基于三維激光掃描及BIM技術(shù)的水庫(kù)開挖工程量復(fù)核

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563000)

1 概 述

水利工程填挖工程量在工程總投資中占非常大的比重，快速準(zhǔn)確地計(jì)算出工程量是規(guī)劃設(shè)計(jì)和成本控制中重要的一項(xiàng)工作，也是業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及施工單位等參建各方項(xiàng)目建設(shè)管理研究的重要內(nèi)容。目前，工程量計(jì)算主要依賴傳統(tǒng)的斷面法、方格網(wǎng)法、等高線法和DTM法等測(cè)算方法，以全站儀或GPS-RTK采集方式獲取區(qū)域特征位置的離散高程點(diǎn)，經(jīng)相關(guān)計(jì)算公式測(cè)算獲得工程量。這種方法受測(cè)算人員素質(zhì)技能水平影響較大，不僅耗時(shí)、準(zhǔn)確度不高，且更新效率低下。水利工程工程量測(cè)算，不僅需要快速、高精度的數(shù)據(jù)采集手段，同時(shí)還需要高效、準(zhǔn)確和動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算分析平臺(tái)。

在工程領(lǐng)域，三維激光掃描技術(shù)(也稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù))，被認(rèn)為是最適用于工程測(cè)量監(jiān)理和施工流程控制的重建復(fù)雜實(shí)景的三維建模技術(shù)，將傳統(tǒng)接觸式單點(diǎn)測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)距離高精度立體掃描，具有效率高、精度高、測(cè)距遠(yuǎn)、立體真實(shí)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。而BIM模型集成了施工項(xiàng)目的大量數(shù)據(jù)，具備點(diǎn)云可視化、裁切、三維建模等功能，利用內(nèi)部強(qiáng)大邏輯運(yùn)算能力，可將點(diǎn)云直接生成DTM(Digital Terrain Model)數(shù)字地形模型，自動(dòng)計(jì)算工程量[3]。

本文采用三維激光掃描儀采集施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景點(diǎn)云，并引入BIM三維模型計(jì)算工程量，以遵義槐子水庫(kù)工程量復(fù)核實(shí)例作為研究對(duì)象，探討兩種技術(shù)結(jié)合復(fù)雜建設(shè)項(xiàng)目工程量的高效準(zhǔn)確測(cè)算方法。

2 開挖工程量聯(lián)合測(cè)算技術(shù)路線

基于三維激光掃描和BIM的水利工程開挖工程量聯(lián)合測(cè)算主要包括數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云處理和工程量測(cè)算三個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)采集使用RIEGL VZ-2000三維激光掃描儀；點(diǎn)云處理使用Riscan pro軟件實(shí)現(xiàn)影像與點(diǎn)云匹配；工程量測(cè)算基于BIM中Digital Terrain Model模塊中的Analyze Volumes插件完成。水庫(kù)基礎(chǔ)開挖工程量聯(lián)合測(cè)算技術(shù)路線見圖1。

圖1 工程量聯(lián)合測(cè)算技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)采集

為客觀真實(shí)地進(jìn)行工程量測(cè)算復(fù)核，需結(jié)合野外實(shí)地踏勘結(jié)果，根據(jù)施工現(xiàn)狀地形地貌，合理確定測(cè)算范圍，選擇確定三維激光掃描儀的測(cè)站點(diǎn)并埋設(shè)固定標(biāo)石作為工程量測(cè)算基準(zhǔn)點(diǎn)。對(duì)于一些地形復(fù)雜、掃描遮擋較大的區(qū)域，適當(dāng)加密設(shè)置測(cè)站點(diǎn)，以便多維度協(xié)同掃描減少掃描遮擋、消除盲區(qū)。標(biāo)石埋設(shè)固定后，通過架設(shè)儀器完成測(cè)站坐標(biāo)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。RIEGL三維掃描儀內(nèi)置±10°的傾斜補(bǔ)償器，在進(jìn)行外業(yè)操作時(shí)可自由設(shè)站，無須進(jìn)行測(cè)站點(diǎn)整平，外業(yè)作業(yè)數(shù)據(jù)采集速率高效優(yōu)質(zhì)、精確可靠。

2.2 點(diǎn)云處理

由于外業(yè)作業(yè)中外界環(huán)境因素對(duì)掃描目標(biāo)的阻擋和遮掩等影響，如移動(dòng)施工機(jī)械、施工人員、支架等遮擋及實(shí)體自身存在的反射不均勻特性，以及操作人員人為操作和腳架的誤差，需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)拼接和噪聲濾波處理[3]。采用Riscan pro軟件，結(jié)合測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)、后視點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)將外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)剔除后配準(zhǔn)到工程坐標(biāo)系中，利用多站協(xié)同計(jì)算和拼接處理，可以消除配準(zhǔn)后點(diǎn)云模型可能存在的細(xì)微位置偏差。對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)中施工機(jī)械、電線桿、吊索等非地形點(diǎn)的噪聲點(diǎn)，通過噪聲濾波器進(jìn)行有效降噪濾除，最終獲得優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)集。

2.3 工程量計(jì)算

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Bentley Map平臺(tái)，在Digital Terrain Model模塊中提取固定特征點(diǎn)坐標(biāo)，分析判斷各點(diǎn)云相對(duì)精度與預(yù)設(shè)要求是否一致，在精度合格的基礎(chǔ)上對(duì)開挖工程量進(jìn)行精確計(jì)算[4]。為確保DTM數(shù)字地形模型構(gòu)建精度，根據(jù)預(yù)設(shè)指定計(jì)算范圍，經(jīng)范圍裁切以確保計(jì)算數(shù)據(jù)與工程實(shí)際匹配，提高計(jì)算準(zhǔn)確可靠性。

3 開挖工程量聯(lián)合測(cè)算實(shí)例分析

3.1 研究區(qū)概況

槐子水庫(kù)位于遵義市桐梓縣九壩鎮(zhèn)境內(nèi)，壩址地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°43′～106°44′,北緯28°12′～28°13′，距遵義市約60km，距桐梓縣城約16km。水庫(kù)壩址位于桐梓河的二級(jí)支流九壩河上，發(fā)源于桐梓縣九壩鎮(zhèn)陸家大頂，河源高程1777.00m,設(shè)計(jì)供水能力522萬m3/a，水庫(kù)正常蓄水位1209.00m，相應(yīng)庫(kù)容135萬m3。水庫(kù)樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、壩底取水兼導(dǎo)流放空隧洞及左岸泄洪隧洞等組成，最大壩高41.50m。

施工過程中出現(xiàn)了施工工程量與設(shè)計(jì)清單工程量存在較大差距問題，為了準(zhǔn)確測(cè)算施工開挖工程量，設(shè)計(jì)聯(lián)合三維激光掃描和BIM技術(shù)，按照技術(shù)路線(見圖1)，在指定大壩開挖影響范圍內(nèi)對(duì)工程量進(jìn)行測(cè)算復(fù)核，為工程費(fèi)用結(jié)算提供準(zhǔn)確可靠數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.2 作業(yè)流程

3.2.1 資料收集

收集水庫(kù)項(xiàng)目前期工作中的控制點(diǎn)資料、原始地形數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)開挖平面圖、施工收方數(shù)據(jù)等資料。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集

采用RIEGL VZ-2000三維激光掃描儀對(duì)整個(gè)開挖范圍進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，獲得的地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)在檢查合格后通過測(cè)站后視方式進(jìn)行拼接，并對(duì)噪聲點(diǎn)進(jìn)行剔除，對(duì)地面植被進(jìn)行過濾，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)局部隱蔽區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量，確保獲得完整的純地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)。考慮到數(shù)據(jù)負(fù)荷問題，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了適當(dāng)抽稀處理。

3.2.3 地形模型重建

對(duì)原始地形數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，采用中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司基于Bentley公司Bentley Map平臺(tái)開發(fā)的三維地形圖成圖和地形模型制作軟件Map Station生成地形模型，如圖2～圖4所示；運(yùn)用Bentley GEOPAK軟件對(duì)設(shè)計(jì)開挖平面圖進(jìn)行翻模，并將模型導(dǎo)入Map Station軟件，生成地形模型，見圖5。

圖2 原始地形模型

圖3 實(shí)測(cè)點(diǎn)云地形模型(紅色為已填筑壩體)

圖4 壩基施工收方模型

圖5 壩基設(shè)計(jì)開挖模型

3.2.4 工程量計(jì)算及分析

地形模型重建后運(yùn)用Map Station軟件中Digital Terrain Model功能模塊中的Analyze Volumes插件對(duì)開挖工程量進(jìn)行精確計(jì)算和對(duì)比復(fù)核[5]。由于水庫(kù)壩體已基本填筑完成，因此除壩基開挖部分單獨(dú)計(jì)算外，其他區(qū)域均以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)。在Map Station軟件中以原始地形模型為基準(zhǔn)分別計(jì)算壩基設(shè)計(jì)開挖工程量、施工收方開挖工程量及其他區(qū)域開挖工程量見圖6，設(shè)計(jì)開挖與施工收方地形工程量對(duì)比見圖7。

圖6 基于Map Station工程量計(jì)算(底視圖)(紅色為施工單位收方地形模型)

圖7 設(shè)計(jì)開挖與施工收方對(duì)比(頂視圖)

通過設(shè)計(jì)開挖模型與施工收方模型的對(duì)比(圖7中,藍(lán)色表示設(shè)計(jì)開挖模型，紅色表示施工收方地形模型)可以發(fā)現(xiàn)，壩基部分大多數(shù)區(qū)域設(shè)計(jì)開挖都高于施工開挖，且施工中部分區(qū)域還未開挖到位。以設(shè)計(jì)開挖模型為基準(zhǔn)通過計(jì)算可得設(shè)計(jì)挖方11073m3，而施工單位提供工程量為43447m3，差值為32374m3，以此確定施工單位上報(bào)工程量比設(shè)計(jì)開挖量多32374m3。

4 結(jié) 論

三位激光掃描與BIM技術(shù)聯(lián)合對(duì)開挖工程量進(jìn)行測(cè)算，能在保證高精度情況下獲得與工程實(shí)際相匹配的數(shù)字地形模型和準(zhǔn)確開挖數(shù)據(jù)?；弊铀畮?kù)開挖工程量復(fù)核實(shí)例分析結(jié)果表明：三維激光掃描與BIM技術(shù)聯(lián)合，可以將工程前期的原始現(xiàn)場(chǎng)資料轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔，確保項(xiàng)目管理全程數(shù)據(jù)具有較好的完整性、一致性和客觀性，可為后續(xù)施工設(shè)計(jì)、建設(shè)管理和竣工驗(yàn)收提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)保障；通過引入點(diǎn)云逆向生成BIM模型，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)平面圖和施工收方數(shù)據(jù)還原為真實(shí)的數(shù)字地形模型，與三維激光掃描地形進(jìn)行融合對(duì)比，做到更精確直觀地進(jìn)行開挖工程地形及工程量對(duì)比；水庫(kù)開挖工程量測(cè)算復(fù)核表明，施工單位上報(bào)工程量比設(shè)計(jì)開挖量多32374m3，存在嚴(yán)重誤差。三維激光掃描與BIM技術(shù)聯(lián)合，為業(yè)主進(jìn)行結(jié)算和成本控制提供了詳實(shí)數(shù)據(jù)依據(jù)，對(duì)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)、投資成本與進(jìn)度控制有著顯著作用。