(shù)據(jù)，從而獲得點云過濾器。通過三維點云的全景照片選取3個以上的特征點，然后在BIM模型中提取對應特征點的位置，通過scene注冊功能，將整體點云坐標轉換到BIM模型坐標系當中，完成坐標轉換，便于后期進行偏差分析及碰撞分析。

將拼接完整的點云及設計的BIM模型同時導入Geomagic Control軟件中進行配準并做對比偏差分析，鋼結構精度分析如圖27所示。

圖27 鋼結構精度分析

由于土建施工及鋼結構安裝會有誤差，用FARO三維掃描儀掃描幕墻承重結構，與設計模型配準，進行精度分析，以點云數(shù)據(jù)為基礎逆向建立承重結構及幕墻的真實施工模型，形成最終可施工的模型成果，指導工廠精確生產及現(xiàn)場精準安裝。

利用FARO As-Built for Autodesk Revit[9]插件可以直接在Revit點云中創(chuàng)建三維模型，墻壁、管道和結構要素如橫梁和立柱可以快速而準確地創(chuàng)建，如圖28所示。

圖28 鋼結構精度分析

利用點云和Revit模型進行墻體的平整度分析，對比結構可導出為剖面線，如圖29所示。

圖29 墻體平整度分析

(3)三維掃描頻率

針對體育館和游泳館改造施工工序，項目擬定以下掃描頻率：體育館主要體現(xiàn)屋面網架的撤除和安裝改造，項目準備在舊網架撤除前掃描——撤除過程中掃描——屋面安裝完成后掃描三個階段；

游泳館主要體現(xiàn)屋面網架安裝改造(空中拼接工序)，按照施工工序，在網架拼裝前掃描——拼裝過程中掃描——屋面完成后掃描三個階段。兩個場館的施工工序和工作的重點不同，掃描的內容及成果的側重點也不相同。

體育館：第一階段為在舊網架撤除前，將整個場館全面掃描(重點為網架掃描)，將掃描的點云數(shù)據(jù)與有的BIM模型對比，比對出局部或整體結構的差異，同時也為撤除和安裝過程建立了實際現(xiàn)狀模型； 第二階段為整體或局部掃描，形成實體點云數(shù)據(jù)，通過點云數(shù)據(jù)比對設計模型，可以檢核安裝過程的全程質量，為技術變更提供依據(jù)； 第三階段為驗收階段，整體結構掃描，形成最終的點云數(shù)據(jù)和實體模型，與原有、設計、撤除前模型比對，分析結構差異性，同時為運營提供了相關數(shù)據(jù)。

游泳館：在空中拼接構件前掃描，建立初次實際點云模型，與原有模型比對，檢核原有模型的差異性，為設計提供實際數(shù)據(jù)； 過程掃描階段為檢核拼裝的質量為技術變更提供依據(jù)和指導； 待腳手架和支撐全部撤除后再整體掃描，形成最終模型，比對和分析整體變形以及為運營提供后期數(shù)據(jù)。

3.3 模型配準

首先在scene提取柱中子中心部位至少3個特征點，按順序命名，然后在Revit模型中提取相應部位的三維坐標，并以相同的名稱命名，利用強制匹配功能將點云的獨立坐標轉換成與BIM模型一致的坐標系，最終匹配精度5 mm以內。平面坐標匹配用于分析平面位置偏差，高程由于現(xiàn)場和模型存在差異，需要單層配準?，F(xiàn)場一層地面不平整，高差最大有20公分誤差，實際地面中心點與夾層地面的高差約為3.4 m，BIM模型中一層地面到夾層高差為3.55 m。最終將夾層點云的地面高程設置為3.55(與BIM模型夾層地面高程一致)，一層地面中心點高程為0.15左右，以便分析夾層梁柱的位置偏差，如圖30所示。

圖30 夾層梁柱分析

通過BIM模型導出dxf格式，實體選擇多邊形網格，單位選擇米，坐標選擇共享坐標。然后將dxf格式模型導入3Dmax，再導出obj格式模型，最后將obj模型和點云導入Geomagic control軟件，兩者精確對齊借助于轉化后的統(tǒng)一坐標體系。技術人員經過多次測試，發(fā)現(xiàn)通過以上方法和軟件對模型和點云進行導入和導出可以避免構件信息的缺失，保證模型和點云的完整性。

關于點位的一致性，通過在Revit中導出模型時選擇共享坐標，點云在內業(yè)處理是通過處理軟件選擇超過三個特征進行匹配，導出點云模型的時候將包含坐標信息，就可以保證與BIM模型的坐標一致性。如圖31～圖32所示。

圖31 體育館BIM模型

圖32 體育館點云模型

通過模型配準，點云完整、真實復制現(xiàn)場情況，全方位查看現(xiàn)場、使現(xiàn)場測量尺寸數(shù)據(jù)化。多階段三維掃描，記錄施工過程、進行隱蔽查看，用于資料留檔，同時在竣工后用于質量驗收。通過提取點、線、面，可以得到施工現(xiàn)場的實際情況，兩館的模型配準效果如圖33～圖34所示。

圖33 體育館模型配準

圖34 游泳館模型配準

3.4 偏差分析

本項目將模型設為參考，將點云設為測試，點擊分析-3D比較，實時監(jiān)測改造過程中的結構變形，確保改造結構安全，如圖35～圖36所示。

圖35 體育館3D偏差分析

圖36 游泳館3D偏差分析

針對兩館，技術人員通過軟件在不同高程處生成橫截面，進行2D比較，查看并測量點云和模型的位置偏差。發(fā)現(xiàn)體育館內圈層柱位偏差較大，其它柱位基本一致，夾層梁位置存在一定偏差； 游泳館柱位置基本一致，現(xiàn)場較模型缺少部分柱，位于游泳池周圍。將點云插入Revit當中，利用剖面觀察偏差，并修改模型位置，土建模型基于結構、建筑設計圖紙翻模得出，與施工現(xiàn)場情況存在一定的偏差，如不校正模型，無法用于后續(xù)鋼結構、機電、消防等專業(yè)深化，借助偏差分析調整BIM模型使其能夠用于現(xiàn)場施工借鑒，如圖37～圖38 所示。

圖37 體育館夾層梁位置偏差

圖38 游泳館柱位置偏差

將體育館二層圓心及柱子平面圖打開，插入rcs格式點云，將現(xiàn)場掃描的點云圓心位置與平面圖的圓心位置套合，以圓心做為旋轉中心將點云旋轉至柱子對齊處，并分析柱子平面位置偏差，如圖39～圖40所示。

圖39 體育館rec格式點云

圖40 體育館柱位置分析

3.5 點云與BIM管線碰撞分析

體育館和游泳館建成后經過多次改建，機電管線施工可利用空間較小，拆除、加固和新建穿插作業(yè)多，加固新建節(jié)點相交，施工工況復雜，針對上述問題，將Revit機電模型生成nwc格式，打開 Navisworks 軟件，附加點云進行碰撞分析，并根據(jù)點云調整機電模型，優(yōu)化管線排布方案。

根據(jù)現(xiàn)場掃描報告調整機電，再次掃描復核； 對依舊有偏差的管道調整掃描，直到所有管道滿足要求，才能封模板； 出具項目管線精度報告，報告中包括掃描區(qū)域、掃描管線編號、偏差值描述、BIM模型與點云掃描數(shù)據(jù)偏差疊合圖，并標號標識； 混凝土澆筑與鋼結構吊裝完成后進行管道位置的最終驗證； 同區(qū)域多次掃描數(shù)據(jù)對比，在精度范圍內的管線是否掃描數(shù)據(jù)無偏差，最終形成數(shù)據(jù)閉合，點云與BIM管線碰撞分析如圖41所示。

圖41 體育館點云與機電模型碰撞分析

MEP模型調整及安裝指導由于土建施工的誤差會影響后期MEP的安裝，用FARO三維掃描儀掃描土建部分精確尺寸，與設計BIM模型配準，以點云為基礎，調整設計模型，優(yōu)化管線排布方案，對主要管道系統(tǒng)進行建模，進行碰撞檢驗，優(yōu)化MEP系統(tǒng)，也可以使用DWG文件進行交流[10]，施工交底、施工模擬，如圖42所示。

圖42 模型調整

3.6 幕墻安裝指導

由于土建施工及鋼結構安裝會有誤差，用三維掃描儀掃描幕墻承重結構，與設計模型配準，進行精度分析，以點云數(shù)據(jù)為基礎逆向建立承重結構及幕墻的真實施工模型，形成最終可施工的模型成果，指導工廠精確生產及現(xiàn)場精準安裝，如圖43～圖44所示。

圖43 拼接后完成三維點云

圖44 逆向生成真實模型

3.7 GRG裝飾材料加工及安裝精度檢查

GRG是預鑄式玻璃纖維加強石膏板[11]，它是一種特殊裝飾改良纖維石膏裝飾材料，造型的隨意性使其成為要求個性化的建筑師的首選，它獨特的材料構成方式足以抵御外部環(huán)境造成的破損、變形和開裂。根據(jù)加工精度及尺寸大小，可采用大空間三維掃描儀和手持掃描儀對裝飾材料生產過程中的模具、成品進行掃描及精度檢查。具體操作流程：模具掃描——模具精度分析及調整——成品掃描——成品精度分析，如圖45～圖46所示。

圖45 掃描模型

圖46 精度檢查

4 總結

上海市徐家匯體育公園兩館一建項目利用BIM技術結合三維掃描技術，解決了主體結構拆除改建以及與改建項目機電深化的結合。鋼結構與混凝土部分拆除和保留復雜區(qū)域的三維掃描，多次進行掃描與復核誤差控制，將理論模型與現(xiàn)場實際模型深度結合，偏差分析后進行現(xiàn)場整改。采用BIM+三維掃描的精細化控制，最終提升項目施工精度。

根據(jù)不同工況多次進行側重點掃描，制定可靠性與可行性兼?zhèn)涞氖┕し桨福Y合機電管道碰撞分析，為改造項目的安裝專業(yè)工作節(jié)省了大量時間，有效提高了本次工程的建設施工安全質量。本項目通過BIM技術優(yōu)化了現(xiàn)場管理方式，提高了生產效率，使施工方案評審更加直觀，體現(xiàn)了本工程的領先性與創(chuàng)新性。