三維激光掃描技術在工程全壽命周期中的應用

崔建榮 鮑金晶 孫 進 高海健

（1.南通華榮建設有限公司，江蘇 南通 226002；2.南通理工學院，江蘇 南通 226002）

0 引言

建筑工程施工過程中，經(jīng)常需要確定實際構件、墻體、樓層的尺寸、位置、標高、角度、距離等參數(shù)，傳統(tǒng)上采用水準儀、經(jīng)緯儀、全站儀等儀器設備進行測量、施工放樣及校驗等工作，后將GPS-RTK等測量技術引入到工程施工測量中，極大提高了施工測量的速度和精度，促進了施工技術的進步。

隨著社會科技經(jīng)濟發(fā)展，測量技術手段也日新月異。近年來，三維激光掃描技術作為一種非接觸式主動測量系統(tǒng)，能夠快速地獲取被測目標大量的點云三維空間數(shù)據(jù)，因而在道路交通、水利工程、文物修復、醫(yī)療衛(wèi)生等不同領域得到了廣泛應用。

一些學者[1-7]也對三維掃描技術在建筑工程中的應用進行研究，但這些工作大多從單一需求出發(fā)，提出的應用方向比較局限，本文通過綜合分析，比較系統(tǒng)地深入探索三維測量技術在建筑工程全壽命周期的應用途徑，并在具體工程中進行局部驗證。

1 三維掃描技術原理

三維激光掃描技術突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)。其主要工作方式有三種[8]：

（1）脈沖測距法。通過測量發(fā)射和接受激光脈沖信號的時間差得到儀器中心至目標點距離。

（2）相位干涉法。利用光學干涉原理，通過測定調(diào)制光信號在被測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位差間接測定往返時間，從而計算儀器中心至目標點距離。

（3）三角法。通過立體相機與結構化光源所獲得的兩條光線信息，利用三角形幾何關系求得測量儀器中心至目標點距離。

本文使用的FARO Focus 3D 350掃描儀是一種相位干涉法三維激光掃描儀，測距精度可達毫米級，采樣速率最高可達976000點／秒，掃描儀集成GPS接收器，使掃描與后處理相互關聯(lián)，快速拼接，具有測量速度快、精度高等特點。

2 三維掃描技術應用探索

從項目管理角度，建設工程全壽命周期管理通常包括：工程決策期的開發(fā)管理（DM）、實施期的項目管理（PM）和使用期的運維管理（FM）。因此，本文從決策、實施和使用三個階段分別討論三維掃描技術的應用（如圖1）。

圖1 建設工程全壽命周期階段劃分

2.1 工程決策階段

三維掃描技術在工程決策階段主要應用于場地測量，如對擬建區(qū)域地形、道路、河道、土坡、深坑等進行測繪，為建設方項目規(guī)劃、投資及可行性研究提供初步依據(jù)。同時，這些基礎地理信息可在工程實施階段為設計單位提供比較準確的地形現(xiàn)狀圖，便于設計人員在準確掌握擬建場地的地形條件基礎上進行設計，并為建設方開展“三通一平”等前期工作方案制定提供數(shù)據(jù)支撐。

在現(xiàn)今時代，信息技術已經(jīng)不再是新鮮事情。現(xiàn)如今我國的小學教學課堂已經(jīng)普遍應用了電教媒體，其優(yōu)點在于能夠以形象、靈活、生動的方式將教學內(nèi)容展示給學生。在小學語文教學中運用電教媒體，不僅能夠優(yōu)化教學課堂，還能夠有效拓寬學生的學習視野，從而改變教學課堂氣氛。在傳統(tǒng)教學中，學生接觸最多的是黑板、教材等，而電教媒體的運用，給學生提供了生動、活躍的圖像，以及在其中悅耳的音樂等，能夠讓學生對學習充滿興趣，從而有效提高小學語文教學效率和質(zhì)量。

2.2 工程實施階段

工程實施階段是三維掃描技術應用的主要階段，除上文已經(jīng)介紹的基于三維掃描測繪數(shù)據(jù)進行場地平整和建筑設計外，還可用于以下幾個方面：

（1）定位放線校驗。為保證定位放線的準確性，施工過程中，可采用三維掃描技術及時跟進測量，對定位放線進行校驗，及時發(fā)現(xiàn)線位偏差，如墻體砌筑，放線后可設置一些特征點位進行三維掃描測量，校驗放線位置的準確性，能夠確保嚴格按照圖紙尺寸施工，盡量減少施工測量誤差。

（2）施工電子檔案。目前工程施工檔案資料主要包括圖紙、圖片、視頻和文檔，三維掃描技術提供了一種全新的電子檔案形式，對于一些關鍵的施工工序，如鋼筋綁扎等隱蔽工程，在混凝土澆筑前進行三維掃描，可準確記錄鋼筋的布置，導出精確的鋼筋直徑、長度、距離等數(shù)據(jù)，集圖紙、圖片、文檔等功能于一體，具有良好的可追溯性，為后續(xù)質(zhì)量驗收、運維管理提供有效的、準確的、永久的數(shù)字檔案。

（3）工程質(zhì)量驗收。利用三維掃描技術進行工程質(zhì)量驗收可以概括為兩個方面：①施工過程質(zhì)量驗收。仍以墻體砌筑為例，砌筑過程中可定期進行三維掃描，快速高效地獲得墻體三維信息，從而加強施工過程控制，及時發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的問題，保證施工質(zhì)量。②工程竣工驗收。工程竣工后進行三維掃描，可以直觀的判斷施工表觀質(zhì)量的好壞。通過對點云數(shù)據(jù)處理分析，能夠非常方便得到房屋尺寸、樓層標高、垂直度、平整度等指標，相比于采用傳統(tǒng)抽測的質(zhì)量驗收方法，三維掃描技術可以提供已完工程任意點數(shù)據(jù)，優(yōu)勢是顯而易見的。

（4）建筑變形監(jiān)測。建設工程變形監(jiān)測主要是對建筑物上點位移和形狀變換進行長期的測量，得到其變化情況，判斷可能出現(xiàn)的破壞并進行預防。采用三維激光掃描技術對建筑物進行變形監(jiān)測，可在被測目標上確定若干特征點，在特征點位置設置標靶球，在保證一定掃描距離和點云密度的條件下，數(shù)據(jù)處理結果完全能夠滿足變形監(jiān)測的要求。

（5）安裝與裝飾施工優(yōu)化。由于施工誤差的存在，主體結構完工后實際尺寸往往與設計尺寸不一致，有時誤差還比較大，這對后期的管線和設備安裝，以及裝飾裝修工程非常不利，甚至直接導致管線、設備等無法安裝。因此，主體結構完工后進行三維掃描，并在現(xiàn)場三維實測數(shù)據(jù)基礎上對管線、設備和裝飾裝修工程進行設計優(yōu)化，能夠更好的讓設計成果得到落實，加快施工進度，避免不必要的損失。如在國家體育場、中央電視臺等工程建設施工中，由于建筑結構較為復雜、造型獨特，因此需要開展大量的高空與吊裝作業(yè)，應用三維掃描技術可以快速、精確的獲取各項工程測量數(shù)據(jù)，為具體施工活動提供參照[9]。

2.3 工程使用階段

在工程使用階段，三維激光掃描技術主要應用于逆向建模與運維系統(tǒng)結合和加固改造設計。

目前建設工程運營和維修的基礎是完整的竣工圖紙，但二維的竣工圖不能很好的展現(xiàn)實際狀況，而且往往竣工圖與工程實際數(shù)據(jù)存在一定差異。采用三維激光掃描技術進行工程逆向建模，并在實測三維數(shù)據(jù)基礎上生成VR全景，能讓運維人員更加身臨其境感受到實景化的體驗，將來還能將實測模型與運維系統(tǒng)相結合，甚至能遠程操控機器人進行工程運維管理。

2.3.2 加固改造設計

對于加固改造或改擴建工程，通過三維激光掃描技術可以十分方便的獲得現(xiàn)有建筑、管線等位置及尺寸信息，為設計人員全面了解現(xiàn)有建筑實際情況及后續(xù)設計提供準確數(shù)據(jù)。

3 應用案例

某圖書館項目，占地3748.47m2，總建筑面積36988.88m2，地上19層、地下1層，裙樓高23.75m，主樓高86.20m。項目以創(chuàng)省優(yōu)“揚子杯”為質(zhì)量控制目標，結合整個項目的特點，通過強化多專業(yè)協(xié)同、深化設計、多維管理、精確測量的方式提升項目品質(zhì)。下文重點介紹部分三維掃描技術應用。

3.1 施工電子檔案

在施工過程中，利用施工作業(yè)休息空檔，在施工現(xiàn)場進行快速三維掃描外業(yè)工作，掃描數(shù)據(jù)在室內(nèi)進行拼接處理，從而獲得施工現(xiàn)場的當天實時三維模型（如圖2），后期可以通過三維點云模型在線分享，與BIM模型（如圖3）進行比對，業(yè)主方、監(jiān)理方、施工方可以進行現(xiàn)場構件的實時檢查和數(shù)字工地的信息存檔。

圖2 圖書館在建實時三維彩色點云模型

圖3 圖書館BIM模型

再如對某連梁的鋼筋綁扎情況進行三維掃描（如圖4），記錄鋼筋實際位置、間距、直徑、接長等信息，能夠快速判斷鋼筋綁扎是否滿足設計圖紙（如圖5）要求，并生成準確的施工過程電子檔案。

圖4 某連梁三維點云數(shù)據(jù)

圖5 某連梁平法配筋圖

3.2 工程質(zhì)量驗收

傳統(tǒng)的外觀質(zhì)量檢測是人工采用靠尺或目測觀察進行“計數(shù)檢驗”，很難準確地定量。采用三維掃描技術獲得構件表觀點云數(shù)據(jù)，構建三維點云模型，進行外觀質(zhì)量分析，可以全面檢測，方便快捷。項目采用三維掃描獲得點云數(shù)據(jù)，在法如點云拼接軟件SCENE中進行拼接和降噪處理，將處理好的BIM模型和點云模型導入法如點云后處理軟件As-Built中進行對齊、擬合分析，通過圖形識別等手段分析建筑墻體平整度、垂直度和外觀缺陷等參數(shù)，從而獲得整個構件部位的外觀質(zhì)量數(shù)據(jù)。

例如某墻面平整度檢測，傳統(tǒng)靠尺抽樣檢查，平整度實測偏差為5mm（如圖6）；根據(jù)三維點云數(shù)據(jù)分析（如圖7～圖8），墻面平整度整體平均誤差是2.3mm，局部較大誤差為7mm，最大誤差是15mm。點云分析數(shù)據(jù)結果相比傳統(tǒng)檢測結果，在信息獲取上要更快捷、更全面、更智能，數(shù)據(jù)的準確性也更高，因此可以大幅提高施工效率和施工質(zhì)量。

圖6 某墻體采用傳統(tǒng)手段的外觀質(zhì)量檢測結果

圖7 某墻體三維點云模型

圖8 某墻體點云平整度分析報告

4 結束語

三維激光掃描技術以其高效、精確、簡便等特點在建設工程中得到越來越多的應用，本文比較全面地總結探討了三維激光掃描技術在建設工程全壽命周期的應用，并以實際工程為例進行驗證。隨著研究的深入，三維激光掃描技術在建設工程上的應用將會被不斷的開發(fā)，促進建筑行業(yè)向信息化、智能化方向進一步邁進。