基于BIM和三維激光掃描在基坑監(jiān)測中的應(yīng)用

韓達光，秦國成，周 銀，王東方，楊宇鵬

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 一汽大眾汽車有限公司，吉林 長春 130011；3. 中鐵十六局集團第五工程有限公司，河北 唐山 064000)

0 引 言

三維激光掃描技術(shù)主要用于重建復(fù)雜實景三維模型，因而又被稱現(xiàn)實捕捉技術(shù)，這項高新技術(shù)最早可追溯到20世紀90年代中期。由于其出色高效的工作性能，三維激光掃描技術(shù)很快在測繪領(lǐng)域掀起了一場技術(shù)革命。三維掃描儀可分為接觸式和非接觸式，非接觸式三維掃描儀在建筑測繪領(lǐng)域應(yīng)用最廣的主要是采用光學測距原理掃描儀，又稱為三維光學掃描儀。如今三維激光掃描儀已在建筑、地質(zhì)、礦業(yè)、隧道開挖、逆向工程、文物等領(lǐng)域都有涉及。而同屬三維數(shù)字化技術(shù)的BIM 技術(shù)也被廣泛認知，BIM技術(shù)在工程項目中應(yīng)用的前提就是BIM三維數(shù)字化模型，以模型為基礎(chǔ)貫穿整個工程全生命周期[1]。

近年來，國內(nèi)外學者已對三維激光掃描技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中做了一系列研究。葛紀坤等[2]利用三維激光掃描儀對基坑進行整體變形監(jiān)測，與傳統(tǒng)監(jiān)測對比并分析其偏差原因，對于基坑整體變形監(jiān)測，三維激光掃描監(jiān)測相比單點式傳統(tǒng)監(jiān)測優(yōu)勢明顯；許新海[3]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在深基坑監(jiān)測中，并將其與傳統(tǒng)測量技術(shù)相互比較驗證，三維激光掃描在中小型基坑監(jiān)測中其精度完全滿足要求，而對于大型基坑因涉及多站拼接，故精度則難以保證；M.K.KIM等[4]將BIM技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合，提出一種預(yù)制混凝土構(gòu)件尺寸和表面質(zhì)量的評價方法。

這些學者的研究對三維激光掃描在我國工程應(yīng)用中奠定了基礎(chǔ)，但均未考慮與BIM技術(shù)進行融合，也未考慮其對降低誤差的貢獻；國外學者將三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)進行結(jié)合，但并沒有利用BIM模型直接與點云融合對比。筆者在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，依托實際工程將BIM技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)進行融合對比。利用逆向BIM模型特點優(yōu)化對比誤差，進一步提高BIM技術(shù)在實際施工過程中應(yīng)用的縱向深度，其次也進一步拓寬三維激光掃描技術(shù)在實際工程應(yīng)用的橫向?qū)挾龋瑸楹笃贐IM平臺化精確管理做出貢獻。

1 工程概況

天津一汽大眾華北基地項目位于津?qū)幐咚倥c海清公路交界處西南偶，主機廠占地面積達108.1×104m3，地區(qū)地勢開闊，廠區(qū)一共有4個大車間，分別為沖壓車間、焊裝車間、總裝車間、涂裝車間，各車間主要以鋼結(jié)構(gòu)為主。采用德國大眾最完善的工廠建設(shè)標準和最合理的完美工廠建設(shè)原則，將按照綠色建筑三星設(shè)計標識標準進行設(shè)計建造。

在施工過程中，為方便施工機械出入車間，要在沖壓車間某基坑附近開通施工便道(圖1)，施工車輛中最重的有約為40 t混凝土罐車，可能會對基坑變形產(chǎn)生一定影響。故筆者采用三維激光掃描儀對基坑進行5 d連續(xù)監(jiān)測掃描和變形分析。

圖1 沖壓車間基坑平面Fig. 1 Foundation pit plane of stamping workshop

2 三維激光掃描精度

2.1 精度分析

國內(nèi)市場上目前主要有兩種非接觸式掃描儀，按其工作原理分成兩種：一種是“脈沖式”掃面儀；另一種是“相位式”掃描儀[5]。這兩種掃描儀都是采用光電測距，不同的是“脈沖式”掃描儀是通過激光從發(fā)射到接收之間的脈沖個數(shù)計算距離；“相位式”掃描儀根據(jù)激光發(fā)射到接收間隔內(nèi)相位變化來計算所測距離[6]。這兩種掃描儀相似之處都是通過獲取物體表面點三維坐標來生成點云數(shù)據(jù)，這就需要掃描儀記錄的原始數(shù)據(jù)要包含激光光束的水平角度、縱向角度、儀器到點距離值、物體表面點反射強度、通過儀器內(nèi)置數(shù)碼相機感應(yīng)物體顏色等相關(guān)信息[7]。

三維激光掃描儀精度從原理上分析可概括為：儀器最后得到的某一點Q的坐標值是目標點Q的真實坐標值。但實際上并非如此，通常是因為儀器本身掃描精度主要受儀器測距誤差、測角誤差等因素影響。其中測距誤差和測角誤差的產(chǎn)生是因三維掃描儀發(fā)射的激光光束在射到物體表面時，光的發(fā)散性會形成光斑，而光束在物體表面反射時，反射點可能是光斑范圍內(nèi)任意點。根據(jù)基本光學知識可知，隨著光距增加，其投射在物體表面光斑面積也會逐漸增大，故測量的目標點Q距離并非實際距離，這一偏差稱為測距誤差[8]。該誤差可表示為式(1)：

(1)

式中：ωs為測距誤差；ω固為固定誤差；ω比例為比例誤差；S為測量距離。

測角誤差是也由光斑造成的，如圖2。理論上三維激光掃描儀所得到的水平角度α、縱向角度β是目標點Q所形成的，但由于激光在物體表面發(fā)散形成光斑，光斑范圍內(nèi)任意一點都有能代替目標點Q在儀器中產(chǎn)生另外的水平角度α1和縱向角度β1。

圖2 三維激光掃描的光斑現(xiàn)象Fig. 2 Spot phenomenon of 3D laser scanning

2.2 對比誤差優(yōu)化

在采集到點云數(shù)據(jù)之后，需進行分析對比。點云之間對比通常分為兩種：① 點云與點云之間的直接對比，如圖3(a)；② 點云與點云封裝模型間接對比，如圖3(b)。前者直接對比中，P1、P2點云本身存在誤差Δ1、Δ2(暫不考慮其他誤差影響)，由算法得到的P1、P2點云間的Avg dist(平局距離)，如式(2)。

Avg dist(P1,P2)=(D1+D2+D3+D4…)/N=

d+Δ1+Δ2

(2)

由式(2)得到的Avg dist(P1,P2)可知，仍存在誤差Δ1、Δ2。

圖3 點云數(shù)據(jù)分析對比Fig. 3 Analysis and comparison of point cloud data

點云封裝模型是指將點對象轉(zhuǎn)化為多邊形，間接對比中P1本身存在誤差Δ1，多邊形對象表面凹凸程度與點云質(zhì)量相關(guān)，存在隨機形狀誤差ΔW，同樣由算法得到P1、W點云間Avg dist如式(3)。

Avg dist(P1,W)=(B1+B2+B3+B4…)/N=

b+Δ1+ΔW

(3)

由式(3)得到的Avg dist(P1,W)可知，仍存在誤差Δ1、ΔW。

綜合上述兩種對比方法，均存在一定隨機誤差，筆者考慮引入由點云逆向生成的 BIM 模型來優(yōu)化減小誤差，即點云與BIM 模型間接對比，如圖3(c)，P1、BIM模型間Avg dist如式(4)。

Avg dist(P1,BIM)=(H1+H2+H3+H4…)/N=

h+Δ1

(4)

由式(4)可知：Avg dist(P1,BIM)比式(2)～(3)少一個誤差，則可在引入BIM模型后的點云對比，誤差得以優(yōu)化。

3 三維激光掃描數(shù)據(jù)

3.1 儀器參數(shù)

基坑掃描監(jiān)測所采用設(shè)備為Faro X330激光掃描儀，主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 儀器技術(shù)參數(shù)Table 1 Instrument technical parameters

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

為客觀真實的監(jiān)測該基坑是否有位移變形，綜合控制各種誤差，筆者制定如下掃描方案，其流程如圖4。

圖4 主要流程Fig. 4 Main flow chart

1)掃描周期為5 d，每天的掃描時間固定，為09：00—09：30，第1期掃描應(yīng)在開通道路之前；

2)開展掃描工作之前提前到達現(xiàn)場進行實地勘查，把儀器位置，掃描區(qū)域確定；

3)掃描儀器固定，操作人員固定，掃描時架設(shè)設(shè)備點位盡量在同一位置；

4)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，設(shè)置好三維激光掃描儀基本工作參數(shù)后開始掃描；

5)在獲得點云數(shù)據(jù)之后，將其導(dǎo)入點云軟件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，由于三維激光掃描儀是全方位掃描，每期得到點云量約四千多萬個，其中就包括大量冗余點，通過算法機制降低點云數(shù)量。將預(yù)處理得到點云導(dǎo)入點云軟件進行再處理，先將點云進行降噪，自動評估點鄰近性過濾點與其他組遙遠的點，并將點移至統(tǒng)計的正確位置彌補掃描誤差。其次進行壓縮處理，采用過濾器使平坦曲面上的點數(shù)目減少量一致，以規(guī)定密度減少曲面上點云數(shù)目，最終得到優(yōu)化點云[9]。

4 BIM模型獲取

4.1 BIM+3D掃描技術(shù)

受“互聯(lián)網(wǎng)+”概念影響，“BIM+”開始逐漸興起，也就是所謂的BIM集成化應(yīng)用。

BIM技術(shù)與三維激光掃描集成化應(yīng)用，主要通過將掃描獲取點云數(shù)據(jù)直接與 BIM 模型進行融合，或是將點云數(shù)據(jù)逆向生成 BIM 模型進行融合，形成施工階段實際BIM 模型與設(shè)計階段BIM模型進行對比分析，甚至可通過連續(xù)定點掃描對某個施工過程進行實時動態(tài)變形監(jiān)測分析，如圖5。

圖5 BIM+3D掃描Fig. 5 BIM+3D scanning

4.2 逆向建立BIM模型

該基坑在建造過程，由于諸多不可控因素，在初步勘察過程中發(fā)現(xiàn)基坑已與傳統(tǒng)二維圖紙有較大偏差，根據(jù)傳統(tǒng)二維圖紙無法再還原出最接近真實現(xiàn)場的三維模型，對后期監(jiān)測分析也不利。筆者將采取點云逆向生成BIM模型，而用于逆向生成模型的第1期點云，是在未開通基坑旁邊道路之前進行的掃描采集[10]，如圖6。

圖6 第1期掃描點云模型Fig. 6 First phase scanning point cloud model

將掃描第1期點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入點云處理軟件并將點云以XYZ格式導(dǎo)出?？紤]到點云的數(shù)據(jù)量大，如直接將點云鏈接到建模軟件會導(dǎo)致軟件卡頓及崩潰，故將點云輕量化處理，方便后期工作進行[11]。

5 數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析

將前期逆向生成的BIM模型與后4期點云分別導(dǎo)入點云軟件融合，逆向得到BIM模型為參考模型，后4期點云分別為測試模型，分4組疊加對比各得到顏色譜圖，如圖7。對比這4組的偏差色譜圖可直觀看到基坑局部和整體變形。監(jiān)測過程中若發(fā)現(xiàn)有較大變形可立即暫停通車，并對出現(xiàn)較大變形部位給予及時維修，從側(cè)面對現(xiàn)場施工便道是否合理和施工安全提供有力保障。

圖7 1～4期對比結(jié)果Fig. 7 Contrast results of 1～4 phase

表2為點云軟件3D對比數(shù)據(jù)。其參考點云數(shù)量是軟件通過內(nèi)置算法將前期優(yōu)化處理點云抽稀之后，實際參加計算的點云個數(shù)。其中Ref.BIM模型和Test點云模型偏差臨界值為1.7 cm，平均偏差在5～-4 mm內(nèi)波動，標準偏差在5 mm左右波動。它反映出隨機誤差按正態(tài)分布規(guī)律時的均方根誤差，也是判斷 Ref.點云模型和Test BIM模型3D偏差基礎(chǔ)準則[12]。

表2 3D偏差的結(jié)果數(shù)據(jù)Table 2 Result data of 3D deviation

為進一步分析基坑偏差，對基坑整體偏差分布和標準差分布百分比進行統(tǒng)計，如圖8。這4組數(shù)據(jù)偏差主要分布在-0.011 097～0.011 097范圍內(nèi)，而-0.017 755～-0.011 097和0.011 097～0.017 755范圍內(nèi)偏差幾乎為零，可忽略不計；基坑偏差分布峰值集中在-0.004 439～0.004 439，再結(jié)合標準差分布百分比說明大部分偏差都屬于可控安全范圍內(nèi)，即基坑在連續(xù)5 d定點定時監(jiān)測過程中和車輛隨機荷載影響變形波動較小，基坑旁施工便道幾乎對基坑變形不產(chǎn)生影響。

圖8 分布統(tǒng)計Fig. 8 Distribution statistics

6 結(jié) 語

三維激光掃描儀對基坑連續(xù)監(jiān)測，能在保證高精度情況下獲得整個基坑的偏差色譜圖，做到微觀變形可視化。

通過引入由點云逆向生成BIM模型，還原在開通施工便道之前現(xiàn)場真實的數(shù)字模型，創(chuàng)新性利用BIM 技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)相融合對比，做到對基坑三維整體變形監(jiān)測。

隨著BIM技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)集成化應(yīng)用更加深入，提高BIM技術(shù)施工階段應(yīng)用率和BIM技術(shù)應(yīng)用深度，也使得在施工過程中的變形監(jiān)測朝著更加經(jīng)濟、高效、精準、自動化的方向發(fā)展。