船閘擴建項目三維掃描及BIM技術(shù)的融合應(yīng)用

邵成志

(華建數(shù)創(chuàng)(上海)科技有限公司，上海 200070)

1 背景

隨著我國經(jīng)濟社會向環(huán)境友好、資源節(jié)約轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略的實施，內(nèi)河水運節(jié)能、經(jīng)濟的優(yōu)勢逐漸增現(xiàn)，全社會對水運需求日益增長，因此需著力完成高等級航道的貫通、解決樞紐通航建筑物的礙航問題，而其中針對老船閘改造工程的新老船閘銜接更是主要技術(shù)難題。

我國許多天然河流水運主通道，在過去幾十年中，部分已建的航電樞紐在水電梯級開發(fā)的同時兼顧水運發(fā)展不夠，其中大多數(shù)具有通用航道建筑規(guī)模小、等級低等情況，同時部分的渠化梯級之間有著航深不夠、通航水位不銜接等現(xiàn)象，特別是在枯水期，受發(fā)電調(diào)度等各種原因影響，上下樞紐末端的水位無法完全連接，導致航行障礙和中斷等情況[1]。

老船閘由于建造年代長，所以需要對其進行修鑿改造，而大面積高密度的立面測量則有較大的難度，并且相關(guān)的圖紙和測量資料相對不足，利用三維激光掃描與BIM技術(shù)則可有效解決。其能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍快速的表面勘測，并進行逆向BIM建模，測量和還原老船閘內(nèi)表面三維幾何形體、留存歷史影像，為船閘銜接生成可靠數(shù)據(jù)[2]。

本文依托富春江船閘擴建改造工程，結(jié)合激光掃描與BIM技術(shù)，探討分析老船閘修鑿前后數(shù)據(jù)對比，統(tǒng)計改造前后工程量大小，為老船閘施工方案模擬提供模型基礎(chǔ)，能夠直觀地對改造方案的有效性進行比較，不僅節(jié)省人力測量時間和成本，而且還能為項目管理提供可追溯的基礎(chǔ)信息資料。

2 項目概況

富春江閘擴建改造工程，是在原有船閘的下游重新建造的一座四級標準船閘，位于錢塘江中下游，距杭州市下游約110 km，在桐廬縣富春江水電站樞紐的右岸?？紤]到錢塘江航運的長期發(fā)展戰(zhàn)略，船閘的設(shè)計不僅保留了原有的船閘，還考慮到了1 000 t級船舶的要求，并且積極響應(yīng)國家號召，打造順暢、高效、安全、綠色的現(xiàn)代化內(nèi)河水體。新船閘的上船閘頭與原船閘的下船閘頭首尾相連，新船閘左結(jié)構(gòu)外緣與舊船閘齊平，以減少對溢洪道泄洪的影響[3]。船閘右側(cè)墻后水域回填后作為船閘現(xiàn)場管理區(qū)。

新建船閘的總長為364 m，其中閘室長度為300 m，上閘首長度30 m，下閘首長度34 m；閘室的總寬度為23.2 m，下閘首口門寬度23.0 m，上閘首口門寬度為14.4 m。船閘左側(cè)為樞紐的泄洪閘，因此閘室只能采用不對稱寬腹型，即向右側(cè)加寬8.6 m。上閘首與上游引航渠道相通，道閘室壁頂高程25.0 m，道閘室壁胸頂高程為26.2 m。富春江船閘最大水位落差20.21 m，整個船閘結(jié)構(gòu)高度32.8 m，是目前浙江省水域范圍內(nèi)水位高差最大、建設(shè)規(guī)模最大的船閘工程[4-5]。

3 老船閘激光掃描方案

為了保證測量和檢測的準確性，現(xiàn)場使用了先進的測量設(shè)備，從設(shè)備和設(shè)備配置上保證了測量和測試工作的質(zhì)量。測量儀器和設(shè)備的詳細參數(shù)如表1，表2所示。

表1 測量儀器設(shè)備

表2 FARO三維激光掃描儀參數(shù)情況

3.1 現(xiàn)場測量方案

科學設(shè)置掃描位置，對于提高三維測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量、測量精度及充分反映場景細節(jié)具有非常重要的意義。由于老船閘總長較長，約為130 m，現(xiàn)場擺放施工器械較多，必須多角度架設(shè)測量站才能全方位獲取完整數(shù)據(jù)。

在設(shè)置被測目標多站掃描時，為了提高后期操作的效率及數(shù)據(jù)拼接的準確性，在兩個相鄰站之間部署至少2個公共參考球作為定向目標，其坐標將被統(tǒng)計到項目的統(tǒng)一參考坐標框架內(nèi)。除了參考球之外，還需要將控制點和特征點放置在周圍結(jié)構(gòu)清晰可見的位置。

3.2 現(xiàn)場點云采集

老船閘激光數(shù)據(jù)采集分兩階段進行：

1)原始內(nèi)壁結(jié)構(gòu)面采集。在施工開始前，現(xiàn)場實測舊船閘的閘室內(nèi)壁的原始磨損表面數(shù)據(jù)，保存原始記錄，并為后續(xù)施工提供數(shù)據(jù)支持。

2)鑿除后內(nèi)壁表面數(shù)據(jù)采集。在船閘磨損面鑿除工作完成，結(jié)構(gòu)補強未開始澆筑前，現(xiàn)場采集鑿毛面點云數(shù)據(jù),并對新船閘的主體和下游引航通道也進行了點云數(shù)據(jù)三維掃描，記錄和分析鑿除完成面的詳細情況。

3.3 內(nèi)業(yè)點云數(shù)據(jù)處理

3.3.1 數(shù)據(jù)拼接

由于被測物體形狀復雜、面積大，需要將不同站點多次掃描得到的點云數(shù)據(jù)進行拼接，統(tǒng)計在同一坐標系下，根據(jù)預(yù)先安排的掃描參考球和控制點進行匹配，在后續(xù)處理軟件場景中手動配準，從而獲得閘壁的完整點云數(shù)據(jù)。

3.3.2 數(shù)據(jù)刪選

在三維數(shù)據(jù)中，如周邊雜物，工程施工人員等大量其他數(shù)據(jù)也被3D激光掃描儀采集，在經(jīng)過多站數(shù)據(jù)的拼接后，大概率會存在大量的冗余數(shù)據(jù)。這些無效的數(shù)據(jù)會加大計算內(nèi)存，從而降低數(shù)據(jù)處理效率，因此在不損失數(shù)據(jù)準確性的情況下，需要對數(shù)據(jù)進行過濾，并對原始觀測值進行粗差剔除。數(shù)據(jù)匹配后，在處理過程中進行冗余處理并刪除附件，可以減少數(shù)據(jù)存儲并提高數(shù)據(jù)處理速度[6]。

3.3.3 去噪處理

掃描測量的過程中會產(chǎn)生一些測量誤差，主要是受被測物體表面質(zhì)量的粗糙度、測量儀器的自身精度、周圍作業(yè)環(huán)境、操作人員的工作經(jīng)驗等多種因素的影響，從而在數(shù)據(jù)中形成噪聲點，這將會給后期的數(shù)據(jù)處理帶來偏差， 所以必須對這些噪聲點篩選剃除。去噪后，每個站點掃描的3D點云數(shù)量可以在200萬～600萬點之間，這樣的數(shù)量區(qū)間既可以滿足被測目標的特征表達，又不會因為數(shù)據(jù)體量過大而造成后續(xù)分析處理的冗余。經(jīng)過一系列的技術(shù)處理，即可以得到數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較高的點云(見圖1)。

4 三維掃描與BIM技術(shù)集成分析在舊船閘中的應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)分析方案

4.1.1 不同點云數(shù)據(jù)之間對比分析的實施困難

若對整個船閘的鑿除偏差進行分析，需要將鑿除前后的點云數(shù)據(jù)進行比對，雖然點云數(shù)據(jù)可以通過點云處理軟件重構(gòu)目標，還可以在Revit中生成二維或三維視圖，但是這樣生成的點云模型只是一個個三角網(wǎng)格組成的復雜曲面的封閉集合體，并不是真正的實體模型，因此點云之間無法進行對比。

通過使用諸如Qualify(是一種反向檢測軟件，可以快速檢測產(chǎn)品計算機模型與制造零件之間的差異，并以直觀的圖形比較顯示兩者之間的差異)之類的點云處理軟件，點云可以被處理為點云面型模型。但是生成的點云面型模型沒有厚度，不是空間實體，一樣無法直接、直觀地進行偏差對比[7]。所以此方案無法推行。

4.1.2 解決方案——與BIM技術(shù)的融合應(yīng)用

在進行偏差對比時本文的論證方案是依據(jù)設(shè)計圖紙建立一個BIM模型，通過這個模型提前模擬鑿除后的船閘實況。先將鑿除前掃描的點云與設(shè)計鑿除后的BIM模型對比，以提前演示船閘鑿除情況，估算鑿除船閘的體積，避免施工時出現(xiàn)較大的偏差。鑿毛工作完成后，再次進行激光掃描，將鑿毛船閘掃描的點云與設(shè)計模型進行對比，驗證偏差結(jié)果，從而控制施工進度、監(jiān)督船閘工程的施工質(zhì)量[8-9]。

4.2 鑿除前點云與設(shè)計鑿除后模型數(shù)據(jù)對比

通過Revit，將設(shè)計的鑿除后老船閘的情況，預(yù)先以三維形式展現(xiàn)出來，從而形成鑿除后老船閘的BIM模型(見圖2，圖3)。同時，將鑿除前老船閘的點云數(shù)據(jù)與設(shè)計鑿除后老船閘的BIM模型進行比對，預(yù)先估算待鑿船閘的體積，從而避免了施工偏差帶來的時間和資金浪費等問題。

在整個船閘三維掃描過程中，偏差分析和對比表明，鑿除偏差約為415 mm，最大鑿除值為2 m。其中補充縫隙的平均值約在350 mm，在鑿除前的船閘右岸掃描的點云中可以看出，自上閘首往下顏色大致呈遞進加深的趨勢，在鑿除前左岸的船閘激光掃描中，大致呈均勻分布(其中間隔均勻的略深色條形狀區(qū)域?qū)儆诟蓴_因素)。

4.3 鑿除后船閘掃描點云與設(shè)計模型對比

在鑿除工作完成后，對船閘再次進行激光掃描，此時生成的點云數(shù)據(jù)也同樣是經(jīng)過處理后的點云成果(見圖4)，將其再次與設(shè)計鑿除后的老船閘BIM模型進行比對，觀察船閘鑿除的情況，計算偏差數(shù)據(jù)是否合理，以此保證工程的施工質(zhì)量，實現(xiàn)對工程的質(zhì)量管控和監(jiān)督。

在鑿除后的船閘激光掃描圖像中，顯示船閘的光譜整體大致呈均勻平整分布，表示鑿除體積較平均，整體標準偏差約為19 mm，合格率達到92%。而其中空缺及嘈雜部分是施工時的腳手架所在位置，因此在施工完成后需要注意施工現(xiàn)場的清理。

4.4 鑿除前點云與鑿除后點云對比

如果對整個船閘的鑿除偏差結(jié)果進行分析，則需要對鑿削前后的點云數(shù)據(jù)進行比較，并由點云原始數(shù)據(jù)處理軟件對三維掃描數(shù)據(jù)進行處理、拼接、篩選成點云模型后，導入到數(shù)據(jù)分析軟件。在點云偏差對比時，用不同深度的顏色分別對閘門室壁內(nèi)對應(yīng)部分的偏差程度進行表示，方便數(shù)據(jù)偏差表的處理分析，并用Revit模型和CAD圖紙對軟件分析的數(shù)據(jù)結(jié)果進行二次校核。

4.4.1 左岸閘室內(nèi)壁偏差圖分析數(shù)據(jù)

第一階段與第二階段兩次掃描對比，深色部分表示第二階段掃描數(shù)據(jù)比第一階段數(shù)據(jù)向左偏移，即向左側(cè)鑿除程度。其中上半部分顏色較深，表示鑿除較多，下半部顏色較淺，表示鑿除較少(見圖5)。

原始偏差最大值：6.491 m/-6.499 m;

過濾有效數(shù)據(jù)，平均偏差:0.197 m/-0.302 m;

平均偏差(即實際鑿除)：0.285 m;

有效鑿除體積：V左=673.313 m3。

4.4.2 右岸閘室內(nèi)壁偏差圖分析數(shù)據(jù)

第一階段與第二階段兩次掃描對比，深色部分表示第二階段掃描數(shù)據(jù)比第一階段數(shù)據(jù)向右偏移，即向右側(cè)鑿除程度。其中上半部分顏色較深，表示鑿除較多，下半部分顏色較淺，表示鑿除較少(見圖6)。

原始偏差最大值:4.370 m/-4.462 m;

過濾有效數(shù)據(jù)，平均偏差:0.545 m/-0.262 m;

平均偏差(即實際鑿除)：0.546 m;

有效鑿除體積：V右=1 289.925 m3；

老船閘室內(nèi)壁鑿除的總體積:V=V左+V右=1 963.238 m3。

5 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)，可以大大提高工程測量分析效率，并且包含信息豐富，其獨特的非接觸測量方式，更有利于保護被測物體，與BIM技術(shù)的融合應(yīng)用更是彌補了點云數(shù)據(jù)處理的單一等難題，提高了數(shù)據(jù)分析的可能性和準確性。

富春江船閘擴能改造工程的實踐表明，三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)的集成應(yīng)用打破了傳統(tǒng)技術(shù)壁壘，打通了兩種技術(shù)的自身限制，能夠互相結(jié)合各自領(lǐng)域的優(yōu)勢，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)模型的對比分析，并且時間簡短、操作方便快捷，相信兩種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用可以擴展出更多的數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域。

在本文中通過數(shù)據(jù)的對比分析，可以準確掌握舊船閘的修復和鑿除情況。提高老舊船閘修復的精度和預(yù)先判斷、選取正確的施工手段，同時可以縮短修復工期，為施工質(zhì)量和進度情況預(yù)警提供依據(jù)。但介入時間的選擇難度較大，需要施工單位配合清場。建議主要應(yīng)用在進場前的場地地表測繪，有利于規(guī)劃施工道路，土石方測算等，也可在竣工部位開展竣工表面測量，以便保留竣工成果。