三維激光掃描和BIM技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用分析

蘇磊

【摘要】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。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描;BIM 技術(shù);工程測量

近年來，工程測量領(lǐng)域不斷傳來“好消息”，很多技術(shù)難題被攻克，提出了很多新興測量技術(shù)，促使工程測量水平得到了提高。 其中，三維激光掃描和 BIM 技術(shù)憑借自身的優(yōu)勢，包括高精確度和高效率等，被廣泛應(yīng)用，發(fā)揮著積極的作用。

1、三維激光掃描和BIM技術(shù)可行性分析

1.1 三維激光掃描技術(shù)的可行性分析

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。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、精度高、數(shù)據(jù)兼容性強、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。

1.2 BIM技術(shù)的可行性分析

所謂的BIM，是建筑信息模型的簡稱，具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性等特點，可為工程項目設(shè)計、施工等提供技術(shù)保障，最大限度地降低項目施工風(fēng)險，實現(xiàn)項目成本最小化、效益最大化的長遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)。同時，在BIM技術(shù)的支持下，可實現(xiàn)對現(xiàn)代建筑工程項目建設(shè)過程的動態(tài)模擬分析，可為其作業(yè)計劃的高效實施打下基礎(chǔ)，避免對項目施工質(zhì)量、效益等造成不利影響。BIM技術(shù)中有一個重要的優(yōu)點是協(xié)調(diào)性，當(dāng)下，現(xiàn)代化建筑工程的工作流程比較復(fù)雜和繁瑣，工程中不同單位承擔(dān)著不同的工作任務(wù)，但是每個部門之間卻是有機聯(lián)系的，因為工程項目一直都是完整的綜合體，所以每個部門要協(xié)調(diào)配合好，其中BIM技術(shù)就可以幫助工程不同部門更好地協(xié)同合作，也可以促進(jìn)工作人員的交流和溝通，也就能有效地解決工程項目管理中的問題。

2、三維激光掃描與BIM技術(shù)的應(yīng)用思路

該工程建筑高度為99.8m，地下2層，地上30層，總建筑面積為44558.2m2。工程造型簡潔、立面規(guī)整，矗立在湘江之畔。

2.1 現(xiàn)場試驗準(zhǔn)備

該工程平面中心位置設(shè)置了核心筒鋼框架，鋼框架尺寸大，吊裝難度高，就位后因自身荷載和其他施工荷載的作用，會發(fā)生整體變形。嚴(yán)格控制鋼框架水平方向的變形，是該工程建筑施工質(zhì)量控制的核心內(nèi)容之一。為精準(zhǔn)、高效地監(jiān)控施工過程中鋼框架變形，施工項目部采用了基于BIM模型的三維激光掃描變形監(jiān)測方案，并與傳統(tǒng)的全站儀監(jiān)測方法進(jìn)行比對分析。在施工現(xiàn)場鋼框架上，每隔1.5m距離粘貼了P40專用黑白靶標(biāo)，共計16個。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)預(yù)處理

本次外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用某款三維激光掃描儀，掃描精度高，一般能達(dá)到2 mm。外業(yè)采集點云數(shù)據(jù)安排兩人操作儀器，兩人布設(shè)靶標(biāo)。此次共布設(shè)約100站覆蓋全部區(qū)域，每站掃描時間約為3 min，相鄰站之間用球狀靶標(biāo)進(jìn)行拼接，為了保證后期拼接處理效果，每相鄰兩站至少能看到4個公共靶標(biāo)，掃描等級使用2檔，點云密度及精確度都較高，若出現(xiàn)遮擋的情況，增加站數(shù)。需要注意的是，應(yīng)針對需要提取坐標(biāo)的區(qū)域精細(xì)掃描。此外由于儀器安置在通道上，因此，掃描儀掃描時禁止人員走動，防止震動帶來偶然誤差。由于掃描對象在圍欄外側(cè)，應(yīng)選擇合適角度且架高儀器采集數(shù)據(jù)，盡量減少遮擋對測量成果的影響。為方便精度檢驗和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，需要將相對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到絕對坐標(biāo)。因此，在地面布設(shè)一定數(shù)量的平面靶標(biāo)，靶標(biāo)位置不宜過遠(yuǎn)，要求掃描儀在地上平臺能夠采集到，且要求靶標(biāo)位置固定、周圍無明顯遮擋，方便全站儀采集。

2.3 基于 BIM 模型的三維激光掃描變形監(jiān)測方案

施工項目部經(jīng)過研究，現(xiàn)場同時對鋼框架采用TSP監(jiān)控法進(jìn)行變形監(jiān)測，設(shè)置激光掃描儀，輔以電子全站儀，同時一并設(shè)置定位靶標(biāo)球。在施工完該層鋼框架后，進(jìn)行第1次掃描，測量TSP定位系統(tǒng)棱鏡，測量靶標(biāo)球的三維坐標(biāo)，將點云數(shù)據(jù)輸入SCENE軟件，與調(diào)入的虛擬BIM模型對應(yīng)的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，即可得到鋼框架的變形值;在施工完上一層后，再對本層鋼框架進(jìn)行掃描，并與虛擬BIM模型進(jìn)行比較，即可得到本層鋼框架實時監(jiān)控水平位移變形值，基于BIM模型的三維激光掃描變形監(jiān)測時，監(jiān)測點適時水平位置變形值方差較小，測量精度更高。

2.4 集中優(yōu)化處理數(shù)據(jù)

現(xiàn)階段，建筑施工領(lǐng)域為了追求建筑施工項目的質(zhì)量，確保所竣工建筑在各方面綜合性質(zhì)上都能夠達(dá)到國家建筑行業(yè)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而在建筑質(zhì)量驗收環(huán)節(jié)企業(yè)加大了對竣工建筑物的立面剖圖的審核力度。為簡化竣工測量作業(yè)的復(fù)雜程序，技術(shù)人員提出要集中優(yōu)化處理數(shù)據(jù)的工作理念，在實際測量工作中相關(guān)人員可以利用三維激光掃描測量技術(shù)對竣工作業(yè)進(jìn)行具體測量，進(jìn)而構(gòu)建出三維立體模型，使得所測繪出的數(shù)據(jù)更符合竣工建筑的實際情況。

結(jié)語：

基于BIM模型的三維激光掃描變形監(jiān)測，采用三維激光掃描自動獲取建筑物實測數(shù)據(jù)，利用軟件對實測數(shù)據(jù)形成的BIM模型和原始BIM模型進(jìn)行比對，獲得變形值，比較傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法，人工操作少、偶然誤差偏小，軟件比對分析、評價結(jié)果精度高。

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