三維掃描結合BIM技術在玻璃幕墻工程中的應用

李璐

摘要：隨著科技的不斷進步，三維掃描技術與BIM技術作為兩種先進科學技術，其在玻璃幕墻工程中的應用，既是時代發展的必然趨勢，也是玻璃幕墻工程發展的實際需要。在兩種技術的結合應用情況下，玻璃幕墻工程數據采集更加及時、完整、有效，數據資源整合利用率更高，為模型的構建與分析提供了重要的數據支持。本文主要闡述了三維掃描與BIM技術在幕墻工程中的應用現狀，在玻璃幕墻工程中的具體應用與應用的必要性，并對這兩種技術在幕墻行業的未來發展趨勢進行了展望。

Abstract： With the constant progress of science and technology， the application of 3D scanning technology and BIM technology in glass curtain wall engineering is not only the inevitable trend of the times， but also the actual needs of glass curtain wall engineering development. By the combination of the two kinds of technology， glass curtain wall engineering data collection has become more timely， complete and effective， and the data resources utilization becomes higher， providing important data support for the construction and analysis of the model. This article mainly expounds the application status of 3D scanning with BIM technology in the curtain wall engineering， the concrete application and the application necessity in glass curtain wall engineering. And the development trend of the two technologies in curtain wall industry is prospected.

關鍵詞：三維掃描；BIM技術；玻璃幕墻工程；應用

Key words： 3D scanning；BIM technology；glass curtain wall engineering；application

中圖分類號：TU17 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0149-03

0 引言

近年來，伴隨工程信息化程度的不斷提高，3D建模技術、三維掃描、BIM技術開始在建筑領域中滲透。玻璃幕墻工程作為建筑工程的一個重要分支，以往在施工過程中，由于受技術水平的限制，其模型建立往往缺乏適用性與有效性，且數據采集、整理與分析低效，難以為工程方案設計提供必要的數據信息。而三維掃描與BIM技術的引入，使得施工圖紙、模型構建與分析更加直觀清晰、精確。因此，研究這兩種技術在玻璃幕墻工程中的應用非常重要。

1 三維掃描與BIM技術在幕墻工程中的應用現狀

三維掃描憑借大面積、高分辨率的成像來實現對建筑全景的復制，并向建筑結構分析提供所需三維點云數據，而在幕墻工程中得了廣泛的應用。目前，三維掃描在幕墻工程中的應用大多是與BIM技術相互結合使用[1]。BIM技術自出現起，就受到了許多專家學者的高度關注與重視，并隨著技術實踐與應用范圍的日益廣泛，開始逐漸由理論轉向工程技術應用。如李艷妮對BIM技術結合軟件建模進行了相關研究，從模型中獲取建筑結構信息，實現了對建筑結構的可視化與定量分析；鄭聰從設計與數據處理方面，將BIM技術與集成化設計相融合，并對其在工程應用中的優勢進行了分析；王寶龍通過對某傳媒中心幕墻工程施工BIM建模、參數設計及數據處理等的研究，對BIM技術適用于復雜造型幕墻工程施工設計進行了實證分析；劉桁通過對上海中心大廈幕墻工程設計、施工對BIM技術的使用情況的介紹，強調了BIM技術在幕墻工程領域的應用價值與廣闊前景；張鵬等人借助軟件對BIM技術在成都大魔方售樓工程的外立面幕墻施工中的應用進行了研究，實現了對幕墻施工方案的優化[2]。整理看來，三維掃描與BIM技術在幕墻工程中的應用情況目前處于良好發展態勢。

2 三維掃描與BIM技術在雙曲面玻璃幕墻工程中的應用

2.1 三維掃描與BIM在雙曲面玻璃幕墻工程中應用的必要性

三維掃描目前應用于工程領域的掃描方式主要有全景掃描和三維激光掃描兩種。其中，全景掃描通過采用高像素數碼相機來采集一系列圖像序列，然后經軟件匹配拼接處理，最終形成一個完整的全景圖像[3]。該圖像含有坐標數據與測量數據，能夠直接與BIM模型進行比對，從而找出工程設計效果與實際完成效果之間的差異，實現對工程設計方案的優化。三維激光掃描通過高速激光掃描測量來大面積獲取被測對象的三維坐標數據，具有高精度、高效率等特點，適用于高精度、高分辨率數字模型的獲取。

與平面玻璃幕墻施工不同，雙曲面玻璃幕墻工程在實際施工過程中往往難度大、造型結構復雜、存在較大弧度、生產加工周期長、成本高，尤其是大面積雙曲面玻璃幕墻施工。如果單純的采用傳統加工技術將無法實現雙曲面玻璃幕墻建設，因而必須借助現代化信息技術。實踐應用表明，三維掃描與BIM技術在雙曲面玻璃幕墻工程中的應用，可以有效解決上述技術難題[4]。因為三維掃描技術通過成像設備在施工現場獲取大量圖像序列，克服了實景坐標數據及各測量數據獲取難題，而BIM技術的使用則克服了實景模型的建立與分析難題，使得雙曲面玻璃幕墻建設得以實現，可以說三維掃描與BIM技術是雙曲面玻璃幕墻建設得以實現的重要保障與技術支撐。因此，將兩者應用在雙曲面玻璃幕墻工程中非常必要與重要。

2.2 三維掃描與BIM在雙曲面玻璃幕墻工程中的具體應用

2.2.1 工程概況

某建筑工程結構設計正立面呈圓形，側立面為橢圓形，建筑功能包括商務中心、辦公、管理機房、客房、地下車庫等，外形結構如圖1。由于外形設計特殊，每層平面橢圓隨著角度的轉變而逐層漸變，從而構成了雙曲面玻璃幕墻式外立面。主樓幕墻工程采用鋼管龍骨支撐系統，豎向主龍骨采用圓形鋼管，橫向龍骨采用鋁合金型材，玻璃面板采用中空鋼化夾膠暖邊玻璃[5]。基于建筑結構外立面造型為雙曲面玻璃幕墻，施工難度極大，存在的主要施工難點有結構復雜、建筑每層平面橢圓均不相同，外立面整體呈弧形變化，玻璃縫隙豎向貫通要求連續，但這樣會使豎向龍骨弧度與雙曲面玻璃造型無法一致，進而無法與幕墻玻璃緊密接合。基于這些問題與難點的存在，如果沒有先進技術作為支撐整個幕墻工程基本難以實現。

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2.2.2 三維掃描與BIM技術的具體應用

結合該工程平面玻璃逐層變化及雙曲面結構特點，考慮到雙曲面幕墻玻璃對測量精度要求高，本文決定采用三維掃描結合BIM技術來對幕墻工程進行設計與施工，三維激光掃描儀選用Focus3D激光掃描儀[6]。這種三維激光掃描儀水平掃描視野360°，垂直掃描視野305°，可以將被掃描對象信息轉換成三維點云數據，擁有12.2×103點/s（慢速）、24.4×103點/s（中速）、48.8×103點/s（快速）和97.6×103點/s（高速）四種測量速度。

首先，建立高精度控制網，然后利用三維掃描技術對整個建筑玻璃幕墻進行掃描，以獲取玻璃幕墻所有圖像信息，包括各種圖像的三維模型、坐標數據、像素及其他相關測量數據。測量完畢后在每一個測量點支座上安裝一個三維可調轉接件，用于對三維測量帶來的誤差進行校正，并對測量所得點云數據進行處理。數據處理利用最小二乘法對由導線測量所得導線數據和高程控制測量所得高程數據進行平差計算，即利用已知點平面坐標和高程來計算出其他控制點的平面坐標和高程，并將測量誤差平均到每個控制點上，以提高測量精度。然后，利用BIM技術建立BIM模型如圖2。

為保證數據測量精度與掃描的完整性，使用12.2×103點/s（慢速）來對建筑全景進行掃描，分站間距設為50m以內。三維激光掃描儀開機自檢，確定掃描儀工作正常后建立幕墻工程項目并設置分站；啟動掃描儀，選擇適合的掃描類型后先用快速掃描對幕墻工程數據進行粗略提取并觀察數據情況，設置掃描儀水平與垂直掃描視角，然后將掃描速度調整為慢速，分辨率調整到最高級別；按照幕墻工程設計要求對網格質量、聚焦等其他掃描參數進行設置；當所有參數全部設置完畢后開始進行掃描，當一個分站掃描任務完成保存好測量數據后開始下一個分站的掃描；將掃描所得各控制點點云數據拼接起來，獲得儀器坐標系下和施工坐標系下各點坐標。用最小二乘法對測量數據進行計算并對坐標轉換精度進行檢驗。

3 三維掃描與BIM結合在幕墻行業中的未來展望

根據三維掃描與BIM技術在玻璃幕墻工程中的應用現狀分析可知，它們在幕墻行業中的發展前景十分廣闊。目前，三維掃描與BIM技術在玻璃幕墻中的應用主要是用于解決數據的采集、整理與分析以及建筑結構模型的建立與解析等問題，而這些數據的獲取與分析是玻璃幕墻工程施工方案與圖紙設計的重要依據。因此，三維掃描與BIM技術在幕墻行業未來的發展將會在數據處理功能和模型分析功能方面進一步強化，同時其他功能也需得到進一步提升。

另外，雖然三維掃描與BIM技術在我國工程領域得到了較好的應用，如在造型復雜幕墻工程中的應用可以解決技術上的高精度、高效數據處理等要求，但目前仍處于發展的初期階段，且與國際水平相比還有較大一段差距，需要在今后的發展與應用過程中不斷將這種差距縮小。

4 總結

總之，三維掃描與BIM技術在玻璃幕墻工程中的應用所具有的重要性不言而喻，它不僅能夠實現高精度、高效率獲取各項所需數據，而且克服了雙曲面玻璃幕墻等復雜工程施工的技術難題，對我國玻璃幕墻等工程發展具有巨大的推動作用。隨著幕墻行業信息化程度的不斷提升，以及三維掃描與BIM技術的進一步成熟，三維掃描與BIM技術在幕墻行業中的應用將更加成熟、前景更加廣闊。

參考文獻：

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