基于三維點(diǎn)云掃描驗(yàn)證地鐵車站BIM模型的研究

蘇立勇，路清泉，張志偉，張鴻杰，閆建龍

（1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100068；3.中鐵四局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司，北京 100071）

近年來，BIM技術(shù)被越來越多地應(yīng)用在城市軌道交通建設(shè)領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)基于BIM技術(shù)的全生命周期的建設(shè)目標(biāo)，項(xiàng)目各參與方在項(xiàng)目實(shí)施的各階段都根據(jù)圖紙建立了BIM模型，以此來實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)的高效應(yīng)用以及各階段各參與方項(xiàng)目信息的互聯(lián)互通。但是由于施工會(huì)存在一些誤差，在設(shè)計(jì)施工階段建立的BIM模型常常存在與最后竣工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不一致的現(xiàn)象，這種不一致的情況可能為項(xiàng)目后期裝修、運(yùn)維等階段帶來一些困難。為了高效、充分地利用BIM技術(shù)并保證BIM模型與現(xiàn)場(chǎng)情況的一致性，可以借助三維激光掃描技術(shù)來保證城市軌道交通工程建設(shè)的質(zhì)量，同時(shí)為后期運(yùn)維管理提供所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究概述

1.1 項(xiàng)目背景

北京地鐵19號(hào)線一期工程是在國(guó)資委、北京市科委的指導(dǎo)下，實(shí)施全生命周期信息化協(xié)同管理的BIM應(yīng)用示范線。該工程在北京城市軌道交通建設(shè)管理有限公司的組織下，依托19號(hào)線一期工程為研發(fā)試點(diǎn)，打造首都城市軌道交通數(shù)字信息化建設(shè)管理體系。

車站為地下三層鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段為五柱六跨結(jié)構(gòu)；小里程接區(qū)間段為單柱雙跨結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工；部分附屬結(jié)構(gòu)于主體結(jié)構(gòu)頂出，與主體結(jié)構(gòu)同期明挖實(shí)施。19號(hào)線09標(biāo)新宮站鳥瞰圖如圖1所示。

圖1 19號(hào)線09標(biāo)新宮站鳥瞰圖

三維掃描是指集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)[1]。它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，為實(shí)物數(shù)字化提供方便快捷的手段。三維掃描技術(shù)能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，且具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)[2]。

三維激光掃描技術(shù)是整個(gè)三維數(shù)據(jù)獲取和重構(gòu)技術(shù)體系中的最新技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)了直接從實(shí)體進(jìn)行快速逆向獲取三維數(shù)據(jù)及模型的重新構(gòu)建[3]。在建設(shè)工程施工階段，將BIM模型用于現(xiàn)場(chǎng)管理需要集成有效的技術(shù)手段作為輔助。三維激光掃描技術(shù)可以高效、完整地記錄施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜情況，與設(shè)計(jì)BIM模型進(jìn)行對(duì)比，為工程質(zhì)量檢查、工程驗(yàn)收帶來巨大幫助。運(yùn)用三維激光技術(shù)將整體框架進(jìn)行三維數(shù)字化建模、應(yīng)用及展示，不但可以提高結(jié)構(gòu)檢測(cè)、工程監(jiān)理的實(shí)施方式和效率，還能夠?qū)?zhǔn)確、高效的施工發(fā)揮到極致。所以，三維激光掃描技術(shù)是連接BIM模型和工程現(xiàn)場(chǎng)的有效紐帶。

1.2 研究?jī)?nèi)容

在地鐵明挖車站工程結(jié)構(gòu)施工中，常常現(xiàn)場(chǎng)施工主體與圖紙有所出入，這就導(dǎo)致在工程建設(shè)實(shí)施中，數(shù)字化BIM模型與現(xiàn)場(chǎng)的不符，致使整個(gè)BIM實(shí)施階段的方案、數(shù)據(jù)不合理。

本項(xiàng)目對(duì)北京地鐵19號(hào)線新宮站進(jìn)行掃描，通過點(diǎn)云模型驗(yàn)證BIM模型與現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)構(gòu)的相符程度，通過模型對(duì)比后修改BIM模型，提高BIM的準(zhǔn)確性，并減少由于BIM模型不符合工程實(shí)際而帶來的錯(cuò)誤[4]。具體工作步驟如圖2所示。

圖2 工作步驟

2 實(shí)施步驟

2.1 坐標(biāo)點(diǎn)設(shè)置

項(xiàng)目基點(diǎn)用于定義的本項(xiàng)目局部坐標(biāo)系原點(diǎn)（0,0,0）的絕對(duì)坐標(biāo)，項(xiàng)目特征點(diǎn)用于模型定位和模型糾偏。通過對(duì)新宮站三層結(jié)構(gòu)點(diǎn)位進(jìn)行坐標(biāo)采集，獲得每層一組，共3組坐標(biāo)點(diǎn)位，將點(diǎn)位坐標(biāo)信息作為掃描坐標(biāo)系基礎(chǔ)點(diǎn)位，保障坐標(biāo)體系的穩(wěn)定。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)掃描

利用三維激光掃描儀，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，F(xiàn)ARO Focus3D 120激光掃描儀具有每秒鐘976000點(diǎn)的超高測(cè)量速度，掃描一站數(shù)據(jù)需3min，完成新宮站高質(zhì)量掃描需4d。創(chuàng)建車站幾何表面的點(diǎn)云時(shí)，越密集的點(diǎn)云可以創(chuàng)建越精確的模型。

2.3 生成點(diǎn)云模型

通過FARO Focus3D 120，可獲得精度為1.5～2mm的精確新宮站點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過先進(jìn)的后處理技術(shù)對(duì)數(shù)以億計(jì)點(diǎn)云進(jìn)行分析、高精度建模處理，高速、準(zhǔn)確地再現(xiàn)新宮站的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)。為建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)、輔助安裝及工程監(jiān)理提供了至關(guān)重要的三維模型。點(diǎn)云模型生成圖如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云模型生成圖

2.4 點(diǎn)云模型和BIM模型組合對(duì)比

將三維掃描現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云真實(shí)數(shù)據(jù)模型與地鐵車站BIM模型整合，通過計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)整合，運(yùn)用相關(guān)手段協(xié)同對(duì)比，分析得出施工誤差，并導(dǎo)出具有指導(dǎo)功能的對(duì)比報(bào)告。具體模型對(duì)比報(bào)告如圖4所示。

3 基于點(diǎn)云模型的BIM應(yīng)用

3.1 點(diǎn)云模型測(cè)量

整合車站BIM模型和三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過觀察，可以清晰地看到點(diǎn)云所形成的面和車站BIM模型的誤差大小。借助軟件測(cè)量出點(diǎn)云數(shù)據(jù)和車站BIM模型三維三個(gè)方向面（X，Y，Z）的最短距離，可以看出誤差。車站BIM模型既是設(shè)計(jì)值又是理論值，而三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)是施工三維按圖施工后的一個(gè)結(jié)果，客觀都存在誤差。通過上述可以得到施工誤差的大小，并做出誤差分析報(bào)告。

3.2 凈高分析

依據(jù)三維掃描模型分區(qū)域復(fù)核凈高，然后得到區(qū)域凈高報(bào)告。整合三維掃描模型、車站BIM模型，對(duì)三維掃描模型、管線綜合機(jī)電模型和內(nèi)裝設(shè)計(jì)吊頂三者進(jìn)行標(biāo)高復(fù)核，并形成報(bào)告。依據(jù)凈高報(bào)告，對(duì)模型凈高進(jìn)行符合和完善，使其與施工現(xiàn)場(chǎng)凈高一致，保障管線安裝時(shí)的高度空間，并對(duì)裝飾裝修階段天花板高度等具體施工因素進(jìn)行合理驗(yàn)證。

圖4 模型對(duì)比報(bào)告

3.3 生成斷面圖、剖面圖

在生成的模型中，通過對(duì)隨意部位進(jìn)行剖切，可以得到該部位的剖面圖和斷面圖。對(duì)剖面圖和斷面圖的分析可便于相關(guān)工作人員驗(yàn)證結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)便于出具對(duì)應(yīng)的竣工圖紙。

3.4 平整度分析

施工平整度直接關(guān)系到裝飾裝修的效果和壽命。通過軟件對(duì)點(diǎn)云模型的平整度進(jìn)行分析，以色階的方式直觀地顯示出每個(gè)部分的平整情況，可以清楚地看到墻面的各個(gè)位置的平整度情況，也可以生成檢測(cè)報(bào)告。通過平整度分析，對(duì)地鐵車站墻面、柱面、頂板、地等平面的平整情況進(jìn)行歸納，能夠了解施工控制質(zhì)量，并針對(duì)具體的質(zhì)量問題進(jìn)行修整。

3.5 地面斜率與水平度計(jì)算

車站地面斜率與水平度影響地面裝修施工的施工質(zhì)量，同時(shí)對(duì)車站結(jié)構(gòu)的地面排水有著重要影響，所以保障車站地面結(jié)構(gòu)的地面斜率與水平度是施工中的重要質(zhì)量控制點(diǎn)。在該項(xiàng)目中，通過對(duì)點(diǎn)云模型地面的分析，計(jì)算地面斜率，用綠色表示平整，紅色表示不平整，最終出具報(bào)告。實(shí)時(shí)掌握地面施工平整度，檢測(cè)出地面有無超出標(biāo)高的部分，并根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)措施。通過對(duì)地面水平度進(jìn)行分析，利用不同顏色表示地面高程，綠色表示低處，紅色表示高處，有助于體現(xiàn)施工地面的整體斜度，直觀反映地面的整體斜度，助力車站地面裝飾施工。

4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

4.1 數(shù)據(jù)獲取速度快

FARO Focus3D 120激光掃描儀具有每秒鐘976000的超高測(cè)量速度，掃描一站數(shù)據(jù)僅需短短3min，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地鐵站可在4d內(nèi)完成掃描。其數(shù)據(jù)獲取速度是其他方式無法比擬的。

4.2 數(shù)據(jù)獲取量大，細(xì)節(jié)豐富

三維激光掃描技術(shù)使測(cè)量模式發(fā)生了革命性的改變，相關(guān)工作人員可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量密集的測(cè)量點(diǎn)，形成如照片般清晰的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而不再是單點(diǎn)測(cè)量。同時(shí)，其數(shù)據(jù)的信息量和細(xì)節(jié)豐富程度也是傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量所無法比擬的。

4.3 數(shù)據(jù)獲取的精度高

通過FARO Focus3D 120，相關(guān)工作人員可獲得精度為1.5～ 2mm的精確點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完全滿足測(cè)量要求。

4.4 獲取安全性高，操作簡(jiǎn)單方便

三維激光掃描技術(shù)掃描地鐵車站時(shí)對(duì)光線的要求并不苛刻，在夜晚無光線的條件下依舊可進(jìn)行工作。其測(cè)量原理和工作方式?jīng)Q定了相關(guān)工作人員不再需要與被測(cè)物體產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性接觸，只需要將掃描儀擺放在事先設(shè)定好的站點(diǎn)上，按下掃描鍵，其便可自行完成掃描任務(wù)。

4.5 獲取的數(shù)據(jù)用途廣，擴(kuò)展性強(qiáng)。

獲取的掃描數(shù)據(jù)可以進(jìn)行測(cè)量和分析，模型化后可以進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)、竣工測(cè)量以及監(jiān)理檢查等各方面工作。相關(guān)工作人員同樣可以參照建好的真實(shí)模型進(jìn)行裝飾圖預(yù)覽和裝飾材料耗費(fèi)測(cè)算。其數(shù)據(jù)的擴(kuò)展性用途非常多，這也是傳統(tǒng)方法所無法比擬的。

5 結(jié)束語(yǔ)

在地鐵車站施工中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)與圖紙的誤差，對(duì)裝飾裝修階段和設(shè)備安裝階段的BIM工作有重大的負(fù)面影響，如何保障BIM模型和現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)相符，避免后期施工中的不利因素，是施工階段后期BIM工作的重點(diǎn)。本次研究利用三維點(diǎn)云掃描技術(shù)拓取施工結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型，進(jìn)行點(diǎn)云模型和BIM模型分析對(duì)比，找到了BIM模型中不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的部位，并進(jìn)行修正，有效保障了BIM模型的正確性，為后續(xù)的裝飾裝修、設(shè)備安全等工作提供了精準(zhǔn)的數(shù)字化基礎(chǔ)模型，提高了施工效率。