3D掃描測量與BIM技術在建筑工程中的應用

文/廣東交通職業(yè)技術學院 王 琿 寧培淋

0 引言

三維激光掃描測量技術是目前工程測量技術領域繼GPS技術、RS技術、GIS技術后的又一項技術革新，具有自動化測量數(shù)據(jù)采集和處理，實時化點云、三維圖像生成和傳輸，數(shù)字化基礎數(shù)據(jù)共享等功能。

BIM技術促進我國建筑產(chǎn)業(yè)加速進入信息化時代，基于BIM信息模型的建筑工程項目管理信息化可有效提升項目生產(chǎn)效率、縮短建設工期、提高建筑工程質量，并降低工程造價，而BIM信息模型的參數(shù)與建筑實際工程中設計、施工及竣工使用期間的參數(shù)一致性成為項目信息化管理的關鍵。

相比傳統(tǒng)測量勘測和放樣，3D掃描和BIM信息模型深度融合可有效解決參數(shù)一致性問題，建筑施工過程中的3D掃描測量參數(shù)結果與BIM信息模型參數(shù)的對比可用于現(xiàn)場指導施工定位、檢測工程質量、掃描還原古建筑、檢測裝配式構件缺陷、監(jiān)測變形等[1]。本文針對3D掃描測量＋BIM技術的工作原理、工程應用及存在問題進行探討。

1 工作原理

1）3D激光掃描技術通過高速激光掃描測量建立目標物體的三維坐標，達到實景復制目的，美國CYRA公司和法國的MENSI公司率先實現(xiàn)該項技術[2]。3D激光掃描技術配合HDR高分辨率影像捕捉系統(tǒng)，并采用了激光測距傳感器及高精度角度傳感器。三維測量原理包含量測距離、測量目標角位移、三維掃描和定向，利用移動探測器傳遞信號數(shù)據(jù)，經(jīng)過后臺數(shù)據(jù)處理軟件計算得出所需的點云數(shù)據(jù)。目前3D激光掃描儀遠程工作距離可達1000m以上，短距離高精度3D測量應用精度可達2.5mm，可滿足建筑工程質量檢測需求[3]。

2）BIM技術是一種應用于工程設計建造管理的數(shù)據(jù)化工具，全面采用參數(shù)化方式進行設計，通過參數(shù)關聯(lián)技術建立三維空間模型，建筑工程所有基本構件相關的參數(shù)都存放于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)了信息整合，并可進行各種可視化分析(空間、體積、效果圖、結構、傳熱等分析)[4]。

目前3D掃描技術與BIM技術結合存在2種應用模式:①數(shù)據(jù)對比應用模式 在建筑施工期間通過三維激光掃描測量獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對比BIM信息模型設計參數(shù)，檢測施工質量，如質量監(jiān)測、缺陷檢查、變形監(jiān)測等（見圖1）；②逆向建模應用模式 針對無設計模型或改擴建項目，通過對建筑進行三維激光掃描，獲得現(xiàn)有建筑模型數(shù)據(jù)，再根據(jù)模型數(shù)據(jù)逆向創(chuàng)建BIM信息模型，如古建筑還原等（見圖2）。

2 典型應用案例

2.1 裝配式建筑安裝與質量監(jiān)測

3D激光掃描與BIM技術融合可綜合應用于工程質量檢測、裝配式建筑預制構件安裝，通過數(shù)據(jù)對比應用流程，可檢查出現(xiàn)場施工構件與設計圖紙構件的位移差別，達到指導結構安裝、檢查構件及確保裝配質量的目的。

深圳機場T3航站樓是全國首次將高精度三維測量技術應用于幕墻安裝施工全過程的項目[5]，根據(jù)起始點建立首級平面控制網(wǎng)，在首級控制網(wǎng)上進行控制點的二、三級加密。高程采用四等水準布控。實測鋼結構與幕墻節(jié)點的三維坐標并提供給設計人員。提取結構特征點的三維坐標，利用各級測量控制點，用全站儀將三維坐標投放至設計位置以供施工使用，確保測量和施工精度符合規(guī)范要求。

湖北某個建筑工業(yè)化項目施工全流程整合BIM技術和3D激光掃描技術成為工程亮點[6]，首先使用BIM軟件對建筑整體和各部分進行設計；PC構件廠根據(jù)BIM模型和數(shù)據(jù)生產(chǎn)每層對應的墻板、樓板、梁、柱、樓梯、陽臺等“零件”；最后驗收人員采用3D激光掃描技術對構件進行質量驗收，實時呈現(xiàn)構件缺陷（見圖3）。

2.2 基坑、邊坡、隧道、水壩等變形監(jiān)測

基坑、邊坡、隧道、水壩等變形監(jiān)測是質量檢查、防災減災過程中的常規(guī)工程措施，3D激光掃描測量精度符合工程測量精度要求，可反映目標建筑物的三維位移，即沉降和傾斜位移。如高空航拍、高速移動測量已應用于水壩和高速公路監(jiān)測，可滿足工程觀測需求（見圖4），在大壩、船閘、房屋、鐵路、橋梁等工程變形監(jiān)測中均有3D激光掃描監(jiān)測的應用案例[7-8]。

2.3 古建筑及文物保護

通過3D激光掃描技術對年久失修且無設計資料的古建筑及文物進行掃描獲取參數(shù)，快速準確地形成電子化記錄和數(shù)字化存檔信息，利用BIM逆向建模永久保留設計圖紙，可方便后續(xù)修繕改造等工作。北京故宮、倫敦博物館等對館內(nèi)文物已開展掃描建檔工作，并逐步形成數(shù)字化博物館[9-10]。

圖1 數(shù)據(jù)對比應用流程

圖2 逆向建模應用流程

圖3 使用3D激光掃描技術進行構件質量驗收

圖4 水庫壩體變形監(jiān)測

2.4 工程改擴建

目前，建筑、橋梁、公路改擴建工程日益增多，針對原有設計方案創(chuàng)建BIM模型，有利于設計方案比選。迪士尼中國實驗中心樓（上海）在改建過程中，利用天寶TX5 3D激光掃描技術獲取原有建筑參數(shù)[11]，逆向建立BIM模型發(fā)送給國外設計團隊進行方案設計，施工過程通過監(jiān)控實時指導。

3 存在問題

3.1 數(shù)據(jù)標準問題

3D激光掃描儀器尚處于普及推廣階段，不同廠家外業(yè)數(shù)據(jù)和內(nèi)業(yè)處理系統(tǒng)不一致，導入BIM建模軟件存在不兼容現(xiàn)象，制約其大規(guī)模推廣使用，并提高工程采購成本，行業(yè)需出臺統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標準，以適應大數(shù)據(jù)時代要求，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式標準將極大推進建筑產(chǎn)業(yè)信息化發(fā)展。

3.2 3D激光掃描儀器數(shù)據(jù)準確率

掃描數(shù)據(jù)的準確性與操作儀器、天氣、周邊環(huán)境、目標距離等因素有關，各廠家儀器性能起到較多決定因素，實際工程掃描過程中需根據(jù)工程現(xiàn)場環(huán)境和掃描目標綜合選擇并確定相應的掃描儀器，以提高數(shù)據(jù)準確性。

3.3 云數(shù)據(jù)平臺集成

掃描數(shù)據(jù)的BIM平臺數(shù)據(jù)輸入通過云數(shù)據(jù)平臺實時傳輸和應用可提高工程效率，通過點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的轉換匹配顏色、噪聲和無效數(shù)據(jù)過濾等預處理[12]，特別在質量監(jiān)控過程中可實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控，并進一步提高產(chǎn)業(yè)信息化程度，保障建筑工程質量。

4 結語

3D掃描測量與BIM技術的融合已逐步應用于一些建筑工程，但仍處于初步開發(fā)應用階段。本文介紹了3D掃描測量與BIM技術原理，列舉數(shù)據(jù)對比和逆向建模2種應用模式，并分析其在典型工程中的應用案例及應用過程中存在的問題，對3D掃描測量與BIM技術在建筑工程中的融合及推廣應用具有一定的參考價值。