Trimble三維激光掃描在玻璃幕墻設計及安裝中的應用

白永青，楊雪姣

(1. 上海飛耀巖土工程有限公司，上海 200124； 2. 北京麥格天渱科技發展有限公司，北京 100043)

幕墻設計及安裝是幕墻行業興起的新方向，傳統的幕墻設計是在拿到建施圖和結構圖以后，進行幕墻施工圖與加工圖的深化設計，是建筑圖基礎上的二次深化。但隨著建筑業的發展，為縮短建筑工程的設計周期，提高整體效率，同時為了減少設計院的工作量，降低設計成本，越來越多的幕墻工程需要進行方案設計，通過方案設計的推進來降低施工圖設計的周期與成本[1]。

在實際的建筑施工中，建成的幕墻安裝結構框架有時會由于某些不可避免的原因而與設計模型產生一定的偏差。如果繼續以原始設計模型或圖紙為基礎進行幕墻施工，可能會導致玻璃幕墻的設計尺寸超過現實安裝所允許的誤差限值。而如果使用常規的全站儀去測量竣工建筑，又面臨著測量點太多、重新建模難度大等問題[2]。實景復制(三維激光掃描)技術的發展，完美地解決了這一問題，既提高了外業測量的效率，保證了數據采集的精度，又減小了逆向模型建立的難度[3-4]。

1　解決方案

解決方案主要包含：測量掃描、模型設計、坐標匹配、檢測分析。流程如圖1所示。

圖1　流程

1.1　外業掃描

施工現場提供兩個已知點(分別為BY02、BY03)以供使用，使用Trimble SX10影像掃描儀(簡稱SX10或儀器)進行外業操作。使用Trimble SX10，可以將工地坐標系引入掃描工程，實現全測區的三維掃描，以及重要地形點和轉點等的棱鏡觀測。

本次外業共掃描6站，分別為已知點設站BY02、BY03，轉點設站ZD02、ZD03，自由設站STATION001、STATION002，測站分布如圖2所示。

圖2　測站分布

1.1.1測站設立

SX10可以使用傳統的全站儀測繪流程，采用極坐標法引入工地坐標系作為坐標系統；也可以自由設站，觀測兩個以上已知點進行后方交會。測站設立方法與全站儀完全一致[5]。如果需要現場建立大地坐標系，SX10可以在配套tablet控制手簿及Trimble Access控制軟件的協助下，實現與GNSS接收機的聯動作業。將配套360°棱鏡和GNSS接收機安裝在同一根對中桿上。在定位的同時完成觀測，快速建立控制網。

具體操作為：儀器架設在BY02點，整平、對中、量取儀器高(可選量取真高或斜高并在操作手簿選取對應方式)，在操作手簿輸入已知點BY02的坐標值和儀器高，跳轉后視點界面，儀器鏡頭轉向后視點BY03，輸入坐標值，照準后視360°棱鏡并鎖定目標，輸入目標高，點擊測量，操作界面跳轉顯示測量誤差，如誤差超限，則取消接受并檢查可能的操作錯誤，若在規范要求范圍內，可確認完成測站設立。

1.1.2三維掃描

SX10在掃描時，可以先快速測量目標物與儀器的最遠距離，自動計算出不同檔位下的點密度，為現場掃描提供指導，保證數據達到可用的密度。同時SX10的免棱鏡掃描模式，測角精度為1″，測距范圍超過600 m，能夠在400 m掃描目標保持毫米級精度。

具體操作為：測站設立后，選擇掃描進入界面，在操作手簿可視窗口，利用多邊形區域選擇所需范圍，實時測量目標距離，根據需求選定點云掃描密度選項。同時可選是否獲取全景照片，如果拍照則可設置相機相關參數，設置完成后掃描，儀器開始自動轉動獲取點云。

1.1.3地形點、轉點測量

對于施工環境復雜且容易被現場環境遮擋的重點點位，可以使用Trimble的高精度全站儀功能，利用棱鏡測量模式進行作業，測距精度為1 mm+1.5×10-6D，并有棱鏡自動尋找與鎖定及伺服自動旋轉跟蹤功能。除此之外，在BY02點設站作業時，需在合適地點標定出轉點ZD01—ZD03，以備后續在轉點設站繼續進行掃描操作，從而獲取整體測區的全面數據成果。

1.1.4自由站掃描

本次測區內環境復雜，如果需要在某塊沒有控制點的區域單獨補充掃描，可采用SX10掃描儀自由設站與內業測站配準的方式進行數據完善，這樣既能提高效率又能保證所需成果的完整度。

1.1.5影像拍攝

SX10在進行掃描作業時，可以選擇同時拍攝影像，以獲得彩色點云[6]；也可以單獨進行全景拍攝和細節拍攝。全景拍攝采用的主相機可以拍攝出單反級別的彩色效果。而望遠鏡相機在50 m處的每個像素能夠精確到0.8 mm，還可以獲取1000 m外的目標物細節。如圖3所示。

圖3　望遠鏡相機與主相機

1.2　點云預處理

點云數據處理使用Trimble Business Center(以下簡稱TBC)，可以對點云數據進行精度優化和評價，拼接自由測站，自動分類、噪點剔除、取樣抽稀、導出。如圖4所示。

(1) 精度優化。使用TBC對已經定位的測站實現網平差，對自由掃描測站自動拼接[7-8]，并生成點云精度報告。

(2) 自動分類和噪點剔除。使用TBC快速分類出鋼結構與建筑點云，再將其他噪點刪除[9]。

(3) 抽稀導出。使用TBC對分離好的建筑點云進行空間取樣，并一鍵導出為RCS格式，導入Autodesk Revit進行BIM模型逆向生成。

圖4　現場照片與點云數據

1.3　BIM模型設計

BIM模型設計軟件、建模軟件多種多樣，但是主流格式之間均可相互轉換[10]，本次采用目前應用較為廣泛的Autodesk Revit進行前期模型設計，并將輸出FBX格式的模型用于檢測分析。

1.4　BIM模型其他應用價值

1.4.1生成二維圖紙

生成二維圖紙如圖5所示。

圖5　三維模型制作二維圖紙

1.4.2BIM模型放樣

將BIM模型導入Trimble放樣機器人(可以帶貼圖材質)或SX10中(線框模型)進行現場放樣指導。

2　點云與模型對比檢測

幕墻預裝檢測在Trimble RealWorks軟件中進行。首先將預處理過的點云和設計好的模型在RealWorks軟件中打開，根據施工建筑軸線圖將模型與點云的位置統一，然后在RealWorks軟件檢測模塊打開三維檢測功能，應用此功能得到三維檢測結果，成果以多色彩色譜圖表示檢測結果，最后設置偏差限差色譜，利用RealWorks軟件三維檢測分析器對結果進行分析，可得知施工現場建筑物與設計模型任意三維點的偏差值是否超限，若在可控范圍內則接受，進而指導建筑物外側玻璃幕墻的安裝工程。若超出安裝范圍，則需進行逆向建模更改設計模型和幕墻設計，從而避免材料、時間、人工成本的浪費，保證工程的順利進行。如圖6所示。

圖6　對比檢測與分析圖

3　結　語

在異形結構大范圍玻璃幕墻安裝工程成本施工控制方面，Trimble SX10影像掃描儀以其高精度、高密度的特點，以及測量操作流程，發揮了很大的優勢。Trimble SX10影像掃描儀的應用縮減了工期，減少了建筑原材料的浪費，在成本控制方面起到了非常大的作用。

參考文獻：

[1] 劉冠榕,李盤龍. 建筑玻璃幕墻設計與施工質量控制研究[J].門窗,2017,12(12):10-12.

[2] 王利寬,王業治. 單元式建筑幕墻關鍵設計處理與施工技術分析[J].門窗,2017,12(11):17-23.

[3] 臧偉,錢林,孫寶軍,等.地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用[J].北京測繪,2015,5(3):130-135.

[4] 吳玉泉,楊倩.基于三維激光掃描技術的點云拼接和建模[J].現代經濟信息,2017,7(13):353.

[5] 桂仁,王永明,檀丁.基于三維激光掃描技術的建筑物立面測量方法[J].北京測繪,2017 (S1):110-113.

[6] 林美娜,馮云龍,朱大明.三維激光掃描技術在建筑物重建中的應用探討[J].價值工程,2017,9(25):162-164.

[7] 葛云峰,夏丁,唐輝明,等.基于三維激光掃描技術的巖體結構面智能識別與信息提取[J].巖石力學與工程學報,2017,36(12):3050-3060.

[8] 柯維杰,馮成武. 三維激光掃描技術在城市建筑竣工測量中的應用研究[J].工程技術,2017(33):62-63.

[9] 祁春輝. 淺談三維激光掃描技術與BIM技術在工程測量中的應用[J].中小企業管理與科技,2017(35):176-177.

[10]唐雯. 基于三維激光掃描技術的數據處理及模型重建[J].山西建筑,2018,44(1):209-210.