基于BIM的點(diǎn)云數(shù)據(jù)智能驗(yàn)收

李少旭

摘要：建筑物施工前，可依據(jù)藍(lán)圖創(chuàng)建BIM模型，形成建筑物標(biāo)桿，建筑施工完成后，利用FARO三維掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用SCENE軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在PolyWorks軟件中同步比對(duì)BIM模型數(shù)據(jù)與SCENE點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得出建筑物缺陷位置及精確的缺陷尺寸，完成建筑物智能驗(yàn)收。

關(guān)鍵詞：BIM模型;三維掃描儀;點(diǎn)云數(shù)據(jù);智能驗(yàn)收

隨著城市化進(jìn)程的加快及施工工藝的快速發(fā)展，建筑物竣工驗(yàn)收綠色化也迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段，工程建設(shè)項(xiàng)目審批制度改革及“多測(cè)合一”工作推進(jìn)，竣工驗(yàn)收時(shí)限縮短，驗(yàn)收質(zhì)量要求更高[1]?；诠こ谈咭蟮氖┕ぞ取?yán)格的質(zhì)量要求，需要信息化的三維掃描+BIM新型驗(yàn)收方式。三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是一種新型全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行掃描操作[2]。三維掃描技術(shù)能實(shí)時(shí)拾取實(shí)體模型的空間坐標(biāo)并形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)與BIM模型的對(duì)比分析，及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)施工情況，對(duì)存在定位偏差、變形過(guò)大的構(gòu)件及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

在施工過(guò)程中涉及大量安裝作業(yè)，必須對(duì)其實(shí)體質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)高效地檢測(cè)，傳統(tǒng)的竣工驗(yàn)收測(cè)量已無(wú)法滿足現(xiàn)代城市管理的要求[3]。BIM技術(shù)和三維掃描技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，為建筑的驗(yàn)收提供了新的檢測(cè)手段?？稍诓挥绊懯┕みM(jìn)度情況下準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)建筑施工情況，通過(guò)BIM技術(shù)和三維掃描技術(shù)相結(jié)合，可以形成全新的三維非接觸檢測(cè)手段。

1、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集原理

為保證三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量，研究中采用FARO Laser Scanner Focus設(shè)備進(jìn)行掃描工作。Focus是一款高速三維激光掃描儀，能夠在幾分鐘內(nèi)為復(fù)雜的環(huán)境和幾何圖形制作出細(xì)節(jié)豐富的三維圖像。該掃描儀主要包括激光發(fā)射器、激光反射鏡、激光自適應(yīng)聚焦控制單元、光機(jī)點(diǎn)自動(dòng)傳感轉(zhuǎn)置等。工作方式為非接觸式，通過(guò)發(fā)射高速激光獲取到物體表面的距離、角度和反射強(qiáng)度，并轉(zhuǎn)化為可讀取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。工作時(shí)，將紅外線激光束射到旋轉(zhuǎn)光學(xué)鏡的中心，該光學(xué)鏡將使激光光束在圍繞掃描環(huán)境垂直旋轉(zhuǎn)的方向上產(chǎn)生偏差，之后，將周圍對(duì)象的散射光反射回掃描儀。在測(cè)量距離時(shí)，三維掃描儀采用相位偏移技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)，掃描儀可持續(xù)向外投射不同波長(zhǎng)的紅外光，當(dāng)接觸到對(duì)象后，會(huì)反射回到掃描儀。通過(guò)測(cè)量紅外線光波的相位偏移，即可準(zhǔn)確判斷掃描儀到對(duì)象的距離，使用角度編碼器測(cè)量Focus的鏡像旋轉(zhuǎn)和水平旋轉(zhuǎn)，可以計(jì)算各點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)，并對(duì)這些角度進(jìn)行編碼及記錄。Focus通過(guò)測(cè)量接收到的激光光束的強(qiáng)度確定捕獲的表面的反射性，淺色表面反射的發(fā)射光部分比深色表面的更多，該反射性用于向各個(gè)點(diǎn)分配一個(gè)對(duì)應(yīng)值。隨后單點(diǎn)測(cè)量重復(fù)執(zhí)行，每秒最多可執(zhí)行百萬(wàn)次，最終結(jié)果可以獲得一個(gè)點(diǎn)云，即掃描儀環(huán)境的一個(gè)三維數(shù)據(jù)組，每個(gè)點(diǎn)云可以由數(shù)百萬(wàn)個(gè)掃描點(diǎn)組成。

2、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集實(shí)施

使用三維激光掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，主要分為以下兩個(gè)步驟：

①儀器固定及參數(shù)預(yù)設(shè)置

將掃描儀的上半部分安裝到三腳架底座沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)螺母，在有風(fēng)條件下，使用重物使三腳架平穩(wěn)固定，固定完成后使用自動(dòng)調(diào)平功能進(jìn)行調(diào)平。執(zhí)行掃描項(xiàng)目前，使用SCENE軟件來(lái)設(shè)置SD卡（包含項(xiàng)目相關(guān)信息和設(shè)置）。這些數(shù)據(jù)信息隨后可以傳輸給掃描儀。

②點(diǎn)云數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集

建筑物由于其周圍環(huán)境的復(fù)雜性，使得數(shù)據(jù)采集無(wú)法通過(guò)一個(gè)測(cè)站獲取一棟建筑物的整體信息[4]。掃描前，應(yīng)考慮到工作環(huán)境以及測(cè)站之間的點(diǎn)位可見度布置好測(cè)點(diǎn)數(shù)目和位置，確定每一站的掃描范圍和重合度，一般兩站點(diǎn)重合度達(dá)到百分之二十為宜。另外，采集的每個(gè)項(xiàng)目和子項(xiàng)目在創(chuàng)建時(shí)都會(huì)獲得唯一的內(nèi)部標(biāo)識(shí)號(hào)，在SCENE的后期處理過(guò)程中將掃描組合到掃描群集將根據(jù)此標(biāo)識(shí)號(hào)來(lái)進(jìn)行，而不是基于項(xiàng)目名稱。掃描的默認(rèn)區(qū)域?yàn)榇怪狈较驈?60°到90°，水平方向從0°到360°。采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，室內(nèi)設(shè)置采集距離為10m，室外為20m。前期如只采集數(shù)據(jù)，可關(guān)閉彩色掃描模式，使采集數(shù)據(jù)的時(shí)間更短，后期對(duì)采集到的黑白點(diǎn)云進(jìn)行渲染，可在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行著色。

3、BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入與點(diǎn)云數(shù)據(jù)比對(duì)分析

在數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于人為、周圍環(huán)境等其他干擾因素的影響，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免的存在異常點(diǎn)云（噪點(diǎn)），這些點(diǎn)的存在對(duì)精度造成了較大影響，因此必須進(jìn)行降噪處理，研究中，利用SCENE軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)降噪，降噪前，模型會(huì)顯示為紅色，降噪后，可進(jìn)行綠色顯示。

將建筑施工前依據(jù)藍(lán)圖創(chuàng)建BIM模型做為建筑物標(biāo)桿，導(dǎo)入Polyworks軟件，觀察BIM模型在各處與點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型各位置的偏差，并導(dǎo)出精確偏差，即可實(shí)現(xiàn)建筑物智能驗(yàn)收。用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行對(duì)齊，利用軟件的分析菜單中的點(diǎn)坐標(biāo)命令，分別檢核點(diǎn)云模型和參考模型的坐標(biāo)，并利用“精確移動(dòng)”命令將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和BIM參考模型精確對(duì)齊。對(duì)齊的參照點(diǎn)每層不少于3個(gè)，同時(shí)，收斂目標(biāo)的迭代次數(shù)不宜超過(guò)50。點(diǎn)云和模型對(duì)齊后，使用“3D比較”功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM模型的一致性進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果可輸出3D圖形及文字報(bào)告。能直觀地反映出誤差對(duì)建筑的影響，得出建筑物缺陷位置及精確的缺陷尺寸，系統(tǒng)地表示建筑物整體質(zhì)量。

4、智能驗(yàn)收應(yīng)用

鹿港壹號(hào)院項(xiàng)目中，園區(qū)建筑分別采用全裝配預(yù)制混凝土、裝配式混凝土復(fù)合墻、輕鋼結(jié)構(gòu)住宅、預(yù)制混凝土空心模剪力墻、預(yù)制輕混凝土承重凹槽大板等不同的新型建筑結(jié)構(gòu)體系技術(shù)。本次基于BIM的點(diǎn)云數(shù)據(jù)智能驗(yàn)收應(yīng)用在6種不同體系后，通過(guò)點(diǎn)數(shù)據(jù)云與BIM模型比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)六個(gè)建筑物共計(jì)206處未滿足精度要求的施工點(diǎn)，其中52處需進(jìn)行形變后重施工，104處需要進(jìn)行微調(diào)，50處影響不大可不做調(diào)整。智能驗(yàn)收為工程提供了完整、準(zhǔn)確、永久的數(shù)字檔案，施工單位以點(diǎn)云文件為基礎(chǔ)來(lái)保存竣工三維模型，供各參建方進(jìn)行無(wú)紙化驗(yàn)收。

5、結(jié)束語(yǔ)

三維掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的智能驗(yàn)收方式，改善了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作方式，計(jì)算空間信息和對(duì)比偏差等工作均移至內(nèi)業(yè)處理，不僅精簡(jiǎn)了現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集工作，同時(shí)，大幅減少了費(fèi)力和高危險(xiǎn)部位的測(cè)量作業(yè)，有效提高了檢測(cè)的精準(zhǔn)度，這是一種全數(shù)檢查方式，可以有效避免抽樣檢測(cè)的局限性。針對(duì)三維掃描的技術(shù)方法、技術(shù)精度、技術(shù)可行性等方面的研究具有實(shí)際的應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1]尚金光，張小波，陳超，李成.三維激光掃描點(diǎn)云及其全景技術(shù)在“多測(cè)合一”中的應(yīng)用.[J].城市勘測(cè)，2020（2）：57-61.

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[4]吳靜，靳奉祥，王健，等.基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物三維建模[J].測(cè)繪工程，2007，16（5）：57-60.

基金項(xiàng)目：本論文為2020年石家莊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“基于BIM的點(diǎn)云數(shù)據(jù)智能驗(yàn)收”的最終研究成果。項(xiàng)目編號(hào)：201230831。

石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系 河北 石家莊 050081