“BIM+三維激光掃描”技術(shù)在山區(qū)高速公路項目施工中的應(yīng)用探究

郭燈，施正寶，陳保祥，薛杰，胡穩(wěn)根

（中交一公局集團有限公司，北京 100024）

1 項目概況

貴州省沿印松高速公路，具體實施工點為K5+975～K6+145 右側(cè)邊坡、K99+010～K99+180 左側(cè)邊坡，李家寨隧道進口、涼風(fēng)坳隧道出口YK81+728～YK81+748 段初支侵限段落，柏樹坪隧道復(fù)雜溶洞，橋梁墩柱、預(yù)制T 梁（波紋管定位）等，通過對不同方位進行三維激光掃描，對BIM 模型和所對應(yīng)的三維掃描模型進行對比、轉(zhuǎn)化和分析，獲取了現(xiàn)場實體較設(shè)計偏差，并及時調(diào)整，輔助工程現(xiàn)場施工，提升項目管理水平。

2 “BIM+三維激光掃描”技術(shù)概述

在高速公路施工階段，采用三維激光掃描技術(shù)高效、快速獲取物體表面高精度點云數(shù)據(jù)，結(jié)合BIM 設(shè)計模型的高可計算性、可視性特點，通過點云數(shù)據(jù)進行高邊坡、隧道結(jié)構(gòu)、橋梁構(gòu)件的逆向模型重構(gòu)，與BIM 設(shè)計模型進行空間形態(tài)的算法比對，獲得邊坡、隧道開挖前后的設(shè)計曲面及實際施工曲面的曲面形態(tài)計算數(shù)據(jù)，繼而快速進行邊坡的開挖土方量計算、邊坡坡率校核、邊坡變形監(jiān)測，以及隧道施工的超欠挖計算、線型控制，橋梁構(gòu)件質(zhì)量控制等[1]。其應(yīng)用重難點是要將BIM 模型導(dǎo)入三維掃描處理軟件中進行點云數(shù)據(jù)與BIM 模型數(shù)據(jù)擬合對比，分析輸出差異化結(jié)果。另外，現(xiàn)場實際施工環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備操作受限，如何布點是本研究項目的難點所在。

3 “BIM+三維激光掃描”技術(shù)在山區(qū)高速公路項目施工中的應(yīng)用對策

3.1 邊坡應(yīng)用

3.1.1 位移監(jiān)測

以土建一分部K5+975～K6+145 右側(cè)邊坡為例，本段路塹位于斜坡上，平時無地表水發(fā)育，雨季降水在山間溝谷內(nèi)匯集，向場地低洼處排泄。本路塹段位于構(gòu)造剝蝕低山地貌區(qū)緩坡地帶。地面高程632.8～543.6 m，相差89.2 m，地形起伏較大，局部坡度較陡。坡面上植被較發(fā)育，主要為灌木和喬木。不同時間段對邊坡地形進行三維激光掃描，生成原地形曲面點云，將點云導(dǎo)入掃描儀配套的SCENE 軟件中生成三維模型，通過Build IT Construction 分析軟件對點云數(shù)據(jù)進行分析，或?qū)隒ivil 3D 中，生成地形曲面模型，利用Civil 3D 建模，在地形模型上將設(shè)計邊坡的BIM 模型建立完成，進行比較，得出期間邊坡的位移和變形量[2]。

3.1.2 測量方量和坡率

對邊坡進行原地面掃描，再掃描開挖至一定程度的狀態(tài)，生成當(dāng)前開挖狀態(tài)的點云模型，與原地形曲面模型求差，得到目前開挖完成的土石方量，通過開挖最終狀態(tài)邊坡模型曲面與原地形曲面求差，可計算復(fù)核設(shè)計開挖土石方量，結(jié)合地質(zhì)分層模型，將實際的土石比代入求得實際開挖土石方量[3]。斷面法計算土方量的精度取決于斷面的密度以及斷面上測量點的密度，容易忽視2 個斷面間實際地形的起伏，與傳統(tǒng)的斷面法測土方相比，模型法拾取了地形表面的所有細節(jié)，大大提高了測算精度。

另外，在開挖過程中或開挖完成后，通過三維激光掃描儀建立的點云模型與BIM 設(shè)計模型進行整合，隨機設(shè)置坡率采樣線，可以求取邊坡任意位置的坡率值，同時能夠提取超挖、欠挖區(qū)域的坐標和高程數(shù)據(jù)，通過全站儀進行超挖、欠挖點放樣，告知施工隊伍按要求開挖至設(shè)計要求的開挖面，對邊坡開挖過程進行精確控制。

3.2 隧道應(yīng)用

3.2.1 超欠挖分析

在點云建模軟件Tunnel 中，通過對隧道開挖后進行一次斷面掃描后得到的點云數(shù)據(jù)，逆向重構(gòu)生成實際模型，可以直接三維預(yù)覽，將拼接好的點云逆向模型與按照施工圖紙搭建的標準化模型同坐標定位匹配，直接觀察理論與實際模型的偏差，同時，系統(tǒng)自動計算每個樁號的超欠挖數(shù)據(jù)，出具超欠挖分析結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 超欠挖分析結(jié)果

3.2.2 耗材方量分析

對隧道開挖后和二襯施作后各進行掃描一次，在點云建模軟件中將生成的2 個三維模型進行擬合，可計算出混凝土的消耗量。實施工點為沿印松高速公路項目李家寨隧道進口處隨機選取40 m 初支段落、涼風(fēng)坳隧道出口YK81+728～YK81+748 段初支侵限段落，以李家寨隧道為例，隧道全長4 552 m，最大埋深約647 m，隧道區(qū)海拔高程介于656～1 346 m，相對高差690 m，屬中低山丘陵地貌區(qū)。對進口已完成二襯段落進行掃描，形成了現(xiàn)場實際三維模型，與前期建立的BIM 標準化模型進行比對，逐個樁號進行分析，探究設(shè)計偏差。

3.3 橋梁應(yīng)用

3.3.1 預(yù)制T 梁檢測

運用三維激光掃描與BIM 技術(shù)融合，針對已施工完成或正在施工的預(yù)制T 梁，通過不同方位進行三維激光掃描，獲取點云數(shù)據(jù)；將采集的點云數(shù)據(jù)進行合成處理，形成預(yù)制T梁和鋼筋骨架實體構(gòu)件信息和圖像，并繪制平面圖、立面圖、剖面圖；與BIM 標準模型進行數(shù)模比對，分析偏差、平整度、傾斜度、體積計算、耗材分析等情況，替代常規(guī)的測量手段，達到精細化水平?，F(xiàn)場實施工點為土建10 標2 號預(yù)制梁廠。2號預(yù)制梁廠位于K105+240～K105+740 段路基，占地面積約為12 000 m2，其中30 m 臺座15 個，40 m 臺座10 個，20 m 臺座由40 m 臺座改建，負責(zé)本標段776 片預(yù)制T 梁，主線355 片（30 m T 梁225 片；40 m T 梁130 片），九江樞紐互通421 片（20 m T 梁165 片）。通過對T 梁結(jié)構(gòu)進行BIM 建模，利用Revit 結(jié)合Dynamo 提取出BIM 模型中T 梁幾何參數(shù)信息和建模過程中的參數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合三維掃描模型，獲取T 梁水平面投影梁長和空間三維實際梁長，對圖紙T 梁水平梁長進行審核。由于T 梁放置過程中受縱坡影響，故圖紙預(yù)制T 梁梁長較實際梁長短一些。因此，提取出的空間三維梁長更加貼合實際，為T 梁的預(yù)制提供更加準確的尺寸信息。

3.3.2 墩柱質(zhì)量控制

運用三維激光掃描與BIM 技術(shù)融合，針對已施工完成或正在施工的橋梁墩柱，通過不同方位進行三維激光掃描，獲取整體點云數(shù)據(jù)；將采集的點云數(shù)據(jù)進行合成處理，形成墩柱實體構(gòu)件信息和圖像，并繪制平面圖、立面圖、剖面圖；與設(shè)計文件進行數(shù)模比對，分析偏差、傾斜度、體積等，對超過設(shè)計允許范圍的及時進行整改和糾偏。

4 “BIM+三維激光掃描”技術(shù)的應(yīng)用效益

4.1 經(jīng)濟效益

預(yù)期成果對于解決目前公路工程建設(shè)中面臨的結(jié)構(gòu)物（如墩柱、T 梁）實體質(zhì)量管理、邊坡、隧道監(jiān)測時間較長等難題提供了理論基礎(chǔ)，對于解決目前公路工程建設(shè)中面臨的高邊坡監(jiān)測精度不足，隧道位移監(jiān)測不夠全面問題，將隧道、邊坡監(jiān)測由“點”到“面”進行轉(zhuǎn)變具有重要意義和實用價值，能夠提升隧道、邊坡監(jiān)測準確率，及時預(yù)知變化情況，確保有足夠時間去應(yīng)對突發(fā)情況，具有重要學(xué)術(shù)意義和實用價值，能提升經(jīng)濟效益，降低財產(chǎn)損失?？偟膩碚f，該技術(shù)的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢：（1）提高精細化管理的管控水平；（2）提高橋梁墩柱、預(yù)制T 梁質(zhì)量；（3）使邊坡監(jiān)測更加便捷、快速；（4）具有無接觸測量、監(jiān)測速度快、測量精度高、能夠測量常規(guī)測量手段無法測量的溶洞體積和形狀等優(yōu)點。與傳統(tǒng)物探測量相比，三維掃描技術(shù)極大地提高了工作效率及精確度。傳統(tǒng)手段不能快速、準確地反映出實體結(jié)構(gòu)的完整物理特性。三維激光掃描儀所獲得的數(shù)據(jù)更加具體、生動、形象，能夠真實反映出現(xiàn)場情況和待測物結(jié)構(gòu)，三維激光掃描儀具有的高速度掃描、高精度測繪、非接觸測量、安全性高、逼近原形等優(yōu)點，能夠使內(nèi)外業(yè)所需時間及現(xiàn)場測量人員至少減少50%，并且可以輕松反映出三維狀況，為后續(xù)設(shè)計、施工提供更專業(yè)、更方便、更高效的參考依據(jù)。

4.2 社會效益

“BIM+三維激光掃描”技術(shù)具有的社會效益包括以下方面：（1）提升項目管理水平，樹立企業(yè)形象?？梢源?zhèn)鹘y(tǒng)測量及驗收等方式，效率高、數(shù)據(jù)準，出具結(jié)果快，能夠達到機械化減人，新技術(shù)替人目的，以數(shù)字化手段創(chuàng)新管理模式，實現(xiàn)提能增效，樹立品牌。（2）測量手段先進，減少生命財產(chǎn)損失。在一些危險區(qū)域如復(fù)雜溶洞、不良地質(zhì)高邊坡、長大隧道等工點，采用三維激光掃描技術(shù)，一方面設(shè)備輕便，進場方便，可以提高安全系數(shù)；另一方面能夠減少作業(yè)人員數(shù)量，在一定程度上減少安全事故發(fā)生，減少人員傷亡的數(shù)量，保障人民生命和財產(chǎn)安全。

5 結(jié)語

目前，貴州省高速公路的建設(shè)進入了加密路網(wǎng)階段，在今后一段時間內(nèi)，國高和省高的建設(shè)將成為貴州公路建設(shè)的主戰(zhàn)場，隨著城鎮(zhèn)的發(fā)展與擴張，公路建設(shè)也將越來越緊鄰生產(chǎn)生活密集區(qū)域。本項目的研究成果可以推廣應(yīng)用到這些公路工程建設(shè)中，替代常規(guī)測量手段，提高精細化水平，減少浪費和返工，精確分析尺寸差異，提高驗收檢測準確性，提升經(jīng)濟效益。同時也為危險區(qū)域監(jiān)測提供了可供選擇的新方案，幫助規(guī)劃工作者做好防災(zāi)規(guī)劃工作，提高項目運行效益。