基于BIM+點(diǎn)云數(shù)據(jù)的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量智能檢測方法

胡紹蘭, 黃鳳玲, 張國興, 季凡杰

(河北建筑工程學(xué)院 a.經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院; b.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; c.張家口BIM工程技術(shù)研究中心; d.張家口建筑產(chǎn)業(yè)管理數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000)

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、構(gòu)件眾多且體量較大，在建筑施工過程中需要及時全面地對鋼構(gòu)件及其拼接質(zhì)量進(jìn)行全面系統(tǒng)的檢測評估[1,2]。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測方法主要依靠全站儀測量鋼結(jié)構(gòu)特征部位，然后與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行比較，得出鋼結(jié)構(gòu)變形信息，從而發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題[3]，此方法工作周期長、檢測密度差，難以實(shí)現(xiàn)直觀全面的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測[4]，無法滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑施工過程中的質(zhì)量檢測需求。因此，如何對鋼構(gòu)件的加工質(zhì)量、拼接質(zhì)量進(jìn)行快速精確地檢測評估，是鋼結(jié)構(gòu)施工建造過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

隨著BIM技術(shù)的不斷成熟，其強(qiáng)大的三維可視化及信息集成能力等優(yōu)勢得到行業(yè)相關(guān)人員的認(rèn)可，并應(yīng)用于建筑構(gòu)件的模擬拼裝、碰撞檢測等方面，顯著提高了施工效率[5]。然而，鋼構(gòu)件在加工、運(yùn)輸以及組裝過程中會產(chǎn)生一系列誤差[6,7]，這些誤差無法通過正向建模技術(shù)進(jìn)行評估，嚴(yán)重限制了BIM技術(shù)在施工質(zhì)量檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，目前迫切需要新的手段進(jìn)一步挖掘BIM模型的應(yīng)用潛力，保證BIM模型在施工質(zhì)量檢測及控制領(lǐng)域的充分應(yīng)用[8]。

數(shù)字技術(shù)的發(fā)展為工程質(zhì)量檢測提供了新手段，部分專家學(xué)者試圖將一些新技術(shù)引入到鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測控制領(lǐng)域，以優(yōu)化、增強(qiáng)BIM技術(shù)，克服其缺陷，使其更好地服務(wù)于工程建設(shè)[9～11]。三維激光掃描技術(shù)以其高精度的測量優(yōu)勢，成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)[12,13]。已有研究將BIM與三維掃描技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于橋梁[14]、機(jī)場等工程鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的預(yù)拼裝，有效指導(dǎo)了工程施工。

BIM和三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的前提是數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，高精度的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)能夠有效降低后期的分析誤差，保證上述技術(shù)的可靠性[15]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，目前的研究方法多以BIM模型為基礎(chǔ)，提取三維激光掃描數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)、特征線等參照信息，進(jìn)一步利用相關(guān)軟件完成特征點(diǎn)、特征線的幾何信息轉(zhuǎn)化，從而完成三維激光掃描數(shù)據(jù)與BIM模型的配準(zhǔn)[16,17]，該方式要求待測物體具有明顯的幾何特征，應(yīng)用場景具有局限性，同時幾何特征提取效率低、人為干擾因素大。基于靶紙的方式精度高、速度快，適宜于大范圍點(diǎn)云場景的拼接[18]，然而該方式不適用于與BIM模型相關(guān)的配準(zhǔn)。因此如何提高BIM模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的精度和自動化程度，是目前急需解決的關(guān)鍵問題。

為解決上述問題，本文創(chuàng)新性地將BIM模型離散為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合改進(jìn)ICP算法，突破數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、關(guān)鍵建筑節(jié)點(diǎn)提取和兩類數(shù)據(jù)的自動匹配分析等技術(shù)難題，完成BIM模型點(diǎn)云與三維激光掃描點(diǎn)云模型的自動化配準(zhǔn)，提高了鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測的效率，優(yōu)化了目前基于BIM模型與三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測及控制的相關(guān)技術(shù)框架。最終，將上述方法應(yīng)用于中國人民大學(xué)通州新校區(qū)社會與人口學(xué)院樓項(xiàng)目，完成了鋼構(gòu)件的加工質(zhì)量、預(yù)拼裝精度及拼裝質(zhì)量的檢測，實(shí)現(xiàn)了精確、高效的智能化鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制。

1 BIM+三維激光掃描技術(shù)集成

如圖1所示，為實(shí)現(xiàn)智能化鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測，本文充分挖掘BIM建模和三維激光掃描技術(shù)逆向建模的優(yōu)勢，首先構(gòu)建BIM模型，離散為點(diǎn)云數(shù)據(jù)；其次將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、配準(zhǔn)等預(yù)處理；進(jìn)而基于改進(jìn)ICP算法完成BIM數(shù)據(jù)與三維激光掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)；最終完成鋼結(jié)構(gòu)的幾何質(zhì)量評價(jià)，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測及控制。

圖1 BIM+三維激光掃描集成

1.1 BIM數(shù)據(jù)離散化

與點(diǎn)云的表達(dá)形式不同，BIM模型是由若干基本的實(shí)體單元經(jīng)過一系列變化組成的復(fù)雜幾何實(shí)體，為實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，本文先將BIM模型轉(zhuǎn)換為sat數(shù)據(jù)格式，進(jìn)一步將sat格式轉(zhuǎn)換為mesh模型，最終離散mesh模型為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 點(diǎn)云降噪

受光線、發(fā)射強(qiáng)度等因素影響，三維激光掃描儀收集到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中含有噪聲點(diǎn)，為了保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確性，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理[19]。本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)濾波方法(Statistical Outlier Removal,SOR)完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波，其公式如式1所示。

Di=Mean+s×σ

(1)

式中:Di為噪音點(diǎn)判斷閾值;Mean為標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù);s為標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù);σ為鄰域內(nèi)所有點(diǎn)到i點(diǎn)距離的標(biāo)準(zhǔn)差。通過設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù)以及半徑值，計(jì)算閾值Di，當(dāng)鄰域內(nèi)的點(diǎn)至i點(diǎn)的距離大于Di時，視其為異常點(diǎn)，進(jìn)行剔除。

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)位于世界坐標(biāo)系，解析后的BIM點(diǎn)云數(shù)據(jù)位于局部坐標(biāo)系，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)是上述點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的前提[20]，ICP算法以原理清晰、計(jì)算簡單等優(yōu)勢成為點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的主要方法。然而該方法對待配準(zhǔn)點(diǎn)云的初始位置要求較高，易出現(xiàn)局部最優(yōu)解情況，為此本文引入主成分分析(Principal Components Analysis,PCA)算法對原始點(diǎn)云進(jìn)行粗配準(zhǔn)，獲取優(yōu)勢初始位置，在此基礎(chǔ)上經(jīng)ICP算法實(shí)現(xiàn)精確的點(diǎn)云配準(zhǔn)，有效解決配準(zhǔn)局部最優(yōu)解問題。針對PCA算法計(jì)算得到的待配準(zhǔn)點(diǎn)云主軸方向存在反向的可能性，本文建立旋轉(zhuǎn)矯正矩陣A對粗配準(zhǔn)過程進(jìn)行約束。

(2)

式中:a1,a2,a3對應(yīng)坐標(biāo)系的x,y,z軸。矩陣A僅用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間旋轉(zhuǎn)，其非對角元素全為0，對角元素ai的取值只有1和-1，其中1表示軸方向同向，-1則表示軸方向反向。

在上述粗配準(zhǔn)完成后，點(diǎn)云的初始配準(zhǔn)位置得到確定，進(jìn)一步利用ICP算法對待配準(zhǔn)點(diǎn)云進(jìn)行迭代配準(zhǔn)，其計(jì)算公式如式(3)所示。

(3)

式中:E為迭代計(jì)算誤差;T為平移矩陣；R為旋轉(zhuǎn)矩陣；qi，pi為基準(zhǔn)點(diǎn)云Q、待配準(zhǔn)點(diǎn)云P中第i個點(diǎn)；N為點(diǎn)云個數(shù)。

1.4 BIM與點(diǎn)云模型對比分析

BIM模型是理想狀態(tài)下的設(shè)計(jì)模型，可作為建筑構(gòu)件質(zhì)量檢測的依據(jù)[22]。本文將三維激光掃描得到的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM模型解析的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，檢測出構(gòu)件尺寸和位置上的偏差，控制鋼構(gòu)件的質(zhì)量，其示意圖如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云與BIM融合原理

如圖2所示，假定點(diǎn)云中任意一點(diǎn)P1為計(jì)算點(diǎn)，首先尋找在BIM模型中與P1最近的點(diǎn)P2；其次，為考慮點(diǎn)云的粗糙度，設(shè)置法向量半徑d，對原始點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索，建立點(diǎn)云鄰域數(shù)據(jù)集，利用最小二乘法對鄰域數(shù)據(jù)集進(jìn)行平面擬合，即

z=α0+α1x+α2y

(4)

式中:x,y,z為地面點(diǎn)坐標(biāo)；α0，α1，α2為平面擬合系數(shù)。構(gòu)建擬合平面后，計(jì)算P2點(diǎn)至點(diǎn)云擬合平面的距離作為點(diǎn)云P1點(diǎn)到BIM模型的距離，從而得出實(shí)際構(gòu)件與設(shè)計(jì)構(gòu)件的偏差，完成實(shí)際構(gòu)件誤差評估。此方法充分考慮點(diǎn)云模型粗糙度，提高了計(jì)算精度；進(jìn)一步將鋼構(gòu)件激光掃描點(diǎn)云模型預(yù)拼裝成結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)模型與BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比較分析，從而得出預(yù)拼裝誤差，為工程建設(shè)提供參考。

在解決上述關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文將BIM與三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)用于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量評估中，形成全過程的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量智能化檢測框架，如圖3所示。首先建立鋼結(jié)構(gòu)BIM模型，為質(zhì)量檢測及控制提供基準(zhǔn)模型。其次，基于三維激光掃描技術(shù)獲取加工完成的鋼構(gòu)件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，與BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行模型對比，確保出場鋼構(gòu)件的加工質(zhì)量均合格；在質(zhì)量檢測的基礎(chǔ)上，對激光掃描構(gòu)件進(jìn)行預(yù)拼裝，確保鋼構(gòu)件在理論上符合實(shí)際安裝條件；在拼裝階段，掃描獲取實(shí)際安裝完成后的鋼構(gòu)件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，與BIM模型進(jìn)行對比分析，確保鋼結(jié)構(gòu)的安裝質(zhì)量合格。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量全過程智能化檢測框架

2 BIM模型構(gòu)建

2.1 工程概況及設(shè)備

中國人民大學(xué)通州新校區(qū)社會與人口學(xué)院樓項(xiàng)目，總建筑面積為31025 m2。該工程地下為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上是鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)部分包括地下鋼骨柱、地上空腹鋼柱、型鋼混凝土鋼柱、箱型截面鋼梁、實(shí)腹鋼梁、鋼桁架梁及鋼板樓梯等。工程量龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工精度要求高。為快速、有效地進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制，本文將BIM+三維激光掃描運(yùn)用于該項(xiàng)目。本項(xiàng)目主體為梁柱，柱為一個整體，但梁構(gòu)件數(shù)量多、形狀復(fù)雜，故本文以某一鋼梁為例，從鋼結(jié)構(gòu)的加工、預(yù)拼裝以及安裝等方面對鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行檢測，完成鋼結(jié)構(gòu)施工精度控制。

本工程使用天寶TX5三維激光掃描儀獲取鋼結(jié)構(gòu)激光點(diǎn)云，該設(shè)備測量精度優(yōu)于1 mm，最大掃描半徑120 m，測量速度為97.6萬點(diǎn)/s，可快速、全方位獲取建筑室內(nèi)外表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

對該工程項(xiàng)目進(jìn)行BIM模型構(gòu)建，從中提取某一梁構(gòu)件單元進(jìn)行工程質(zhì)量控制，如圖4a所示。依照BIM數(shù)據(jù)離散方法，將BIM數(shù)據(jù)離散為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4b,4c所示。

圖4 BIM模型與點(diǎn)云轉(zhuǎn)換

3 鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量分析

分別在加工階段、拼裝完成階段對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維激光掃描，基于BIM+三維激光掃描集成技術(shù)方法，將掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行對比分析，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測及控制。

3.1 加工質(zhì)量

3.1.1 點(diǎn)云獲取

為獲取完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，避免施工場地地物遮擋，設(shè)置8個掃描站，布設(shè)10個標(biāo)靶，從多角度對構(gòu)件進(jìn)行三維激光掃描，每一站保證含有5個以上的標(biāo)靶。將多角度掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，拼接后鋼梁構(gòu)件如圖5所示，拼接精度優(yōu)于2 mm。

圖5 鋼梁掃描

3.1.2 點(diǎn)云降噪

設(shè)置半徑為5，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為5，完成異常點(diǎn)降噪，以圖5中紅色方框螺孔區(qū)域進(jìn)行展示，降噪前后點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖6中可以看出，異常點(diǎn)剔除后，螺栓孔更加清晰完整。

圖6 點(diǎn)云降噪效果

3.1.3 BIM與點(diǎn)云模型配準(zhǔn)

基于PCA結(jié)合ICP算法對鋼梁構(gòu)件進(jìn)行配準(zhǔn)，點(diǎn)云經(jīng)過PCA算法粗配準(zhǔn)如圖7a所示，點(diǎn)云數(shù)據(jù)和BIM解析點(diǎn)云數(shù)據(jù)初始位置基本一致，然后采用ICP算法進(jìn)行精細(xì)配準(zhǔn)后，如圖7b所示，兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的精確配準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算鋼梁的配準(zhǔn)誤差為0.708 mm，耗時0.59 s，配準(zhǔn)矩陣如式(5)所示。當(dāng)僅采用ICP算法時，配準(zhǔn)結(jié)果如圖8所示，配準(zhǔn)矩陣如式(6)所示。鋼梁配準(zhǔn)誤差為1.112 mm，耗時0.63 s。

圖7 PCA+ICP算法配準(zhǔn)

圖8 傳統(tǒng)ICP算法配準(zhǔn)

(5)

(6)

3.1.4 質(zhì)量檢測

在點(diǎn)云模型與BIM模型精確配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將掃描點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行質(zhì)量對比，從立體空間和平面上選取監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行偏差分析，判斷偏差是否符合標(biāo)準(zhǔn)誤差要求，是否需要返廠重修。

為實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量以及后續(xù)預(yù)拼裝精度控制，本次檢測主要選取鋼構(gòu)件螺栓孔、鋼肋板部分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量評估。在立體空間，選取鋼梁的三個螺栓孔，每個螺栓孔選取2個控制點(diǎn)，共6個監(jiān)測點(diǎn)；從z軸截取鋼梁平面，選取4個鋼肋板，自左至右選取6個監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)分布如圖9所示。對監(jiān)測點(diǎn)處的加工偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)最大偏差為0.1668，偏差較小，均小于2 mm，見表1，符合設(shè)計(jì)要求及《鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，可進(jìn)行下一步的預(yù)拼裝，不需要返廠重修。

圖9 鋼梁監(jiān)測點(diǎn)分布

表1 3D，2D鋼梁檢測參考值、測試值、偏差值 mm

3.2 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝

加工質(zhì)量檢測完成后，將待安裝的鋼梁及與其連接的縱梁進(jìn)行預(yù)拼裝，得到預(yù)拼裝的誤差為0.338 mm，預(yù)拼裝矩陣如式(7)所示，虛擬預(yù)拼裝結(jié)果如圖10所示，該誤差在允許的范圍內(nèi)，可進(jìn)行實(shí)際拼裝。

圖10 虛擬預(yù)拼裝示意

(7)

3.3 拼裝質(zhì)量檢測

在滿足預(yù)拼裝的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際安裝，對安裝后的鋼結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行三維激光掃描，獲取鋼結(jié)構(gòu)單元的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對比，檢測鋼結(jié)構(gòu)的安裝質(zhì)量是否符合要求。基于本文提出的配準(zhǔn)算法將三維激光掃描的點(diǎn)云模型與BIM模型進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)誤差0.753 mm，轉(zhuǎn)換矩陣如式8所示。

(8)

在配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對鋼結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行對比分析。本次監(jiān)測點(diǎn)的選取主要針對鋼結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)問題的安裝處部分進(jìn)行質(zhì)量檢測，故在兩端安裝處各選取4個監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)分布如圖11所示。對鋼結(jié)構(gòu)單元監(jiān)測點(diǎn)的安裝偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如表2所示。最大偏差為1.4511 mm，小于2 mm，偏差較小，未超過鋼結(jié)構(gòu)安裝規(guī)范要求，安裝質(zhì)量合格。

圖11 整體監(jiān)測點(diǎn)分布

表2 安裝整體檢測參考值、測試值、偏差值 mm

4 結(jié) 論

(1)提出了一種新的BIM+三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量智能化檢測框架，利用智能化處理算法挖掘BIM模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)勢，從正、逆雙向進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測及控制，保證了鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制的真實(shí)性、有效性。

(2)提供了一種新的BIM與激光掃描技術(shù)集成方法。將BIM模型離散為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)PCA結(jié)合ICP算法完成數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，以法向量方向?yàn)榧s束完成點(diǎn)云距離計(jì)算，實(shí)現(xiàn)高效、精確的施工過程鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測。

(3)PCA+ICP配準(zhǔn)算法相較于僅使用ICP算法，實(shí)現(xiàn)了配準(zhǔn)誤差由1.112 mm降低至0.708 mm，配準(zhǔn)時間由0.63 s降低到0.59 s，提高了點(diǎn)云配準(zhǔn)精度，降低了點(diǎn)云配準(zhǔn)時間。