三維激光掃描技術結合BIM技術在建設工程中的應用

王 靜

(鄭州工業(yè)應用技術學院建筑工程學院,河南 新鄭 451150)

《中國建筑施工行業(yè)信息化發(fā)展報告(2015)BIM深度應用與發(fā)展》提出了以BIM技術為核心,與云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實技術、物聯(lián)網(wǎng)等先進信息化技術集成應用,三維激光掃描技術亦是九大集成應用之一,二者結合顯著提升了工程建設領域的信息化水平。

1 三維激光掃描技術與BIM技術

1.1 三維激光掃描技術概述

三維激光掃描技術(3D Laser Scanning Technology),又稱“實景復制技術”,通過自動控制技術,對任何復雜的現(xiàn)場環(huán)境、空間物體按照事先設置的分辨率(相當于采樣間隔)進行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和處理,以其非接觸性、免棱鏡、高速率、實時性強、數(shù)字化程度高、擴展性強等優(yōu)點,成為直接獲取目標高精度三維數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)三維可視化的重要手段。其應用涉及地形測量、變形監(jiān)測、古建筑改造、災害預警、場景虛擬等方面。

1.2 建筑信息模型(BIM技術) 概述

建筑信息模型(BIM技術),其中,B代表Building——廣義地代表了各類土木工程建設項目,包括各種建筑和市政公用工程；I代表 Information——不僅指“信息”的傳遞,還應包括信息在建筑全壽命周期中各單位、各流程間的“互用”和“集成”；M代表Modeling——包括靜態(tài)的“Model”,動態(tài)的“Modeling”和相應的管理“Management”。建筑信息模型是包含了創(chuàng)建與管理設施物理與功能特性的數(shù)字化表達的過程。過程中產(chǎn)生的一系列建筑信息模型作為共享的知識資源,在設施從早期概念階段到設計、施工、運營及最終的拆除全生命周期過程中的決策提供支持[1]。

2 三維激光掃描技術與BIM技術結合應用

BIM技術,既是模型結果,更是過程和各方的協(xié)同。然而在工程實施階段,作為項目指導和虛擬施工的建筑信息模型,往往忽視了現(xiàn)場實施多變的復雜因素,無法準確地指導現(xiàn)場施工,如何使之應用于現(xiàn)場管理,對項目實施的推進更加地有效,必然需要一定的技術手段作為輔助。三維掃描技術能夠成為有效連接BIM模型和工程現(xiàn)場的橋梁。

三維激光掃描技術與BIM技術結合在建設工程中的應用主要表現(xiàn)在以下方面：原始現(xiàn)場資料存檔；現(xiàn)場數(shù)據(jù)快速逆向建模；施工質(zhì)量對比；工程進度跟蹤、質(zhì)量檢測；運維管理。

2.1 原始現(xiàn)場資料存檔

三維激光掃描技術無疑是實測實量數(shù)據(jù)采集的有效方式。能夠確保掃描精度,完整、客觀的采集選定的工程部位或關鍵部位,作為電子資料進行存檔。

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)快速逆向建模

目前,建筑市場上使用BIM技術的主要是一些超大型、工程復雜、施工難度大的建筑項目以及政府項目。隨著政策推進,BIM技術愈加成熟,模型庫進一步完善,行業(yè)標準進一步建立,其應用程度和廣度越來越大,BIM技術越來越多的被建設項目的各階段的各參與方所接受和采用,但是在實際工作中,受到成本控制、市場運作及工程操作固有流程等因素的影響,往往是各階段分別應用,當某一階段有應用需求時,沒有前期的BIM工作作為支持,就需要借助三維激光掃描技術對現(xiàn)有建筑實體進行掃描,進行逆向建模。

對于復雜環(huán)境深基坑項目,基礎設計和圍護結構設計需要詳細、準確的地貌資料為前提,傳統(tǒng)的測繪方法由于采用離散單點采集三維坐標的方法,存在測點有限、測量精度較低、周期長、效率低等缺點,無法滿足設計精度和工程進度的要求。

三維激光掃描技術通過選取合理的站點、位置和數(shù)量、確定掃描路線,避免遮擋和干擾,確保足夠的有明顯特征的重合區(qū)域,多角度對實物掃描獲取點云數(shù)據(jù),繼而使用軟件對點云數(shù)據(jù)進行預處理,包括去噪處理、獲取有效數(shù)據(jù),進行點云數(shù)據(jù)拼接,坐標校正將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入到地理坐標中,采用適當?shù)姆椒ㄟM行三維建模,為后續(xù)工程設計規(guī)劃,創(chuàng)建建筑信息模型提供了良好的基礎。

2.3 施工質(zhì)量對比

BIM技術為項目全生命周期的決策提供依據(jù),但由于項目在建造過程中情況復雜,設計變更以及施工過程問題導致實際施工與設計BIM模型產(chǎn)生偏差,對反映施工效果收益甚微。在此背景下,采用三維掃描技術獲取的點云數(shù)據(jù),經(jīng)過軟件處理后,轉(zhuǎn)化為BIM模型數(shù)據(jù),具有現(xiàn)實指導意義和實際使用價值,然后與設計的BIM模型、CAD模型進行精度對比,發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場數(shù)字模型與設計模型間的偏差,確保在施工過程中細節(jié)的可靠性和準確性,用以確認工程情況,改變了傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場誤差復核模式,減少由于施工工藝、操作不當?shù)仍蛟斐傻难诱`工程進度、材料和人工成本的浪費、安全隱患等結果,使設計模型更符合現(xiàn)場實際工況。

在異形結構、復雜造型大范圍幕墻安裝工程中,傳統(tǒng)的幕墻安裝方法需采用全站儀、水準儀、激光垂準儀等對建筑物進行整體測量,掌握結構尺寸的偏差,并且按照單位幕墻設置垂直、水平方向的控制線,并確保標高、軸線的統(tǒng)一和唯一性,需反復檢驗、核實。耗時多,效率低。采用三維激光掃描獲取的數(shù)據(jù),進行整理和分析,進行現(xiàn)場實際結構洞口尺寸復核及土建結構誤差分析,為幕墻深化設計提供準確數(shù)據(jù),然后整合幕墻BIM深化設計模型與三維掃描模型,再次復核驗證幕墻深化設計的準確性,用以引導施工,確保工程質(zhì)量。

2.4 工程進度跟蹤、質(zhì)量檢測

傳統(tǒng)的工程進度跟蹤、質(zhì)量檢測是采用抽樣撿測的方法,對于投資規(guī)模大、參與方多、施工運行管理難度大、建設目標要求高的超大型工程項目,耗時多,效率低。而三維掃描技術和BIM技術結合的方式是全數(shù)檢查,避免了抽樣檢查的隨機性,保證數(shù)據(jù)的客觀真實,提高了質(zhì)量檢測的效率。對于監(jiān)理人員來說,優(yōu)化了工作方式：一些高危險、費時的測量工作可通過掃描完成,降低了工作量及難度；在施工現(xiàn)場完成必要的掃描工作,可在后臺繼續(xù)進行對比偏差和測量,直觀地了解工程整體質(zhì)量；改變了與項目參與各方的溝通方式,以直觀的圖像、視頻代替文字、數(shù)據(jù)資料。由此,三維掃描技術結合BIM技術有利于推動工程領域質(zhì)量管理、工程驗收的創(chuàng)新,使得質(zhì)量管理逐步向精細化、信息化方向發(fā)展。目前,三維激光掃描技術與BIM技術結合在鋼結構構件加工質(zhì)量檢測、公共建筑的樁基質(zhì)量檢測、復雜曲面結構內(nèi)裝質(zhì)量檢測、大型建筑項目墻、梁、板等主要結構施工精度檢測中得到了廣泛應用。

2.5 運維管理

建筑項目經(jīng)過規(guī)劃、設計和施工階段,投資大量資金和時間后,建筑的預期效益在運轉(zhuǎn)階段實現(xiàn)。而在運維階段內(nèi),維護成本,修繕費用,改建成本等所占的費用比例達到建筑物全生命周期費用比例的80%以上。若從經(jīng)濟角度考慮,最大限度地降低這部分成本尤為必要。基于BIM技術應用現(xiàn)狀,對于結構復雜、功能多樣的建筑,三維激光掃描技術為BIM模型的創(chuàng)建、搭建一體化的運維平臺提供了技術支撐,科學管理建筑的空間、設備、資產(chǎn)等,有效預防可能發(fā)生的災害,降低運營維護成本。

3 結論

三維激光掃描技術與BIM技術的集成應用,其成果顯著提升了工程建設領域的信息化水平,破解了很多傳統(tǒng)方法無法解決的問題,隨著三維激光掃描技術與BIM技術的日益成熟,更多的結合應用領域還亟待進一步的發(fā)掘。