BIM 與3D 掃描技術在世界杯體育場項目的綜合應用研究

張 健

中國鐵建國際集團有限公司，北京 100039

BIM 技術早期由建筑行業提出，后逐漸拓展到工程建設全領域[1]。近年來，隨著3D 掃描技術的不斷發展，高精度3D 掃描儀不僅在工業制造、古跡保護、法醫鑒定等領域廣泛運用，也在建筑領域中得到了逐步推廣[2]。總體來看，雖然BIM 技術和3D 掃描技術的研究與應用已經在國內取得了一定發展，但目前仍舊缺乏能將兩者相互結合的成功案例。文章基于2022 年卡塔爾世界杯主場館盧賽爾體育場的項目特點及建造模式，構建了一套BIM 技術與3D 掃描技術應用于海外大型體育場項目的方法路徑，為今后世界杯體育場項目的建設積累了寶貴經驗。

1 項目簡介

盧賽爾體育場為世界杯主場館，位于卡塔爾首都多哈，將承擔2022 年世界杯開幕式、半決賽、決賽和閉幕式等重大賽事活動[3]。項目占地面積100 萬m2，建筑面積18 萬m2，觀眾容量92500名，是世界上規模最大和最先進的體育場之一。該項目由中國企業采用設計施工總承包模式承建，合同總額50 億元，是中國企業首次承建的世界杯體育場，也是中國在海外承建的規模最大的專業體育場。項目效果如圖1所示。

圖1 盧賽爾體育場效果圖

2 盧賽爾體育場項目BIM 技術應用

2.1 BIM 技術應用概述

作為超大型國際工程，該項目的BIM 技術應用與國內工程相比有其特殊性。（1）應用模式方面。該項目投入BIM 資金近1 億元，實現了100%正向設計，制定了明確的建模標準，由473 個分專業模型進行出圖、計量以及設計成果的交付和審查。（2）應用階段方面。該項目涵蓋規劃設計階段、施工建造階段、賽時運營階段、賽后改建階段的項目全生命周期。（3）應用深度方面。該項目招標階段提供了模型發展等級LOD200 的方案設計模型（SD），總承包商在中標后對設計進行優化，形成LOD250 的優化方案設計模型（RSD），之后由總承包商的設計分包建立LOD300的施工圖模型（IFC），再由總承包商的施工分包建立LOD400 的深化設計模型（SD），最終的竣工模型（As-Build）將達到LOD500。

2.2 國際化BIM 數據共享體系

該項目各參與方的BIM 團隊分布于世界各地，故建立高效的數據共享網絡非常重要。在建模時，分別利用Revit工作集、Revit 外部銜接和公共數據環境（CDE），實現單個模型內部、同專業不同模型間及不同專業間的協同設計。綜合運用Drop Box、Share Point、Project Wise 和Revit Server 等網絡平臺解決遠程數據共享問題，利用本地服務器（Local Network Server）解決項目部本地數據存儲與傳輸問題，構建覆蓋全球的全方位數據共享解決方案。

2.3 國際化BIM 軟件平臺體系

BIM 技術的運用要配備足夠的硬件設備，更重要的是要針對不同的需求選擇合適的軟件平臺[4]。結合各軟件平臺的特點，該項目選用了30 余款國際主流的建模軟件、專業分析軟件和BIM 平臺。以Autodesk 的系列產品為主，主要建模軟件為Revit、Midas 和Tekla，模型整合軟件為NavisWorks，施工現場BIM 軟件為BIM 360 Field，文檔共享平臺為Project Wise。此外，還包括3D 激光掃描數據處理軟件SCENE 和Recap 等。

2.4 國際化BIM 標準規范體系

海外項目的特點決定了該項目必須采用國際化的BIM標準規范。結合業主的要求，該項目采用了成熟的英標與美標，主要包括美國和加拿大建筑規范協會的Master Format 2014 和CSI Uniformat 2010、 美 國BIM Forum的Level of Development 2014、Building SMART 的IFC 2×3 以及英國皇家特許測量師學會的NRM2 等。

3 盧賽爾體育場項目3D 掃描技術應用

3.1 3D 掃描技術應用概述

該項目選用FAROS350 高精度3D 激光掃描儀，在施工精度控制、進度監控、模型生成、工程計量和竣工記錄等領域進行創新應用，對加快項目進度、提高施工質量和降低項目成本起到了關鍵作用。

3.2 地形測繪和堆料體積計算

運用3D 掃描技術對大場區地形進行快速測繪，獲取任意點的坐標數據，其效率遠超全站儀等傳統測量工具。同時，通過對砂石等堆料進行掃描，再通過軟件進行分析后可自動計算體積，大幅度提高了工程量計算的效率和準確性。3D 掃描用于計算堆料體積如圖2 所示。

圖2 堆料掃描點云圖

3.3 施工進度監控與工程竣工數字化移交

利用3D 掃描技術可以對整個施工現場進行進度監控和過程的記錄，而且掃描數據合成后，可以在軟件中瀏覽任意掃描儀架設位置的點云圖像和高清影像。。項目竣工后，項目部將對整個項目進行全面掃描，并將掃描數據進行整合后創建整個項目的數字化交付物，為業主之后的運營維護、設備管理和空間管理等提供基礎數據，這將有助于減少建筑的全生命周期成本。大場區3D 掃描點云用于施工進度監控圖如圖3 所示。

圖3 大場區3D 掃描點云用于施工進度監控圖

3.4 鋼結構虛擬預拼裝

在鋼結構整體安裝或各構件的焊接過程中，項目部將未完成構件的點云數據在已完成構件的點云數據中進行虛擬預拼裝，檢查是否存在沖突或碰撞。通過虛擬預拼裝可提前發現和解決拼裝過程中的困難和問題，提高拼裝質量并加快拼裝進度。

4 BIM 技術與3D 掃描技術的結合應用

4.1 鋼結構卸載監測

該項目創造性地將高精度3D 掃描技術用于卸載過程監測，根據結構特點及監測要求，快速對卸載前后整個體育場的三維空間進行重構，利用Navisworks 將3D 掃描點云與BIM 模型進行可視化比對，得到卸載前后任意節點的位移量，再選取重點部位與理論位移量進行對比后可迅速而準確地判斷是否超限。利用3D 掃描技術進行卸載監測所用到的主要硬件為掃描儀和電腦，軟件主要為SCENE、Midas、Revit 和Navisworks。

4.2 施工精度控制

在進行體育場“V”形支撐柱和受壓環梁等大型鋼結構的安裝前，通過對已安裝構件進行掃描，再將獲得的實際掃描數據與設計模型數據進行對比，即可對施工誤差進行有效控制，還可據此對待安裝構件進行實時調整。同時，項目部利用3D 掃描儀在鋼結構焊接精度控制、預制看臺板吊裝精度控制以及現澆鋼筋混凝土結構施工精度控制等方面進行了廣泛的運用。

5 結束語

隨著中國企業“走出去”的加快以及現代化體育場建筑的不斷發展，BIM 技術與3D 掃描技術將在該類項目中得到越來越廣泛的應用。盧賽爾體育場項目對兩者相互結合進行綜合應用的探索和實踐，不僅為項目實施創造了巨大價值，更填補了我國在這個領域的空白，為今后同類項目的順利實施提供了寶貴經驗。