三維激光掃描與BIM技術(shù)在大型交通樞紐改擴(kuò)建項目中應(yīng)用

周成益

東部機(jī)場集團(tuán)有限公司 江蘇 南京 210014

在建筑行業(yè)，三維激光掃描技術(shù)和BIM作為現(xiàn)代信息化發(fā)展的重要支撐手段，已在很多工程上相繼使用，受到政府和行業(yè)的關(guān)注與大力支持。目前三維激光掃描與BIM技術(shù)主要在新建工程中有所應(yīng)用，而在大型交通樞紐改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用研究不多。本文從大型改擴(kuò)建項目施工控制的角度出發(fā)，結(jié)合實際工程案例，探索三維激光掃描技術(shù)和BIM技術(shù)在大型交通樞紐改擴(kuò)建施工中的應(yīng)用價值。

1 三維激光掃描技術(shù)的可行性分析

1.1 三維激光掃描技術(shù)的特點與優(yōu)勢

三維激光掃描技術(shù)又稱“實景復(fù)制技術(shù)”，它采用非接觸式高速激光掃描測量的方法，以陣列式點云的形式獲取地形或復(fù)雜物體表面的三維空間數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)憑借點云掃描，在方法上不僅很靈活，而且還兼具科學(xué)性，這也是三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢所在。掃描所形成的點云模型主要是根據(jù)掃描所形成的三維坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，來直觀展示掃描的模型結(jié)果，不僅具有便攜性、可操作性，同時還具有科學(xué)性、準(zhǔn)確性。根據(jù)所采集的高精度三維點云數(shù)據(jù)，能夠精確地進(jìn)行距離量測、逆向建模、結(jié)構(gòu)提取、二次設(shè)計等多方面應(yīng)用。

1.2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用價值

大型交通樞紐改擴(kuò)建項目由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，如果采用傳統(tǒng)的手段，由人工使用檢測儀器來繪制二維圖紙進(jìn)行方案的確定，則難以將復(fù)雜三維空間的方案設(shè)計通過二維圖紙全面反映出來，大大增加了施工方案的確定難度和后期出現(xiàn)方案修改時的成本。而三維激光掃描技術(shù)具有非接觸性、可全天候作業(yè)、掃描速度快、實時性強(qiáng)、精度高、數(shù)據(jù)兼容性強(qiáng)[1-2]、全數(shù)字化等特點，可完美復(fù)制大型改擴(kuò)建工程項目的現(xiàn)場實景，便于后期通過BIM技術(shù)進(jìn)行方案的確定與優(yōu)化。

2 BIM技術(shù)的可行性分析

對于大型交通樞紐改擴(kuò)建項目，BIM技術(shù)所具有的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等特點，能夠在項目施工過程中發(fā)揮出最大優(yōu)勢。在方案的制定上，可提早發(fā)現(xiàn)偏差，優(yōu)化各專業(yè)施工材料下料，并運用BIM技術(shù)進(jìn)行放樣，使各專業(yè)深化圖紙更符合現(xiàn)場實際，減少現(xiàn)場施工偏差，從而進(jìn)一步提高施工質(zhì)量。

3 三維激光掃描與BIM技術(shù)的應(yīng)用思路

大型交通樞紐改擴(kuò)建項目具有造型奇異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、質(zhì)量要求高、現(xiàn)場施工人員多、涉及專業(yè)多、分包多、交叉施工多等特點與難點，所以在前期必須有一個周全的方案。在確定方案時，由于是改擴(kuò)建工程，故現(xiàn)場已有環(huán)境和結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，同時，已有建筑年限較久，可能存在圖紙不全、不準(zhǔn)等問題。在全面考察施工現(xiàn)場的環(huán)境后，根據(jù)三維激光掃描儀確定掃描的站點位置，保證能夠完全得到現(xiàn)場的掃描點云數(shù)據(jù)；獲取每一站的點云數(shù)據(jù)后進(jìn)行點云處理與拼接，得到完整的現(xiàn)場點云模型；通過點云模型進(jìn)行逆向BIM建模，形成現(xiàn)場完整的BIM模型；根據(jù)BIM模型進(jìn)行方案的BIM施工模擬與優(yōu)化，保證每一處的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與其他不同專業(yè)間的交叉施工順利進(jìn)行，對不同方案進(jìn)行對比與分析，最終確定實施方案。

4 工程應(yīng)用案例

4.1 工程概況

南京祿口機(jī)場作為大型交通樞紐改擴(kuò)建項目的代表，是國家重點規(guī)劃建設(shè)的區(qū)域性樞紐機(jī)場，是長三角世界級機(jī)場群重要樞紐。為提升機(jī)場T1航站樓安全性等級，整體承載力以及綜合抗震能力，擬進(jìn)行機(jī)場改擴(kuò)建。此次改擴(kuò)建工程總建筑面積159 447 m2（新建面積45 708 m2，改造面積113 739 m2），登機(jī)橋面積5 201 m2。

4.2 工程難點

本次工程的改造面積很大，約占總面積的2/3。在已有建筑的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，需要全面了解已有建筑內(nèi)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、設(shè)備等準(zhǔn)確位置。而本機(jī)場始建于1997年，由于施工圖紙不完全以及后期各種原因的一些改動，導(dǎo)致圖紙與現(xiàn)場不符，給改擴(kuò)建方案的制定帶來一定的困難。

4.3 傳統(tǒng)方法弊端

1）現(xiàn)場勘察工作量巨大，耗時費力。

2）可能存在勘察遺漏、記錄失誤等情況。

3）通過人工測量進(jìn)行施工圖紙的重繪，受限于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，方案制定時難以考慮周到。

4.4 新方法的應(yīng)用

4.4.1 獲取點云

本工程屋面規(guī)模大，鋼筋混凝土灌注樁分布多，這種情況下采用三維激光掃描技術(shù)對現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是可行的。本次使用的是FARO Focus 3D X330地面三維掃激光掃描系統(tǒng)?，F(xiàn)場地面較為平整，方便三維激光掃描儀的架設(shè)。根據(jù)三維激光掃描儀的參數(shù)和三維激光掃描儀的作業(yè)方法，對外業(yè)掃描做出以下要求：每一站點與待掃描的建筑面保持5～20 m距離；設(shè)置掃描時間為5 min；對掃描現(xiàn)場進(jìn)行掃描站點的合理劃分，確保掃描的區(qū)域能夠全部覆蓋。在每一站點架設(shè)掃描儀進(jìn)行現(xiàn)場掃描，獲取每一站點的掃描點云（圖1）。

圖1 掃描點云數(shù)據(jù)

4.4.2 BIM模型創(chuàng)建

選用現(xiàn)階段行業(yè)市場選擇最多的Autodesk Revit軟件工具進(jìn)行逆向三維信息模型創(chuàng)建，可以實現(xiàn)對工程具體施工過程，包括前期方案制定、中期現(xiàn)場施工、后期運維階段的全生命周期的數(shù)字化表達(dá)，與傳統(tǒng)依賴二維圖紙的表達(dá)相比，對改擴(kuò)建工程的影響會更廣泛和深遠(yuǎn)。具體的逆向建模過程可以概括為：建立現(xiàn)場軸網(wǎng)與標(biāo)高線→比較T1航站樓圖紙與掃描點云模型→分專業(yè)將現(xiàn)場的梁、板、柱、墻、屋蓋、機(jī)電管線各個系統(tǒng)等在對應(yīng)的位置畫出→各專業(yè)模型合成為整個施工現(xiàn)場BIM模型。

4.5 三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)為機(jī)場改擴(kuò)建帶來的優(yōu)勢

1）對T1航站樓進(jìn)行三維激光掃描，其整體和細(xì)節(jié)都能夠立體化展現(xiàn)。大型機(jī)場航站樓改擴(kuò)建工程是一個非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)工程，建筑形式和造型各異，僅靠二維圖紙很難將其表達(dá)清楚。掃描的點云模型提供了可視化的思路，具有距離測量的功能，便于設(shè)計人員與施工人員互相溝通，確定改造方案。

2）T1航站樓工程涉及的專業(yè)與系統(tǒng)很多，設(shè)備量巨大，各個領(lǐng)域都有專業(yè)的人員，相互間充分配合才能更好地完成項目。一旦在項目施工過程中遇到問題，各個參與方都需要組織起來共同發(fā)現(xiàn)原因并解決問題。BIM技術(shù)的引入，能夠充分發(fā)揮BIM技術(shù)模擬性與協(xié)調(diào)性的特點，提前在BIM模型中模擬真實項目中各參與方間施工交叉協(xié)調(diào)的問題，施工前即發(fā)現(xiàn)問題并能夠給出解決方案。如在機(jī)場主體施工前完成行李系統(tǒng)BIM模型的深化與整合，指導(dǎo)混凝土預(yù)埋件下吊支撐點數(shù)量的優(yōu)化，很好地解決了電纜橋架、風(fēng)管等與行李系統(tǒng)的碰撞問題，從而確保檢修凈高與吊頂高度。像這樣的碰撞問題可以通過前期的模型預(yù)演進(jìn)行避讓，使各專業(yè)之間在建造前期對會發(fā)生的問題進(jìn)行協(xié)調(diào)，提供解決方案。

3）在機(jī)場改擴(kuò)建工程中，針對圓柱修補(bǔ)方案，現(xiàn)場利用三維激光掃描得到圓柱掃描模型，確定鋼板下料長度后進(jìn)行放樣，避免了鋼板下料長度不足與過長現(xiàn)象，減少了二次焊接，保證了圓柱粘鋼加固的施工質(zhì)量。同時運用BIM技術(shù)模擬現(xiàn)場施工，輔助方案交底，完美地解決了這一難題，并且節(jié)省直接經(jīng)濟(jì)效益7萬元。

4.6 針對大型改擴(kuò)建工程的建議

在大型改擴(kuò)建工程的施工過程中，應(yīng)用三維激光掃描與BIM技術(shù)能夠在安全、經(jīng)濟(jì)、效率三方面發(fā)揮其巨大的作用。三維激光掃描技術(shù)的外業(yè)作業(yè)，完美復(fù)制施工現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境，形成BIM模型，針對現(xiàn)場復(fù)雜情況進(jìn)行施工方案的模擬，發(fā)現(xiàn)施工問題并進(jìn)行深化設(shè)計，優(yōu)化方案，在動工前即考慮可能存在的難題，避免施工后的返工以及方案調(diào)整造成的工期延誤、經(jīng)費增加等情況。

5 結(jié)語

南京祿口機(jī)場T1航站樓改擴(kuò)建工程是國家的重大系統(tǒng)工程，不僅有既有建筑的改造，還有新建建筑，這就大大增加了施工的難度和現(xiàn)場條件的協(xié)調(diào)要求，傳統(tǒng)的施工模式已很難滿足需要?；诖?，在實際施工中通過應(yīng)用新興的三維激光掃描與BIM技術(shù)，取得了理想的效果，可為其他類似的大型交通樞紐工程項目提供參考。