三維激光掃描與BIM技術(shù)在道路工程質(zhì)量檢驗(yàn)中的應(yīng)用

陳孝哲

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司 廣州510500）

0 引言

BIM 技術(shù)是一種應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域的信息化技術(shù)，其利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，將建筑工程以三維可視化模型的形態(tài)展示，同時(shí)承載著建設(shè)各個(gè)階段中形成的數(shù)據(jù)信息［1］。在竣工驗(yàn)收階段，以竣工圖紙為參照，創(chuàng)建能夠反映設(shè)計(jì)意圖的設(shè)計(jì)BIM 模型，以三維激光掃描技術(shù)獲取能夠反映真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)云模型，將BIM 模型與點(diǎn)云模型進(jìn)行對(duì)比分析，即可得到實(shí)際與設(shè)計(jì)的誤差，使施工質(zhì)量檢驗(yàn)工作智能化和自動(dòng)化，從而保證施工質(zhì)量［2］。

1 三維激光掃描

1.1 基本原理

三維激光掃描儀的利用激光測(cè)距的原理，記錄目標(biāo)點(diǎn)P 與掃描儀儀器中心（坐標(biāo)原點(diǎn)）的斜距S，同時(shí)通過精密時(shí)鐘控制編碼器測(cè)得每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度α（水平角）和縱向掃描角度β（垂直角）。儀器自定義坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)位于儀器中心，Y 軸由儀器自身掃描脈沖方向確定，Z軸為豎直向上，由直角坐標(biāo)系確定坐標(biāo)系的X 軸［3］，如圖1 所示。由極坐標(biāo)系公式可計(jì)算得采樣點(diǎn)三維空間坐標(biāo)P（Xp、Yp、Zp），計(jì)算公式如下：

圖1 采樣點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理示意圖Fig.1 Calculation Principle of Sampling Point Coordinates

1.2 三維掃描作業(yè)

外業(yè)采用后方交會(huì)轉(zhuǎn)站的連續(xù)掃描模式以提高掃描精度，該方法獲得的點(diǎn)云無需內(nèi)業(yè)拼接，具有更高的精度，同時(shí)以已知點(diǎn)為控制點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)［4］。以某道路工程為例，其掃描站點(diǎn)布置如圖2 所示，三維掃描外業(yè)共進(jìn)行了14 次設(shè)站掃描，后視點(diǎn)4 個(gè)，已知點(diǎn)5 個(gè)，依次在各測(cè)站對(duì)人行道路面、車行道路面及擋土墻外立面進(jìn)行三維掃描，共獲得3 658 萬個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中包括遠(yuǎn)處的道路、建筑、綠植以及車輛等，原始點(diǎn)云如圖3?所示。

圖2 掃描站布置示意圖Fig.2 Layout of Scanning Station

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

采用Trimble Business Center 對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行處理。提取道路和擋墻表面數(shù)據(jù)，需對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理。其步驟為：①手動(dòng)刪除檢測(cè)范圍以外的大部分點(diǎn)云，包括遠(yuǎn)處的建筑、綠植；②設(shè)置設(shè)計(jì)面到掃描點(diǎn)的距離d，計(jì)算所有掃描點(diǎn)與設(shè)計(jì)面的垂距，根據(jù)距離將距離大于d的點(diǎn)剔除；③利用濾波器進(jìn)行離散點(diǎn)去除，輸入臨近點(diǎn)的個(gè)數(shù)及到臨近點(diǎn)的距離，計(jì)算所有臨近點(diǎn)平均距離，若平均距離不在設(shè)置的范圍內(nèi)，則該點(diǎn)為離散點(diǎn)，并將其剔除；④經(jīng)離散點(diǎn)去噪后仍可能會(huì)存在噪點(diǎn)點(diǎn)云，可采用手工提出或圖像識(shí)別等方法進(jìn)行進(jìn)一步去噪［5］。去噪和刪除無關(guān)點(diǎn)云后的有效點(diǎn)云如圖3?所示。

2 道路設(shè)計(jì)BIM模型

以參數(shù)化的手段創(chuàng)建道路設(shè)計(jì)BIM 模型［6］，依據(jù)竣工圖提取設(shè)計(jì)路線平縱數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)橫斷面，進(jìn)行三維道路設(shè)計(jì)BIM 模型的創(chuàng)建［7］，道路路線平縱斷面繪制如圖4所示，參數(shù)化橫斷面模板如圖5所示，道路三維實(shí)體模型如圖6所示。

圖4 道路路線平縱斷面Fig.4 Horizontal and Vertical Sections of the Route

圖5 參數(shù)化橫斷面模板Fig.5 Parametric Cross Section Template

圖6 道路設(shè)計(jì)BIM模型Fig.6 BIM Model of Road Design

提取車行道及人行道路面表面和擋土墻外立面表面，所有表面均為三維曲面模型，如圖7 所示，以此表面模型為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面模型，與實(shí)測(cè)三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行模型對(duì)比分析［8］。

圖7 三維表面模型Fig.7 3D Surface Model

3 模型對(duì)比分析

采用Geomagic Qualify 軟件進(jìn)行模型對(duì)比分析。通過設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)與外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以偏差值不同點(diǎn)賦予不同顏色來顯示偏差大小，即可將施工誤差以可視化的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。

3.1 車行道及人行道

將提取的道路三維BIM 模型車行道及人行道表面與三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合，提取各點(diǎn)與道路設(shè)計(jì)表面的垂直距離，圖中負(fù)數(shù)代表實(shí)測(cè)值低于設(shè)計(jì)值，以青（藍(lán)）色表示，顏色越深表明偏差值越大，得到模型對(duì)比云圖，如圖8、圖9所示。

圖8 車行道模型對(duì)比云圖Fig.8 Roadway Model Comparison Cloud Map

圖9 人行道模型對(duì)比云圖Fig.9 Sidewalk Model Contrast Cloud Map

3.2 擋土墻外立面

將提取的道路三維BIM 模型擋土墻外立面表面與三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合，提取各點(diǎn)與擋土墻設(shè)計(jì)表面的三維垂直距離，圖10中正數(shù)代表實(shí)測(cè)表面位于設(shè)計(jì)表面外側(cè)，以紅（黃）色表示，負(fù)數(shù)代表實(shí)測(cè)表面位于設(shè)計(jì)表面內(nèi)側(cè)，以藍(lán)（青）色表示，顏色越深表明偏差值越大，依據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)JTG F80/1—2017》［9］，懸臂式和扶壁式擋土墻水平位置實(shí)測(cè)允許偏差為≤30 mm，在合格標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的值以綠色標(biāo)識(shí)，得到模型對(duì)比云圖，如圖10所示。

4 結(jié)語

圖10 擋土墻模型對(duì)比云圖Fig.10 Comparison of Retaining Wall Models

針對(duì)建筑工程施工驗(yàn)收階段，道路工程施工與設(shè)計(jì)之間的差異，本文提出了以三維激光掃描技術(shù)來進(jìn)行施工質(zhì)量檢驗(yàn)的方法。搭建道路設(shè)計(jì)BIM 模型和道路現(xiàn)狀點(diǎn)云模型，通過比對(duì)模型，得出施工與設(shè)計(jì)之間的數(shù)據(jù)偏差，并將對(duì)比分析結(jié)果可視化，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該方法可操作性強(qiáng)、分析結(jié)果可靠，可用于評(píng)估現(xiàn)狀施工質(zhì)量［10］。