三維激光掃描技術結合BIM技術在建設工程中的應用

王 靜

(鄭州工業應用技術學院建筑工程學院,河南 新鄭 451150)

《中國建筑施工行業信息化發展報告(2015)BIM深度應用與發展》提出了以BIM技術為核心,與云計算、大數據、虛擬現實技術、物聯網等先進信息化技術集成應用,三維激光掃描技術亦是九大集成應用之一,二者結合顯著提升了工程建設領域的信息化水平。

1 三維激光掃描技術與BIM技術

1.1 三維激光掃描技術概述

三維激光掃描技術(3D Laser Scanning Technology),又稱“實景復制技術”,通過自動控制技術,對任何復雜的現場環境、空間物體按照事先設置的分辨率(相當于采樣間隔)進行連續的數據采集和處理,以其非接觸性、免棱鏡、高速率、實時性強、數字化程度高、擴展性強等優點,成為直接獲取目標高精度三維數據信息,實現三維可視化的重要手段。其應用涉及地形測量、變形監測、古建筑改造、災害預警、場景虛擬等方面。

1.2 建筑信息模型(BIM技術) 概述

建筑信息模型(BIM技術),其中,B代表Building——廣義地代表了各類土木工程建設項目,包括各種建筑和市政公用工程；I代表 Information——不僅指“信息”的傳遞,還應包括信息在建筑全壽命周期中各單位、各流程間的“互用”和“集成”；M代表Modeling——包括靜態的“Model”,動態的“Modeling”和相應的管理“Management”。建筑信息模型是包含了創建與管理設施物理與功能特性的數字化表達的過程。過程中產生的一系列建筑信息模型作為共享的知識資源,在設施從早期概念階段到設計、施工、運營及最終的拆除全生命周期過程中的決策提供支持[1]。

2 三維激光掃描技術與BIM技術結合應用

BIM技術,既是模型結果,更是過程和各方的協同。然而在工程實施階段,作為項目指導和虛擬施工的建筑信息模型,往往忽視了現場實施多變的復雜因素,無法準確地指導現場施工,如何使之應用于現場管理,對項目實施的推進更加地有效,必然需要一定的技術手段作為輔助。三維掃描技術能夠成為有效連接BIM模型和工程現場的橋梁。

三維激光掃描技術與BIM技術結合在建設工程中的應用主要表現在以下方面：原始現場資料存檔；現場數據快速逆向建模；施工質量對比；工程進度跟蹤、質量檢測；運維管理。

2.1 原始現場資料存檔

三維激光掃描技術無疑是實測實量數據采集的有效方式。能夠確保掃描精度,完整、客觀的采集選定的工程部位或關鍵部位,作為電子資料進行存檔。

2.2 現場數據快速逆向建模

目前,建筑市場上使用BIM技術的主要是一些超大型、工程復雜、施工難度大的建筑項目以及政府項目。隨著政策推進,BIM技術愈加成熟,模型庫進一步完善,行業標準進一步建立,其應用程度和廣度越來越大,BIM技術越來越多的被建設項目的各階段的各參與方所接受和采用,但是在實際工作中,受到成本控制、市場運作及工程操作固有流程等因素的影響,往往是各階段分別應用,當某一階段有應用需求時,沒有前期的BIM工作作為支持,就需要借助三維激光掃描技術對現有建筑實體進行掃描,進行逆向建模。

對于復雜環境深基坑項目,基礎設計和圍護結構設計需要詳細、準確的地貌資料為前提,傳統的測繪方法由于采用離散單點采集三維坐標的方法,存在測點有限、測量精度較低、周期長、效率低等缺點,無法滿足設計精度和工程進度的要求。

三維激光掃描技術通過選取合理的站點、位置和數量、確定掃描路線,避免遮擋和干擾,確保足夠的有明顯特征的重合區域,多角度對實物掃描獲取點云數據,繼而使用軟件對點云數據進行預處理,包括去噪處理、獲取有效數據,進行點云數據拼接,坐標校正將點云數據轉入到地理坐標中,采用適當的方法進行三維建模,為后續工程設計規劃,創建建筑信息模型提供了良好的基礎。

2.3 施工質量對比

BIM技術為項目全生命周期的決策提供依據,但由于項目在建造過程中情況復雜,設計變更以及施工過程問題導致實際施工與設計BIM模型產生偏差,對反映施工效果收益甚微。在此背景下,采用三維掃描技術獲取的點云數據,經過軟件處理后,轉化為BIM模型數據,具有現實指導意義和實際使用價值,然后與設計的BIM模型、CAD模型進行精度對比,發現施工現場數字模型與設計模型間的偏差,確保在施工過程中細節的可靠性和準確性,用以確認工程情況,改變了傳統的施工現場誤差復核模式,減少由于施工工藝、操作不當等原因造成的延誤工程進度、材料和人工成本的浪費、安全隱患等結果,使設計模型更符合現場實際工況。

在異形結構、復雜造型大范圍幕墻安裝工程中,傳統的幕墻安裝方法需采用全站儀、水準儀、激光垂準儀等對建筑物進行整體測量,掌握結構尺寸的偏差,并且按照單位幕墻設置垂直、水平方向的控制線,并確保標高、軸線的統一和唯一性,需反復檢驗、核實。耗時多,效率低。采用三維激光掃描獲取的數據,進行整理和分析,進行現場實際結構洞口尺寸復核及土建結構誤差分析,為幕墻深化設計提供準確數據,然后整合幕墻BIM深化設計模型與三維掃描模型,再次復核驗證幕墻深化設計的準確性,用以引導施工,確保工程質量。

2.4 工程進度跟蹤、質量檢測

傳統的工程進度跟蹤、質量檢測是采用抽樣撿測的方法,對于投資規模大、參與方多、施工運行管理難度大、建設目標要求高的超大型工程項目,耗時多,效率低。而三維掃描技術和BIM技術結合的方式是全數檢查,避免了抽樣檢查的隨機性,保證數據的客觀真實,提高了質量檢測的效率。對于監理人員來說,優化了工作方式：一些高危險、費時的測量工作可通過掃描完成,降低了工作量及難度；在施工現場完成必要的掃描工作,可在后臺繼續進行對比偏差和測量,直觀地了解工程整體質量；改變了與項目參與各方的溝通方式,以直觀的圖像、視頻代替文字、數據資料。由此,三維掃描技術結合BIM技術有利于推動工程領域質量管理、工程驗收的創新,使得質量管理逐步向精細化、信息化方向發展。目前,三維激光掃描技術與BIM技術結合在鋼結構構件加工質量檢測、公共建筑的樁基質量檢測、復雜曲面結構內裝質量檢測、大型建筑項目墻、梁、板等主要結構施工精度檢測中得到了廣泛應用。

2.5 運維管理

建筑項目經過規劃、設計和施工階段,投資大量資金和時間后,建筑的預期效益在運轉階段實現。而在運維階段內,維護成本,修繕費用,改建成本等所占的費用比例達到建筑物全生命周期費用比例的80%以上。若從經濟角度考慮,最大限度地降低這部分成本尤為必要。基于BIM技術應用現狀,對于結構復雜、功能多樣的建筑,三維激光掃描技術為BIM模型的創建、搭建一體化的運維平臺提供了技術支撐,科學管理建筑的空間、設備、資產等,有效預防可能發生的災害,降低運營維護成本。

3 結論

三維激光掃描技術與BIM技術的集成應用,其成果顯著提升了工程建設領域的信息化水平,破解了很多傳統方法無法解決的問題,隨著三維激光掃描技術與BIM技術的日益成熟,更多的結合應用領域還亟待進一步的發掘。