3D掃描測(cè)量與BIM技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用

文/廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王 琿 寧培淋

0 引言

三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是目前工程測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域繼GPS技術(shù)、RS技術(shù)、GIS技術(shù)后的又一項(xiàng)技術(shù)革新，具有自動(dòng)化測(cè)量數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)時(shí)化點(diǎn)云、三維圖像生成和傳輸，數(shù)字化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享等功能。

BIM技術(shù)促進(jìn)我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)加速進(jìn)入信息化時(shí)代，基于BIM信息模型的建筑工程項(xiàng)目管理信息化可有效提升項(xiàng)目生產(chǎn)效率、縮短建設(shè)工期、提高建筑工程質(zhì)量，并降低工程造價(jià)，而B(niǎo)IM信息模型的參數(shù)與建筑實(shí)際工程中設(shè)計(jì)、施工及竣工使用期間的參數(shù)一致性成為項(xiàng)目信息化管理的關(guān)鍵。

相比傳統(tǒng)測(cè)量勘測(cè)和放樣，3D掃描和BIM信息模型深度融合可有效解決參數(shù)一致性問(wèn)題，建筑施工過(guò)程中的3D掃描測(cè)量參數(shù)結(jié)果與BIM信息模型參數(shù)的對(duì)比可用于現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工定位、檢測(cè)工程質(zhì)量、掃描還原古建筑、檢測(cè)裝配式構(gòu)件缺陷、監(jiān)測(cè)變形等[1]。本文針對(duì)3D掃描測(cè)量＋BIM技術(shù)的工作原理、工程應(yīng)用及存在問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 工作原理

1）3D激光掃描技術(shù)通過(guò)高速激光掃描測(cè)量建立目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)，達(dá)到實(shí)景復(fù)制目的，美國(guó)CYRA公司和法國(guó)的MENSI公司率先實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)[2]。3D激光掃描技術(shù)配合HDR高分辨率影像捕捉系統(tǒng)，并采用了激光測(cè)距傳感器及高精度角度傳感器。三維測(cè)量原理包含量測(cè)距離、測(cè)量目標(biāo)角位移、三維掃描和定向，利用移動(dòng)探測(cè)器傳遞信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算得出所需的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。目前3D激光掃描儀遠(yuǎn)程工作距離可達(dá)1000m以上，短距離高精度3D測(cè)量應(yīng)用精度可達(dá)2.5mm，可滿足建筑工程質(zhì)量檢測(cè)需求[3]。

2）BIM技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理的數(shù)據(jù)化工具，全面采用參數(shù)化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)參數(shù)關(guān)聯(lián)技術(shù)建立三維空間模型，建筑工程所有基本構(gòu)件相關(guān)的參數(shù)都存放于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)了信息整合，并可進(jìn)行各種可視化分析(空間、體積、效果圖、結(jié)構(gòu)、傳熱等分析)[4]。

目前3D掃描技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合存在2種應(yīng)用模式:①數(shù)據(jù)對(duì)比應(yīng)用模式 在建筑施工期間通過(guò)三維激光掃描測(cè)量獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)比BIM信息模型設(shè)計(jì)參數(shù)，檢測(cè)施工質(zhì)量，如質(zhì)量監(jiān)測(cè)、缺陷檢查、變形監(jiān)測(cè)等（見(jiàn)圖1）；②逆向建模應(yīng)用模式 針對(duì)無(wú)設(shè)計(jì)模型或改擴(kuò)建項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)建筑進(jìn)行三維激光掃描，獲得現(xiàn)有建筑模型數(shù)據(jù)，再根據(jù)模型數(shù)據(jù)逆向創(chuàng)建BIM信息模型，如古建筑還原等（見(jiàn)圖2）。

2 典型應(yīng)用案例

2.1 裝配式建筑安裝與質(zhì)量監(jiān)測(cè)

3D激光掃描與BIM技術(shù)融合可綜合應(yīng)用于工程質(zhì)量檢測(cè)、裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件安裝，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比應(yīng)用流程，可檢查出現(xiàn)場(chǎng)施工構(gòu)件與設(shè)計(jì)圖紙構(gòu)件的位移差別，達(dá)到指導(dǎo)結(jié)構(gòu)安裝、檢查構(gòu)件及確保裝配質(zhì)量的目的。

深圳機(jī)場(chǎng)T3航站樓是全國(guó)首次將高精度三維測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于幕墻安裝施工全過(guò)程的項(xiàng)目[5]，根據(jù)起始點(diǎn)建立首級(jí)平面控制網(wǎng)，在首級(jí)控制網(wǎng)上進(jìn)行控制點(diǎn)的二、三級(jí)加密。高程采用四等水準(zhǔn)布控。實(shí)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)與幕墻節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)并提供給設(shè)計(jì)人員。提取結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，利用各級(jí)測(cè)量控制點(diǎn)，用全站儀將三維坐標(biāo)投放至設(shè)計(jì)位置以供施工使用，確保測(cè)量和施工精度符合規(guī)范要求。

湖北某個(gè)建筑工業(yè)化項(xiàng)目施工全流程整合BIM技術(shù)和3D激光掃描技術(shù)成為工程亮點(diǎn)[6]，首先使用BIM軟件對(duì)建筑整體和各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)；PC構(gòu)件廠根據(jù)BIM模型和數(shù)據(jù)生產(chǎn)每層對(duì)應(yīng)的墻板、樓板、梁、柱、樓梯、陽(yáng)臺(tái)等“零件”；最后驗(yàn)收人員采用3D激光掃描技術(shù)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)構(gòu)件缺陷（見(jiàn)圖3）。

2.2 基坑、邊坡、隧道、水壩等變形監(jiān)測(cè)

基坑、邊坡、隧道、水壩等變形監(jiān)測(cè)是質(zhì)量檢查、防災(zāi)減災(zāi)過(guò)程中的常規(guī)工程措施，3D激光掃描測(cè)量精度符合工程測(cè)量精度要求，可反映目標(biāo)建筑物的三維位移，即沉降和傾斜位移。如高空航拍、高速移動(dòng)測(cè)量已應(yīng)用于水壩和高速公路監(jiān)測(cè)，可滿足工程觀測(cè)需求（見(jiàn)圖4），在大壩、船閘、房屋、鐵路、橋梁等工程變形監(jiān)測(cè)中均有3D激光掃描監(jiān)測(cè)的應(yīng)用案例[7-8]。

2.3 古建筑及文物保護(hù)

通過(guò)3D激光掃描技術(shù)對(duì)年久失修且無(wú)設(shè)計(jì)資料的古建筑及文物進(jìn)行掃描獲取參數(shù)，快速準(zhǔn)確地形成電子化記錄和數(shù)字化存檔信息，利用BIM逆向建模永久保留設(shè)計(jì)圖紙，可方便后續(xù)修繕改造等工作。北京故宮、倫敦博物館等對(duì)館內(nèi)文物已開(kāi)展掃描建檔工作，并逐步形成數(shù)字化博物館[9-10]。

圖1 數(shù)據(jù)對(duì)比應(yīng)用流程

圖2 逆向建模應(yīng)用流程

圖3 使用3D激光掃描技術(shù)進(jìn)行構(gòu)件質(zhì)量驗(yàn)收

圖4 水庫(kù)壩體變形監(jiān)測(cè)

2.4 工程改擴(kuò)建

目前，建筑、橋梁、公路改擴(kuò)建工程日益增多，針對(duì)原有設(shè)計(jì)方案創(chuàng)建BIM模型，有利于設(shè)計(jì)方案比選。迪士尼中國(guó)實(shí)驗(yàn)中心樓（上海）在改建過(guò)程中，利用天寶TX5 3D激光掃描技術(shù)獲取原有建筑參數(shù)[11]，逆向建立BIM模型發(fā)送給國(guó)外設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，施工過(guò)程通過(guò)監(jiān)控實(shí)時(shí)指導(dǎo)。

3 存在問(wèn)題

3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題

3D激光掃描儀器尚處于普及推廣階段，不同廠家外業(yè)數(shù)據(jù)和內(nèi)業(yè)處理系統(tǒng)不一致，導(dǎo)入BIM建模軟件存在不兼容現(xiàn)象，制約其大規(guī)模推廣使用，并提高工程采購(gòu)成本，行業(yè)需出臺(tái)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代要求，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)將極大推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)信息化發(fā)展。

3.2 3D激光掃描儀器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率

掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與操作儀器、天氣、周邊環(huán)境、目標(biāo)距離等因素有關(guān)，各廠家儀器性能起到較多決定因素，實(shí)際工程掃描過(guò)程中需根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和掃描目標(biāo)綜合選擇并確定相應(yīng)的掃描儀器，以提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3.3 云數(shù)據(jù)平臺(tái)集成

掃描數(shù)據(jù)的BIM平臺(tái)數(shù)據(jù)輸入通過(guò)云數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸和應(yīng)用可提高工程效率，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換匹配顏色、噪聲和無(wú)效數(shù)據(jù)過(guò)濾等預(yù)處理[12]，特別在質(zhì)量監(jiān)控過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并進(jìn)一步提高產(chǎn)業(yè)信息化程度，保障建筑工程質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

3D掃描測(cè)量與BIM技術(shù)的融合已逐步應(yīng)用于一些建筑工程，但仍處于初步開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段。本文介紹了3D掃描測(cè)量與BIM技術(shù)原理，列舉數(shù)據(jù)對(duì)比和逆向建模2種應(yīng)用模式，并分析其在典型工程中的應(yīng)用案例及應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)3D掃描測(cè)量與BIM技術(shù)在建筑工程中的融合及推廣應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。