三維掃描結(jié)合BIM技術(shù)在玻璃幕墻工程中的應(yīng)用

李璐

摘要：隨著科技的不斷進(jìn)步，三維掃描技術(shù)與BIM技術(shù)作為兩種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，其在玻璃幕墻工程中的應(yīng)用，既是時代發(fā)展的必然趨勢，也是玻璃幕墻工程發(fā)展的實際需要。在兩種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用情況下，玻璃幕墻工程數(shù)據(jù)采集更加及時、完整、有效，數(shù)據(jù)資源整合利用率更高，為模型的構(gòu)建與分析提供了重要的數(shù)據(jù)支持。本文主要闡述了三維掃描與BIM技術(shù)在幕墻工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，在玻璃幕墻工程中的具體應(yīng)用與應(yīng)用的必要性，并對這兩種技術(shù)在幕墻行業(yè)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

Abstract： With the constant progress of science and technology， the application of 3D scanning technology and BIM technology in glass curtain wall engineering is not only the inevitable trend of the times， but also the actual needs of glass curtain wall engineering development. By the combination of the two kinds of technology， glass curtain wall engineering data collection has become more timely， complete and effective， and the data resources utilization becomes higher， providing important data support for the construction and analysis of the model. This article mainly expounds the application status of 3D scanning with BIM technology in the curtain wall engineering， the concrete application and the application necessity in glass curtain wall engineering. And the development trend of the two technologies in curtain wall industry is prospected.

關(guān)鍵詞：三維掃描；BIM技術(shù)；玻璃幕墻工程；應(yīng)用

Key words： 3D scanning；BIM technology；glass curtain wall engineering；application

中圖分類號：TU17 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0149-03

0 引言

近年來，伴隨工程信息化程度的不斷提高，3D建模技術(shù)、三維掃描、BIM技術(shù)開始在建筑領(lǐng)域中滲透。玻璃幕墻工程作為建筑工程的一個重要分支，以往在施工過程中，由于受技術(shù)水平的限制，其模型建立往往缺乏適用性與有效性，且數(shù)據(jù)采集、整理與分析低效，難以為工程方案設(shè)計提供必要的數(shù)據(jù)信息。而三維掃描與BIM技術(shù)的引入，使得施工圖紙、模型構(gòu)建與分析更加直觀清晰、精確。因此，研究這兩種技術(shù)在玻璃幕墻工程中的應(yīng)用非常重要。

1 三維掃描與BIM技術(shù)在幕墻工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

三維掃描憑借大面積、高分辨率的成像來實現(xiàn)對建筑全景的復(fù)制，并向建筑結(jié)構(gòu)分析提供所需三維點云數(shù)據(jù)，而在幕墻工程中得了廣泛的應(yīng)用。目前，三維掃描在幕墻工程中的應(yīng)用大多是與BIM技術(shù)相互結(jié)合使用[1]。BIM技術(shù)自出現(xiàn)起，就受到了許多專家學(xué)者的高度關(guān)注與重視，并隨著技術(shù)實踐與應(yīng)用范圍的日益廣泛，開始逐漸由理論轉(zhuǎn)向工程技術(shù)應(yīng)用。如李艷妮對BIM技術(shù)結(jié)合軟件建模進(jìn)行了相關(guān)研究，從模型中獲取建筑結(jié)構(gòu)信息，實現(xiàn)了對建筑結(jié)構(gòu)的可視化與定量分析；鄭聰從設(shè)計與數(shù)據(jù)處理方面，將BIM技術(shù)與集成化設(shè)計相融合，并對其在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢進(jìn)行了分析；王寶龍通過對某傳媒中心幕墻工程施工BIM建模、參數(shù)設(shè)計及數(shù)據(jù)處理等的研究，對BIM技術(shù)適用于復(fù)雜造型幕墻工程施工設(shè)計進(jìn)行了實證分析；劉桁通過對上海中心大廈幕墻工程設(shè)計、施工對BIM技術(shù)的使用情況的介紹，強(qiáng)調(diào)了BIM技術(shù)在幕墻工程領(lǐng)域的應(yīng)用價值與廣闊前景；張鵬等人借助軟件對BIM技術(shù)在成都大魔方售樓工程的外立面幕墻施工中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，實現(xiàn)了對幕墻施工方案的優(yōu)化[2]。整理看來，三維掃描與BIM技術(shù)在幕墻工程中的應(yīng)用情況目前處于良好發(fā)展態(tài)勢。

2 三維掃描與BIM技術(shù)在雙曲面玻璃幕墻工程中的應(yīng)用

2.1 三維掃描與BIM在雙曲面玻璃幕墻工程中應(yīng)用的必要性

三維掃描目前應(yīng)用于工程領(lǐng)域的掃描方式主要有全景掃描和三維激光掃描兩種。其中，全景掃描通過采用高像素數(shù)碼相機(jī)來采集一系列圖像序列，然后經(jīng)軟件匹配拼接處理，最終形成一個完整的全景圖像[3]。該圖像含有坐標(biāo)數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)，能夠直接與BIM模型進(jìn)行比對，從而找出工程設(shè)計效果與實際完成效果之間的差異，實現(xiàn)對工程設(shè)計方案的優(yōu)化。三維激光掃描通過高速激光掃描測量來大面積獲取被測對象的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，具有高精度、高效率等特點，適用于高精度、高分辨率數(shù)字模型的獲取。

與平面玻璃幕墻施工不同，雙曲面玻璃幕墻工程在實際施工過程中往往難度大、造型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在較大弧度、生產(chǎn)加工周期長、成本高，尤其是大面積雙曲面玻璃幕墻施工。如果單純的采用傳統(tǒng)加工技術(shù)將無法實現(xiàn)雙曲面玻璃幕墻建設(shè)，因而必須借助現(xiàn)代化信息技術(shù)。實踐應(yīng)用表明，三維掃描與BIM技術(shù)在雙曲面玻璃幕墻工程中的應(yīng)用，可以有效解決上述技術(shù)難題[4]。因為三維掃描技術(shù)通過成像設(shè)備在施工現(xiàn)場獲取大量圖像序列，克服了實景坐標(biāo)數(shù)據(jù)及各測量數(shù)據(jù)獲取難題，而BIM技術(shù)的使用則克服了實景模型的建立與分析難題，使得雙曲面玻璃幕墻建設(shè)得以實現(xiàn)，可以說三維掃描與BIM技術(shù)是雙曲面玻璃幕墻建設(shè)得以實現(xiàn)的重要保障與技術(shù)支撐。因此，將兩者應(yīng)用在雙曲面玻璃幕墻工程中非常必要與重要。

2.2 三維掃描與BIM在雙曲面玻璃幕墻工程中的具體應(yīng)用

2.2.1 工程概況

某建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計正立面呈圓形，側(cè)立面為橢圓形，建筑功能包括商務(wù)中心、辦公、管理機(jī)房、客房、地下車庫等，外形結(jié)構(gòu)如圖1。由于外形設(shè)計特殊，每層平面橢圓隨著角度的轉(zhuǎn)變而逐層漸變，從而構(gòu)成了雙曲面玻璃幕墻式外立面。主樓幕墻工程采用鋼管龍骨支撐系統(tǒng)，豎向主龍骨采用圓形鋼管，橫向龍骨采用鋁合金型材，玻璃面板采用中空鋼化夾膠暖邊玻璃[5]。基于建筑結(jié)構(gòu)外立面造型為雙曲面玻璃幕墻，施工難度極大，存在的主要施工難點有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建筑每層平面橢圓均不相同，外立面整體呈弧形變化，玻璃縫隙豎向貫通要求連續(xù)，但這樣會使豎向龍骨弧度與雙曲面玻璃造型無法一致，進(jìn)而無法與幕墻玻璃緊密接合?；谶@些問題與難點的存在，如果沒有先進(jìn)技術(shù)作為支撐整個幕墻工程基本難以實現(xiàn)。

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2.2.2 三維掃描與BIM技術(shù)的具體應(yīng)用

結(jié)合該工程平面玻璃逐層變化及雙曲面結(jié)構(gòu)特點，考慮到雙曲面幕墻玻璃對測量精度要求高，本文決定采用三維掃描結(jié)合BIM技術(shù)來對幕墻工程進(jìn)行設(shè)計與施工，三維激光掃描儀選用Focus3D激光掃描儀[6]。這種三維激光掃描儀水平掃描視野360°，垂直掃描視野305°，可以將被掃描對象信息轉(zhuǎn)換成三維點云數(shù)據(jù)，擁有12.2×103點/s（慢速）、24.4×103點/s（中速）、48.8×103點/s（快速）和97.6×103點/s（高速）四種測量速度。

首先，建立高精度控制網(wǎng)，然后利用三維掃描技術(shù)對整個建筑玻璃幕墻進(jìn)行掃描，以獲取玻璃幕墻所有圖像信息，包括各種圖像的三維模型、坐標(biāo)數(shù)據(jù)、像素及其他相關(guān)測量數(shù)據(jù)。測量完畢后在每一個測量點支座上安裝一個三維可調(diào)轉(zhuǎn)接件，用于對三維測量帶來的誤差進(jìn)行校正，并對測量所得點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理利用最小二乘法對由導(dǎo)線測量所得導(dǎo)線數(shù)據(jù)和高程控制測量所得高程數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計算，即利用已知點平面坐標(biāo)和高程來計算出其他控制點的平面坐標(biāo)和高程，并將測量誤差平均到每個控制點上，以提高測量精度。然后，利用BIM技術(shù)建立BIM模型如圖2。

為保證數(shù)據(jù)測量精度與掃描的完整性，使用12.2×103點/s（慢速）來對建筑全景進(jìn)行掃描，分站間距設(shè)為50m以內(nèi)。三維激光掃描儀開機(jī)自檢，確定掃描儀工作正常后建立幕墻工程項目并設(shè)置分站；啟動掃描儀，選擇適合的掃描類型后先用快速掃描對幕墻工程數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略提取并觀察數(shù)據(jù)情況，設(shè)置掃描儀水平與垂直掃描視角，然后將掃描速度調(diào)整為慢速，分辨率調(diào)整到最高級別；按照幕墻工程設(shè)計要求對網(wǎng)格質(zhì)量、聚焦等其他掃描參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；當(dāng)所有參數(shù)全部設(shè)置完畢后開始進(jìn)行掃描，當(dāng)一個分站掃描任務(wù)完成保存好測量數(shù)據(jù)后開始下一個分站的掃描；將掃描所得各控制點點云數(shù)據(jù)拼接起來，獲得儀器坐標(biāo)系下和施工坐標(biāo)系下各點坐標(biāo)。用最小二乘法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算并對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度進(jìn)行檢驗。

3 三維掃描與BIM結(jié)合在幕墻行業(yè)中的未來展望

根據(jù)三維掃描與BIM技術(shù)在玻璃幕墻工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析可知，它們在幕墻行業(yè)中的發(fā)展前景十分廣闊。目前，三維掃描與BIM技術(shù)在玻璃幕墻中的應(yīng)用主要是用于解決數(shù)據(jù)的采集、整理與分析以及建筑結(jié)構(gòu)模型的建立與解析等問題，而這些數(shù)據(jù)的獲取與分析是玻璃幕墻工程施工方案與圖紙設(shè)計的重要依據(jù)。因此，三維掃描與BIM技術(shù)在幕墻行業(yè)未來的發(fā)展將會在數(shù)據(jù)處理功能和模型分析功能方面進(jìn)一步強(qiáng)化，同時其他功能也需得到進(jìn)一步提升。

另外，雖然三維掃描與BIM技術(shù)在我國工程領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用，如在造型復(fù)雜幕墻工程中的應(yīng)用可以解決技術(shù)上的高精度、高效數(shù)據(jù)處理等要求，但目前仍處于發(fā)展的初期階段，且與國際水平相比還有較大一段差距，需要在今后的發(fā)展與應(yīng)用過程中不斷將這種差距縮小。

4 總結(jié)

總之，三維掃描與BIM技術(shù)在玻璃幕墻工程中的應(yīng)用所具有的重要性不言而喻，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高效率獲取各項所需數(shù)據(jù)，而且克服了雙曲面玻璃幕墻等復(fù)雜工程施工的技術(shù)難題，對我國玻璃幕墻等工程發(fā)展具有巨大的推動作用。隨著幕墻行業(yè)信息化程度的不斷提升，以及三維掃描與BIM技術(shù)的進(jìn)一步成熟，三維掃描與BIM技術(shù)在幕墻行業(yè)中的應(yīng)用將更加成熟、前景更加廣闊。

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