基于BIM的裝配式建筑構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)方法探究

江 蒙 劉建行

（湖北神龍工程測(cè)試技術(shù)有限公司，湖北武漢 430000）

裝配式建筑采用工廠預(yù)制構(gòu)件，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)裝配的施工方式，提升了工程項(xiàng)目的施工效率，保證了建筑項(xiàng)目的質(zhì)量效益、環(huán)境效益。在裝配式建筑施工中，構(gòu)件質(zhì)量對(duì)建筑整體施工質(zhì)量具有較大程度影響。《裝配式混凝土建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51231—2016）對(duì)裝配式建筑施工質(zhì)量提出了較高要求，依托BIM技術(shù)和3D掃描技術(shù)進(jìn)行構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)，成為裝配式建筑構(gòu)件質(zhì)量控制的重要手段，可實(shí)現(xiàn)裝配式建筑構(gòu)件外觀缺陷的快速、精準(zhǔn)檢測(cè)。

1 裝配式建筑類型及構(gòu)件制造優(yōu)勢(shì)

1.1 裝配式建筑類型

裝配式建筑的構(gòu)件在工廠預(yù)制加工，在標(biāo)準(zhǔn)化模板的控制下，預(yù)制構(gòu)件的尺寸規(guī)格、質(zhì)量控制精度較高。

從結(jié)構(gòu)材料來看，裝配式建筑可分為裝配式鋼結(jié)構(gòu)、裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和裝配式復(fù)合材料結(jié)構(gòu)三種形式。

從結(jié)構(gòu)體系來看，除框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)外，筒體結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)是裝配式建筑結(jié)構(gòu)的重要形式。

現(xiàn)階段，裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用較多，促進(jìn)了建筑工程的工業(yè)化發(fā)展。

1.2 裝配式建筑構(gòu)件制造優(yōu)勢(shì)

相比現(xiàn)澆混凝土施工，裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢(shì)。裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)在工程預(yù)制過程中，工程預(yù)制構(gòu)件模板合縫嚴(yán)實(shí)，避免發(fā)生漏漿問題，可保證構(gòu)件形態(tài)、質(zhì)量的穩(wěn)定性。構(gòu)件預(yù)制受人為因素、環(huán)境因素的干擾較少，生產(chǎn)速度較快，為后期裝配施工創(chuàng)造了有利條件。裝配式鋼筋混凝土采用工程預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)方式，減少了工程施工的噪聲、揚(yáng)塵污染問題，符合建筑工程節(jié)能減排的要求。此外，相比以往現(xiàn)澆施工方式，裝配式構(gòu)件的預(yù)制和裝配施工，改善了施工人員的勞動(dòng)條件，為施工過程提供了有力保障。

2 基于BIM的裝配式建筑構(gòu)件質(zhì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)階段，檢測(cè)裝配式構(gòu)件缺陷的風(fēng)險(xiǎn)后，多采用BIM和3D掃描技術(shù)聯(lián)合檢測(cè)方式。本檢測(cè)系統(tǒng)框架以BIM技術(shù)作為操作平臺(tái)，再組建數(shù)據(jù)庫文件，對(duì)不同來源的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)分析。在具構(gòu)件檢測(cè)分析中，將檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和感知層。

目前，將系統(tǒng)感知層設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端，該層級(jí)的監(jiān)測(cè)功能多通過監(jiān)控設(shè)備組成。在實(shí)際檢測(cè)中，除監(jiān)測(cè)構(gòu)件的幾何尺寸外，檢測(cè)構(gòu)件的外觀缺陷，當(dāng)構(gòu)件不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范時(shí)，在BIM三維模型中進(jìn)行構(gòu)件編號(hào)的定位管理。

工程項(xiàng)目建設(shè)中，從源頭上可實(shí)現(xiàn)不達(dá)標(biāo)構(gòu)件的感知檢測(cè)，除構(gòu)件制造商外，設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位均會(huì)參與感知層，進(jìn)行具體構(gòu)件的感知和實(shí)時(shí)檢測(cè)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)層包含裝配式建筑構(gòu)件的參數(shù)、具體施工參數(shù)，在數(shù)據(jù)檢測(cè)中，應(yīng)建立必要的安全規(guī)則，為數(shù)據(jù)檢測(cè)工作提供依據(jù)。

系統(tǒng)服務(wù)層和應(yīng)用層的銜接可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成和交互，設(shè)計(jì)單位會(huì)與構(gòu)件預(yù)制單位進(jìn)行意見交互，確保構(gòu)件的加工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。針對(duì)預(yù)制構(gòu)件不符標(biāo)準(zhǔn)的情況，應(yīng)進(jìn)行最低標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)算核對(duì)，精準(zhǔn)控制預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)[1]。

2.2 系統(tǒng)工作流程

在BIM模型支撐下，通過3D激光掃描技術(shù)進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件施工參數(shù)和表面缺陷監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)按照系統(tǒng)設(shè)定的流程開展檢測(cè)工作。

（1）工作人員應(yīng)重視安全規(guī)則數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。

建設(shè)數(shù)據(jù)庫過程中，在考慮BIM模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，確定每個(gè)構(gòu)件的具體檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)規(guī)范。通過條形碼對(duì)構(gòu)件檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行標(biāo)定，再應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化處理，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，借助標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可為后期具體構(gòu)件的自動(dòng)檢測(cè)提供對(duì)比依據(jù)。

（2）控制BIM模型參數(shù)調(diào)用的具體處理過程。

①完成構(gòu)件條形碼標(biāo)定后，需要規(guī)范掃描條形碼數(shù)據(jù)，并對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的屬性進(jìn)行計(jì)算處理，處理后數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)表的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。

②通過條形碼標(biāo)定信息開展預(yù)制構(gòu)件屬性檢測(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)比構(gòu)件的外觀尺寸，分析構(gòu)件的表面缺陷。

③構(gòu)件缺陷風(fēng)險(xiǎn)分析中，應(yīng)通過最小二乘法，對(duì)掃描到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，隨后開展擬合數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)模型表面的比較，通過角度偏差和表面高度偏差，確定具體構(gòu)件的實(shí)際缺陷[2]。

3 BIM技術(shù)下裝配式建筑構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)過程分析

借助BIM技術(shù)構(gòu)建裝配式建筑三維模型，在3D激光掃描技術(shù)的支撐下，檢測(cè)建筑構(gòu)件質(zhì)量缺陷風(fēng)險(xiǎn)，已成為裝配式建筑施工質(zhì)量控制的重要手段。

3.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)采集

裝配式建筑構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用具有較高的專業(yè)性，在BIM技術(shù)模型中，全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可為構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)工作的開展創(chuàng)造有利條件。數(shù)據(jù)采集初期階段，應(yīng)注意安全規(guī)則庫的有效建設(shè)，通過分析構(gòu)件設(shè)計(jì)值與施工值，判斷兩者誤差是否在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，以完成預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)。信息時(shí)代下，檢測(cè)裝配式建筑構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)庫，可為構(gòu)件自動(dòng)檢測(cè)、對(duì)比工作的開展創(chuàng)造有利條件。安全規(guī)則數(shù)據(jù)庫可分為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)。

直接參數(shù)誤差、間接參數(shù)誤差是檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤差的兩種基本形式。

（1）直接參數(shù)無須進(jìn)行幾何運(yùn)算。

給定預(yù)制構(gòu)件參數(shù)允許的誤差范圍后，可通過3D掃描的方式，將構(gòu)件的施工參數(shù)與該參數(shù)進(jìn)行直接對(duì)比。在裝配式構(gòu)件施工中，要求門窗框高、寬等孔洞尺寸的誤差保持在±2 mm以內(nèi)，此誤差為直接參數(shù)誤差。

（2）間接誤差，需要進(jìn)行復(fù)雜的幾何運(yùn)算。

在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定誤差范圍小于L/750，不超過20 mm，在進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析時(shí)，應(yīng)在獲得設(shè)計(jì)值L后，進(jìn)行允許誤差的精確計(jì)算：

式中：B——允許誤差；cosθ——構(gòu)件兩端表面擬合曲面的法向量余弦值。

當(dāng)允許誤差小規(guī)定誤差范圍安全閾值時(shí)，表示構(gòu)建的質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 檢測(cè)參數(shù)獲取

預(yù)制裝配式建筑傳統(tǒng)施工模式下，對(duì)于預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)檢測(cè)，一般通過鋼尺進(jìn)行接觸式測(cè)量。隨著構(gòu)件種類、數(shù)量的增多，人工測(cè)量過程不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間，還會(huì)出現(xiàn)較大的檢測(cè)誤差。基于此，3D激光掃描技術(shù)在預(yù)制裝配式建筑構(gòu)件檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，具有實(shí)景復(fù)制的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際掃描中，3D激光掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取，對(duì)建筑內(nèi)部分構(gòu)件幾何參數(shù)的讀取具有積極作用。

在三維激光掃描中，其數(shù)據(jù)輸出的格式主要包括ASC、WRL、四邊形網(wǎng)格，這些格式支持對(duì)重疊點(diǎn)云自動(dòng)選取最佳數(shù)據(jù)和自動(dòng)裁剪，為后期的數(shù)據(jù)處理創(chuàng)造了有利條件。對(duì)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，可在法向量自動(dòng)判斷方式的支撐下，剔除無效數(shù)據(jù)。通過Geomagic進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)前期處理，進(jìn)行曲面重構(gòu)和實(shí)體構(gòu)造等步驟，可獲得相應(yīng)的三維實(shí)體數(shù)據(jù)。

3.3 檢測(cè)參數(shù)存儲(chǔ)

預(yù)制裝配式建筑構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)中，需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)類型較多，具體的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含預(yù)制樓板、預(yù)制墻板類構(gòu)件，且涉及預(yù)制梁柱桁架類構(gòu)件、裝飾構(gòu)件。在構(gòu)件檢測(cè)中，應(yīng)對(duì)構(gòu)建的尺寸規(guī)格、對(duì)角線差、外形等要素進(jìn)行全面檢測(cè)對(duì)比。

在安全規(guī)則數(shù)據(jù)庫中，應(yīng)對(duì)檢測(cè)構(gòu)件的歸類分析，并按照結(jié)構(gòu)要求，規(guī)范存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)前，需規(guī)范開展每個(gè)構(gòu)件名稱、檢測(cè)屬性的標(biāo)定，為后期數(shù)據(jù)讀取對(duì)比奠定基礎(chǔ)。目前，數(shù)據(jù)標(biāo)定多采用十進(jìn)制方式，每個(gè)檢測(cè)實(shí)體和屬性均用兩位十進(jìn)制碼標(biāo)定，在標(biāo)定碼中，最后3位一般被作為預(yù)警時(shí)的提示信息，可顯示對(duì)比依據(jù)所屬條款。

3.4 構(gòu)件參數(shù)具體檢測(cè)

（1）對(duì)比構(gòu)件外觀參數(shù)。

此項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容側(cè)重于施工參數(shù)與安全規(guī)則的對(duì)比，多通過二分法進(jìn)行查找和對(duì)比。在數(shù)據(jù)查找中，應(yīng)對(duì)構(gòu)建的ID編號(hào)、名稱、類型和類型值進(jìn)行規(guī)范排序，在不同編號(hào)下進(jìn)行屬性值檢測(cè)，保證預(yù)制構(gòu)件的檢測(cè)效果。

（2）重視構(gòu)建表面缺陷的檢測(cè)。

如預(yù)制構(gòu)件表面剝落、裂縫等，檢測(cè)缺陷檢測(cè)時(shí)，應(yīng)在BIM模型的支撐下，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的系統(tǒng)掃描，再通過擬合的方法判斷構(gòu)件缺陷，局部擬合應(yīng)關(guān)注表面法向量的角度偏差，全局?jǐn)M合應(yīng)關(guān)注平面間的距離偏差。

（3）計(jì)算構(gòu)建偏差。

構(gòu)建偏差越大，說明離缺陷邊緣越近。

4 結(jié)語

基于BIM技術(shù)構(gòu)建建筑的三維模型，通過3D激光掃描技術(shù)開展預(yù)制混凝土構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)于裝配式建筑的施工質(zhì)量具有深刻影響。目前該檢測(cè)技術(shù)已成為裝配式構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)，從檢測(cè)過程來看，該技術(shù)可快速檢測(cè)預(yù)制裝配式建筑構(gòu)件外觀尺寸、表面缺陷，檢測(cè)的結(jié)果會(huì)通過ID編碼的方式在BIM模型中顯示，對(duì)預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量控制具有積極作用，可避免不達(dá)標(biāo)構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)。基于BIM與3D激光掃描技術(shù)的結(jié)合，形成了預(yù)制混凝土構(gòu)件質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，在安全規(guī)則數(shù)據(jù)庫的作用下，構(gòu)件檢測(cè)具有定量化、數(shù)據(jù)化、信息化的優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)效率較快，檢測(cè)精度較高，可滿足裝配式建筑施工、發(fā)展需要。