BIM+三維掃描技術(shù)在大型機場施工監(jiān)測中的應(yīng)用

陳奕才，蔡慶軍，蔡文浩，盧建文，崔喜瑩

(中國建筑第八工程局有限公司華南分公司，廣東 廣州 510700)

1 BIM+三維掃描技術(shù)國內(nèi)外應(yīng)用概況

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代中期，由激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展而來。利用激光測距原理，通過將激光投射到相應(yīng)物體，再接收反射的激光，從而快速復(fù)建出被測目標(biāo)的空間點云數(shù)據(jù)。目前，市面上三維激光掃描分為以下幾種：機載激光掃描系統(tǒng)，主要用于大地測繪等城市級別的測繪工作；地面式激光掃描系統(tǒng)，也是建筑業(yè)最常用的儀器，主要用于建筑物外部、主體結(jié)構(gòu)的復(fù)測工作；另外還有背包式及手持式激光掃描系統(tǒng)，分別應(yīng)用于規(guī)劃測繪及工業(yè)領(lǐng)域。相較而言，歐美發(fā)達(dá)國家在三維掃描技術(shù)上發(fā)展成熟，已形成一定規(guī)模，當(dāng)前較為成熟的三維激光掃描儀主要有Trimble TX8和GX200，Leica Scanstation，Optech Real Work。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在三維掃描技術(shù)上的研究應(yīng)用起步較晚，隨著國家大力推廣和采用工業(yè)4.0技術(shù)，激光三維掃描儀也遇到了制造業(yè)數(shù)字化水平提升的時代機遇。近年來，三維激光掃描在現(xiàn)場勘察、地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查、室內(nèi)三維環(huán)境重建、古建筑及文物復(fù)原等領(lǐng)域都有著積極的應(yīng)用效果，相信隨著我國高端制造領(lǐng)域水平的提升，三維激光掃描儀有良好的應(yīng)用前景。

2 工程概況

深圳機場衛(wèi)星廳及其配套工程位于深圳市寶安區(qū)，占地面積16.3萬m2，建筑面積約23.89萬m2。本項目致力打造好管、好看、好用的精品工程，工期緊張、承包范圍廣、節(jié)點復(fù)雜、質(zhì)量要求高、平面復(fù)雜等成為整個項目實施階段的重難點。特別是對弧形結(jié)構(gòu)行李機房系統(tǒng)、前期大方量土方測量、大跨屋蓋結(jié)構(gòu)變形及主體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量控制、施工過程管控尤為重要。

3 三維掃描技術(shù)的應(yīng)用

三維掃描技術(shù)在建設(shè)工程中的應(yīng)用原理為基于點云模型特性，在現(xiàn)場主體結(jié)構(gòu)完工后，運用三維掃描儀器分不同測站采集現(xiàn)場主體結(jié)構(gòu)點云，運用專業(yè)軟件進行點云處理，得到現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并通過與BIM模型集成、點云幾何數(shù)據(jù)計算等后期運用分析，得到有利于現(xiàn)場施工的數(shù)據(jù)模型或報告。

基于大型機場建設(shè)工程特點，針對行李系統(tǒng)布置、屋蓋鋼結(jié)構(gòu)變形、大體積土方量測量、主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制等方面展開BIM+三維掃描技術(shù)應(yīng)用。

3.1 基于三維掃描的結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)核

3.1.1技術(shù)應(yīng)用流程

基于三維掃描的結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)核流程如圖1所示。

圖1 基于三維掃描的結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)核流程

進行現(xiàn)場坐標(biāo)點標(biāo)靶定位，以便后期圓形點云及BIM模型偏差分析。根據(jù)現(xiàn)場情況多次采集測站點云數(shù)據(jù)，后臺利用Realworks合成并整理點云數(shù)據(jù)，刪除不必要的數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場標(biāo)靶點及模型坐標(biāo)，拼合BIM模型及點云模型。運用Realworks軟件進行結(jié)構(gòu)偏差分析，得出偏差報告、偏差圖等，并運用點云模型進行其他應(yīng)用。

3.1.2行李系統(tǒng)監(jiān)測分析

衛(wèi)星廳項目中央西地下1層為行李機房，為弧形仿清水混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)柱為圓形或橢圓形，采用傳統(tǒng)方法放樣測量難度大、誤差大；行李機房設(shè)備眾多，疊層布置機電管線穿插其中，使現(xiàn)場排布空間異常狹??；行李機房弧形結(jié)構(gòu)眾多，深化難度大，采用三維掃描技術(shù)輔助行李系統(tǒng)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)核，測站分布如圖2所示。

圖2 行李系統(tǒng)三維掃描測站分布

通過整體三維掃描地下室，避免GPS及傳統(tǒng)測量的累積誤差，真實還原地下室完工后的狀態(tài)，通過點云數(shù)據(jù)對比BIM模型，反向修改建筑結(jié)構(gòu)BIM模型，使建筑結(jié)構(gòu)模型與現(xiàn)場一致。調(diào)整機電模型，避免后期安裝拆改，將點云數(shù)據(jù)提供給行李系統(tǒng)單位，用以檢查模型與行李系統(tǒng)的碰撞問題，減少現(xiàn)場測量復(fù)核帶來的工作量，解決弧線軸線及圓柱現(xiàn)場定位難度大的問題，從而優(yōu)化管線綜合設(shè)計方案，通過平面圖、剖面圖、軸測圖提高深化設(shè)計精度，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3.1.3主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量復(fù)核

大型機場主體結(jié)構(gòu)面積大、范圍廣、過程實測實量難度大，本項目指廊局部區(qū)域有2層挑高，質(zhì)量部門實測實量無法檢測驗收挑高區(qū)域，傳統(tǒng)測量需搭設(shè)架體測量懸空柱及樓板，耗時久，且存在極大的安全隱患，為此項目通過三維掃描點云對比方式進行結(jié)構(gòu)驗收，避免安全隱患，高效完成實測實量工作。

通過整體掃描東北指廊，避免傳統(tǒng)測量手段累積誤差，真實還原東北指廊主體結(jié)構(gòu)完成后的效果，將Revit導(dǎo)出.dwg格式，導(dǎo)入Realworks軟件中，通過模型和點云對比，分析結(jié)構(gòu)水平和垂直位移，通過點云匹配比對分析獲取建筑物整體變形信息，得出結(jié)構(gòu)與模型變形量，輔助質(zhì)量部門進行結(jié)構(gòu)實測實量及驗收，主體結(jié)構(gòu)尺寸偏差分析如圖3所示。

圖3 主體結(jié)構(gòu)尺寸偏差分析

3.2 基于三維掃描的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋變形觀測

3.2.1鋼結(jié)構(gòu)屋蓋變形觀測流程(見圖4)

圖4 基于三維掃描的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋變形觀測流程

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，選取合適站點，對鋼結(jié)構(gòu)進行多角度掃描；集成處理掃描的站點點云，獲得新的鋼結(jié)構(gòu)點云模型；比對鋼結(jié)構(gòu)Tekla模型，分析鋼結(jié)構(gòu)屋蓋變形情況；根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)模型，運用逆向建模軟件進行逆向建模，形成實體模型；提交金屬屋面、玻璃幕墻的深化設(shè)計。

3.2.2鋼結(jié)構(gòu)屋面變形觀測

大型民用機場由于使用功能要求，往往采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋作為屋面結(jié)構(gòu)。大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工過程中的受力情況與成型后不同，需考慮結(jié)構(gòu)體系變化，卸載后鋼結(jié)構(gòu)屋蓋變形可能影響圍護結(jié)構(gòu)(金屬屋面、玻璃幕墻)的深化設(shè)計及現(xiàn)場施工。為不影響金屬屋面及玻璃幕墻施工，應(yīng)提供金屬屋面及玻璃幕墻準(zhǔn)確的深化設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋安裝完成并卸載后，對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進行三維掃描，獲取鋼結(jié)構(gòu)屋蓋現(xiàn)場點云數(shù)據(jù)。由于鋼結(jié)構(gòu)有防火要求，鋼結(jié)構(gòu)下方有大量防火網(wǎng)，應(yīng)利用特殊工具快速消除防火網(wǎng)，避免現(xiàn)場其他因素引起鋼結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)誤差，并對比鋼結(jié)構(gòu)Tekla模型，根據(jù)可視化鋼結(jié)構(gòu)卸載后的變形狀態(tài)，驗證其受力體系變化。

基于鋼結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)偏差，重新構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)BIM桿件模型，進行金屬屋面及玻璃幕墻深化設(shè)計，鋼結(jié)構(gòu)逆向建模如圖5所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)逆向建模

3.3 基于三維掃描的大體積土方量測量

3.3.1技術(shù)應(yīng)用流程

大體積土方量測量流程如圖6所示。現(xiàn)場選取合適的站點，對土堆多個角度進行掃描，利用Realworks合成并整理點云數(shù)據(jù)，刪除無效的點云數(shù)據(jù)后，選擇需測量的基準(zhǔn)面，通過軟件計算得到土方相對于基準(zhǔn)面的體積。

圖6 大體積土方量測量流程

3.3.2土方量測量

受場地限制，本項目土方共110萬m3，引進三維激光掃描技術(shù)精確計算土方，提高效率，通過合理安排運力，消除以往面大地廣測量取點的誤差。

通過現(xiàn)場掃描合成點云，選取點云完善的區(qū)域進行處理，選取基準(zhǔn)面，通過軟件進行計算，得到點云相對于基準(zhǔn)面的詳細(xì)數(shù)據(jù)，從而得到土方量數(shù)據(jù)，避免用傳統(tǒng)測量方法造成的網(wǎng)格統(tǒng)計誤差，相比于傳統(tǒng)測量速度更快、精度更高。

4 結(jié)語

1)通過應(yīng)用三維掃描技術(shù)，減少測量人員的復(fù)測工作量，極大地提高工作效率，將掃描后實體結(jié)構(gòu)真實反映在模型中，有利于快速對比分析，實現(xiàn)各單位高效決策，真正體現(xiàn)BIM技術(shù)的優(yōu)勢。

2)對于異形體建筑，BIM+三維掃描技術(shù)的優(yōu)勢已逐步體現(xiàn)，在結(jié)合多個軟件的交互應(yīng)用方面，可實時有效地分析是否滿足設(shè)計要求，更直觀高效地確定整體布局形式。目前存在的局限性是各軟件互通處理時間較久、文件較大。

3)實踐表明，三維激光掃描技術(shù)適用于大型航站樓復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜環(huán)境下大型工程的質(zhì)量精準(zhǔn)分析，對其他各專業(yè)有極大幫助，但存在互通性差的問題。