關于三維掃描技術在裝配式施工過程中可實施方向的探討

孫 進 張仰福

（1.南通理工學院；2.海口經濟學院）

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，也稱“激光雷達取景技術”。三維掃描儀，采用激光技術只需數分鐘即可產生詳細三維實體圖像，通過數百萬彩色點的點云，來實現對現實環境的數字化再現。

三維激光掃描技術是相對于正向建模的技術應用，俗稱逆向建模，也就是針對實體或者實景進行掃描，建立三維模型。其作業流程為點云數據采集、點云數據處理、三維模型建立、應用數據分析。提交的成果可分為二維圖形（各種平、立、剖面圖，等值線圖）和三維圖形（三維高密度點云數據、三角網格模型等）。

裝配式建筑是將建筑的部分或全部構件在工廠預制完成,然后運輸到施工現場將構件通過可靠的連接方式組裝而建成的房屋。在歐美及日本被稱作產業化住宅或工業化住宅。

裝配式建筑施工精度拼接要求高，建筑、安裝一體化設計。對預制構件、現場現澆節點的管線預留、鋼筋連接的相關尺寸精度要求達到毫米級，而目前大部分預制工廠和施工工地的制作、安裝還是人工作業，沒有完全機械作業。而傳統的人工作業施工精度在厘米級，一旦安裝施工誤差突破厘米級，那么后期的頻繁的調整會累積大量停滯時間，耽誤施工進度。

結合三維掃描技術和BIM 對點云數據的應用方向，初步思考三維掃描在裝配式施工的應用方向可大致分為VR 應用、技術狀態分析、三維尺寸量測、檔案記錄四大方面，可提供定期檢查、變形觀測、技術狀態分析、故障預防等信息。

1 VR 應用

數字掃描的VR 全景，可以讓人身臨其境，實景展示脫離地域限制，比全景地圖能提供更自由的觀測視點。

2 技術狀態分析

竣工驗收時對建筑物進行最精密、最完整、最細致的掃描，建立建筑物的實物三維空間模型，可與BIM 模型進行比對，調整BIM 模型，形成三維空間模型數據庫基礎數據，并記錄后期變形監測的掃描檢測數據。歷次變形監測時的觀測數據，與三維模型基礎數據和上次觀測的掃描數據進行對比，判定建筑物構件三維空間位置是否有明顯的變化，測定其變化值，并可通過色譜的顏色和深度來表達其變化量。例如對建筑施工過程中墻面平整度，地面平整度的檢測，建筑物的平整度直接影響到下一個施工專業的施工質量及進度和成本，同時對整個建筑的質量有著重要的影響，通過三維掃描技術，我們只需要用幾分鐘時間，便將數據采集到辦公室，進行快速檢查形成永久的質量檢查文件，并能夠分享給項目的每一個管理人員。此外在在施工管理階段，施工現場錯綜復雜，在施工5D 管理過程中，我們通過三維激光掃描技術，可以把每天獲取現場實際情況，如現場物料，人員，機械等的位置關系，通過點云數據與BIM 模型連接起來，對場地管理，施工組織規劃，物流進場計劃，施工進度計劃具有充分的指導意義。

3 三維尺寸量測

為后期裝修階段開展機電管道、水電線路設計碰撞檢查、房間裝修更新改造提供數據支持。實際施工的尺寸與設計圖紙有偏差，導致竣工圖現已不準確或不完整，需對建筑空間進行測量，可通過三維掃描，對其空間結構進行完整掃描，形成三維模型基礎數據，通過軟件量取真實空間的三維尺寸信息。如：可以采集計算出實際建筑層高、板厚等構件數據，為后期裝修階段的更新改造提供數據依據。機電專業和裝飾行業進入施工現場首先進行的第一件事就是對建筑空間進行復測。對于復雜的的機電空間，我們通常采用預制加工來減少現場安裝時間，但前期粗放式施工和設計變更，往往會給我們帶來一些麻煩，我們可以通過三維掃描或者三維數據庫獲得現場的真實數據，進行預制加工的設計和安裝，可以大大減少人員成本并且提高施工進度。例如，當所有的機電設備安裝完成之后，必不可少的一定是對設備安裝驗收，這個時候我們就可以把采集的點云數據和BIM 設計模型進行對比，檢查錯漏，更新BIM 設計模型，使之設計模型成為竣工模型。也可以在裝配式構件生產和現場施工過程中起到關鍵性的指導作用，裝配式建筑有很多大型構件，節點比較復雜，我們無法在工廠實現拼裝檢查，那么我們可以利用三維激光掃描技術，把預制構件分別進行掃描，逆向建模，作出構件的三維模型，然后再對施工現場已完成的施工部位進行掃描建模，結合BIM 技術，在計算機中進行施工5D 模擬和精度控制。預拼裝合格，我們再把裝配式構件運到施工現場進行安裝作業。

4 檔案記錄

目前安監部門的房屋檔案資料僅局限于圖紙和文字檔案資料，可通過對建筑物進行全方位的三維激光掃描，獲取建筑物的三維數據信息，將紙質材料升級為三維時空影像數據，為工程項目的施工測量及數字化存檔管理探索新的途徑，為后期研究提供精準的數據。通過三維掃描，可在各施工階段驗收時進行掃描，將建筑的三維信息保存，可檢測建筑空間任意位置三維坐標測量信息，可檢測施工質量的平整度、垂直度，可供后期作為檢測變形，病害巡檢、結構分析的相關依據資料。裝配式建筑施工精度要求高，有利于三維掃描技術的應用。三維數據模型作為實物的副本保存，為后續管理提供完整、準確、永久的數字檔案。后續可利用具有地理坐標和真實尺寸的三維場景，結合BIM 技術，為后期運營維保管理提供數據支持。施工單位以點云文件為基礎來保存竣工三維模型，每次維修或變更，施工方均需提提供驗收后的點云文件，并有相應存檔文件。監理單位也可以直接拿施工單位的點云數據，抽樣考核驗收。

通過三維掃描技術在裝配式施工過程中的可實施方向的應用，對建筑技術交底進行VR 應用和三維時空數據檔案記錄，我們可以整體優化施工管理系統，可以提高施工管理效率，避免盲目的施工建設，可以有效的在技術上避免錯誤的出現。對施工現場及構件的三維尺寸量測和技術狀態分析，我們可以對施工階段進行技術優化、人員配置優化，相比施工圖紙，我們可以看到明確直觀的施工內容、從而制定合理的施工程序和完整的施工方案，有利于建筑的整體質量、降低建筑成本，從而對建筑單位人員進行合理分配，明確實質工作職責。

目前三維掃描技術在各個領域的應用已然相當成熟，特別是文物保護、古建筑物的修繕，、醫療等領域的應用。由于BIM 技術的發展，三維激光掃描技術在施工階段剛開始進行初步應用。17 年至今已在一些大型國企建筑項目開展應用，技術已趨于成熟，如青島膠州灣海底隧道工程、華源豐田創業中心項目、龍湖地產等項目施工中，三維掃描技術已初步在基坑監測、隧道觀測、病害巡檢、墻地面平整度、機電管道改造安裝等業務中開展了應用探索。在傳統施工中，多達30%的建筑成本是由于返工產生的（平均占項目總成本的5-6%），10%的材料被完全浪費掉了，傳統勞動力的使用效率僅為40-60%。隨著三維掃描、裝配式及BIM 技術的發展，精益制造、智能施工的加速將會提高建筑質量、加快建筑速度、降低建筑成本，從而整體上提高裝配式施工的經濟效益與社會效益。

本文通過對三維掃描技術在裝配式施工過程中的可實施方向的探討，希望能夠對裝配式建筑的發展起到一定的借鑒作用，推動建筑行業向精益建造、智能施工進一步發展。