基于BIM和三維激光掃描儀的GRG多曲面弧形吊頂材料驗收

曹海良 武 雷 佟昊芯

中國建筑第八工程局西北分公司 陜西 西安 710075

GRG是玻璃纖維加強石膏板，是一種特殊改良纖維石膏裝飾材料，它最大的特點是造型隨意，可以拼接生成任意弧面曲面，是目前市場上較為火熱的新型裝飾材料。本工程對GRG材料的研究主要集中在劇院高大空間的觀眾廳上空曲面吊頂造型上。由于該劇院本身聲、光控及設(shè)備布置的特殊要求，導(dǎo)致其吊頂極為復(fù)雜、曲面非常多，驗收困難。施工過程中如何既保證其施工質(zhì)量，同時又能縮短工期，避免二次返工是本文研究的重點，為以后類似的材料吊頂施工、驗收提供系統(tǒng)的思路和方法，創(chuàng)造更大的價值。

1 工程概況

敦煌大劇院是國家批準(zhǔn)的唯一以“一帶一路”文化交流為主的絲綢之路文化交流博覽會主場，是一座大型的多功能劇場建筑（圖1），以國際專業(yè)水準(zhǔn)建造，其地上建筑面積為25 591.55 m2，地下建筑面積12 626.33 m2。劇院建成后將成為亞洲地區(qū)最復(fù)雜、最具影響力的劇院之一，目前已經(jīng)創(chuàng)造了劇院建造史上的奇跡，從設(shè)計到竣工，工期約180 d。

圖1 敦煌大劇院效果圖

2 項目難點、特點

1）項目工期異常緊張，6個多月時間內(nèi)需要完成設(shè)計、采購、施工協(xié)調(diào)、裝飾裝修等任務(wù)，且敦煌屬于縣級市，大部分工程材料都需提前進(jìn)行預(yù)制加工，運往項目組裝拼接，同時項目吊頂GRG材料尤為特殊，一旦驗收工作滯后或出現(xiàn)問題，將會影響工期和質(zhì)量，給項目造成不可逆的損失。

2）項目劇院吊頂主體空間較為高大，傳統(tǒng)的驗收方法難以對這種曲面材料進(jìn)行判定，同時由于結(jié)構(gòu)造型原因，采用常規(guī)方法對觀眾廳內(nèi)的吊頂數(shù)據(jù)采集也非常難，同時劇院對于觀賞的藝術(shù)性要求極為嚴(yán)格，在如此短的工期內(nèi)完成曲面GRG材料的誤差分析與驗收是一個關(guān)鍵點，一旦出現(xiàn)問題將會造成大量的返工，影響工期。

3）項目內(nèi)部施工專業(yè)分包單位多，管理協(xié)調(diào)難度大，同時多曲面吊頂施工工序非常復(fù)雜，在施工前期必須對GRG材料進(jìn)行預(yù)制加工，現(xiàn)場測量放線并拼接組裝，因此前期預(yù)制加工必須引入BIM模型，中期施工引入三維激光掃描儀進(jìn)行質(zhì)量控制，后期將BIM和激光掃描儀結(jié)合進(jìn)行驗收，過程中也存在一定的技術(shù)難點，需要不斷地試驗與研究，是一種大膽的創(chuàng)新。

3 分析解決

3.1 基于BIM的多曲面GRG吊頂驗收原理

GRG材料驗收要求整個板的罩面要光滑平整，沒有起皮脫膠，輕鋼的輕鋼龍骨吊桿連接桿的位置一定要正確，材料平整順直，連接處一定要牢固不能松動，吊桿距離主龍骨不能超過規(guī)范距離，拼接處整理平整，整體要做到無色差、變形和污漬，面板和燈具墻面要嚴(yán)密。本項目需要在施工過程中不斷地對劇院觀眾廳多曲面GRG吊頂材料的實際施工質(zhì)量與設(shè)計要求值進(jìn)行比較，分析施工誤差，以達(dá)到過程質(zhì)量管控，其原理如下：建立GRG吊頂材料BIM模型；利用三維激光掃描儀分階段實施掃描；根據(jù)掃描儀器得到的點逆向建模；選擇軟件整合平臺整合模型比對；出具驗收誤差報告；提出整改措施[1-2]。

3.2 基于設(shè)計BIM模型的預(yù)制加工、拼接

利用設(shè)計提供的BIM相關(guān)模型（Rhion），進(jìn)行必要的專業(yè)深化后出具預(yù)制加工圖，生產(chǎn)廠家按照模型加工完成后，運往工地拼接安裝，而拼接的質(zhì)量與定位完全依照設(shè)計BIM模型的尺寸定位。敦煌項目部門在設(shè)計之初便建立了精確的BIM吊頂模型（圖2），為后續(xù)的預(yù)制加工和拼接施工提供了有力保障。

圖2 劇院觀眾廳曲面BIM模型

3.3 基于三維激光掃描儀的實際施工逆向模型

利用三維激光掃描儀對已經(jīng)存在的空間物體進(jìn)行全方位掃描，獲取物體空間幾何信息后（相當(dāng)于對其進(jìn)行了數(shù)字化），將已經(jīng)被數(shù)字化的物體導(dǎo)入三維設(shè)計軟件中，通過獲取的點云數(shù)據(jù)幾何參數(shù)化信息進(jìn)行逆向建模。敦煌大劇院項目引入目前國內(nèi)較為先進(jìn)的GX9三維激光掃描儀，對劇院觀眾廳GRG吊頂材料施工過程中及施工完成的曲面進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，采集現(xiàn)場實際施工點云數(shù)據(jù)（該項目一次掃描采集樣坐標(biāo)點近2 000萬個，需要時間15 min左右），進(jìn)而導(dǎo)入Geomagic Studio軟件平臺生成相應(yīng)的實際施工模型（圖3）。

圖3 GRG吊頂材料施工過程中點云數(shù)據(jù)的采集

3.4模型間融合分析

在確定坐標(biāo)基點之后，通過對三維激光掃描儀掃描到的點云數(shù)據(jù)逆向建模，同時將點云生成的模型與設(shè)計提供的經(jīng)過深化的BIM模型進(jìn)行平臺融合分析。我們對劇院項目實際的掃描模型和設(shè)計BIM模型在Geomagic Studio軟件平臺進(jìn)行了融合拼接并做了詳細(xì)分析（圖4、圖5）。

圖4 平臺模型融合與分析

圖5 模型融合與比對

3.5 誤差分析

通過融合平臺主要分析整個板的罩面光滑平整度，材料是否平整順直，曲面弧度是否滿足設(shè)計要求，是否和設(shè)計模型相匹配，避免因施工原因影響到劇院的燈光反射、聲學(xué)分析等。

1）整體分析：經(jīng)過將軟件平臺上設(shè)計深化的BIM模型與實際現(xiàn)場掃描的模型相融合，整體3D比較分析可知劇院建模時某些地方模型匹配的好壞，根據(jù)生成的彩虹圖（圖6）可以動態(tài)掌握工程的施工質(zhì)量，進(jìn)而制訂持續(xù)性整改措施。由上圖可以看出，設(shè)計模型與掃描模型之間的偏差臨界值為21 cm；平均偏差為－4～4 cm；整體狀況良好，同時可根據(jù)彩虹圖去重點整改、修補偏差較大的部位。

圖6 劇院項目模型3D比對彩虹圖及比對結(jié)果

2）偏差分布與標(biāo)準(zhǔn)差分析：軟件對于模型之間的偏差分布進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步分析了吊頂驗收的模型間的整體偏差分布正態(tài)分布與標(biāo)準(zhǔn)差（圖7、圖8）。從圖中我們可以看出，模型的偏差主要集中在－0.2～0.3 cm之間，這種分布屬于良好，對于超出范圍的偏差進(jìn)行整改。

圖7 偏差分布

圖8 標(biāo)準(zhǔn)差分布

3）注釋圖與剖面圖分析：在模型中預(yù)先選出重點觀測的地方，同時對各分布點進(jìn)行分析，可得知選取的點之間的坐標(biāo)偏差，這樣可以更有利于對吊頂材料重點部位的質(zhì)量控制（圖9）。

4 出具驗收報告

根據(jù)軟件對掃描的實際模型和設(shè)計BIM模型進(jìn)行對比，進(jìn)而進(jìn)行誤差分析，形成質(zhì)量驗收報告，同時通過報告找出誤差不符合規(guī)范要求的地方并進(jìn)行整改，分析造成誤差的原因，進(jìn)而在接下來的吊頂施工中加以避免，有效提高施工效率，保證施工工期。

5 結(jié)語

本項目將BIM與三維激光掃描儀結(jié)合并用于GRG材料的驗收，在實際施工中獲得了良好的效果，對劇院復(fù)雜結(jié)構(gòu)吊頂?shù)氖┕べ|(zhì)量起到了嚴(yán)格的管控，可以看到BIM技術(shù)在本項目發(fā)揮著如下作用[3-5]：

圖9 主視圖與剖面分析

1）解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)吊頂過程質(zhì)量控制的問題。本項目的觀眾廳曲面造型異常復(fù)雜，設(shè)計流線要求極高，過程中質(zhì)量難以控制，在傳統(tǒng)方法難以簡單控制的情況下，將BIM技術(shù)與三維激光掃描儀相結(jié)合，另辟蹊徑，逆向建模，在計算機上完成對裝飾材料的質(zhì)量控制。

2）節(jié)約工期。項目通過BIM模型的深化與定位，加快了GRG材料的預(yù)制加工與拼接的速度，現(xiàn)場結(jié)合掃描儀的質(zhì)量管控，避免了很多不必要的返工，同時過程中的檢測不影響施工的進(jìn)度，反而與施工相配合，為項目節(jié)約了工期。

3）優(yōu)秀的現(xiàn)場實時指導(dǎo)。通過掃描儀的實時掃描檢測，可以對有質(zhì)量問題的部分吊頂進(jìn)行精準(zhǔn)定位，在施工現(xiàn)場極大地避免了因各種原因?qū)е碌膶嶋H安裝與設(shè)計不符的問題，根據(jù)驗收報告分析可以看出，對于問題的檢測可以精確到每個坐標(biāo)點的－2～2 cm范圍內(nèi)，使問題得到了準(zhǔn)確解決，實現(xiàn)更高的現(xiàn)場質(zhì)量控制。