基于三維激光掃描技術(shù)的管道安裝偏差分析*

包 勝，葉 翔，楊 成，陳亮泓，方玄略

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058； 2.杭州錢塘智慧城投資開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310019； 3.藍(lán)城樂居建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310016)

0 引言

近年來，我國(guó)管線工程數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大。管線綜合施工需在有限空間內(nèi)完成暖通、給排水、電力、通信等專業(yè)系統(tǒng)的安裝，其碰撞沖突、返工修改問題突出，往往出現(xiàn)實(shí)際安裝管道與設(shè)計(jì)模型不一致的情況，增加了后續(xù)施工驗(yàn)收和管道檢修管理的難度。因此，有必要在竣工后對(duì)實(shí)際管道進(jìn)行偏差分析。傳統(tǒng)偏差分析手段大多依賴人工，往往耗時(shí)長(zhǎng)且精度不高，還存在人工檢測(cè)難以進(jìn)行的死角，使管道施工進(jìn)度受到限制。

三維激光掃描技術(shù)是通過掃描儀發(fā)射激光，獲取被測(cè)物體表面三維坐標(biāo)等多種空間信息的非接觸式主動(dòng)測(cè)量技術(shù)，能滿足較高的測(cè)量要求，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了一系列三維激光掃描的應(yīng)用研究。晏華平[1]研究了基于三維激光掃描技術(shù)的室內(nèi)管道工程模型重建方法，手動(dòng)重建了室內(nèi)場(chǎng)景及管道系統(tǒng)的三維模型；邵為真等[2]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到石化企業(yè)管道測(cè)量中，實(shí)現(xiàn)了基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的半自動(dòng)化管道模型重建；鄭金鋒等[3]設(shè)計(jì)了基于三維掃描技術(shù)的建筑施工質(zhì)量檢測(cè)方案，利用軟件對(duì)三維掃描數(shù)據(jù)與建筑設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì),實(shí)現(xiàn)了建筑施工質(zhì)量檢測(cè)；楊雪姣等[4]在特異性建筑施工檢測(cè)中引入三維掃描技術(shù)，對(duì)比三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型，分別提出了針對(duì)管道支架加工精度和復(fù)雜空間曲面混凝土的檢測(cè)方法。

綜上，目前國(guó)內(nèi)外已采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)管道三維模型重建與特異性建筑檢測(cè)等方面開展研究，但針對(duì)室內(nèi)管道工程的應(yīng)用研究較少[5-8]。本文將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于管道偏差分析中，利用三維激光掃描技術(shù)獲取管道點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過逆向建模再現(xiàn)真實(shí)施工模型，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行管道安裝偏差分析，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 工程概況

杭州市某學(xué)校項(xiàng)目總用地面積45 400m2，總建筑面積68 568m2，其中地上建筑面積43 358m2，地下建筑面積25 210m2。建設(shè)內(nèi)容主要包括教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、綜合樓、食堂、操場(chǎng)、地下車庫(kù)、田徑場(chǎng)和籃排球場(chǎng)等。以學(xué)校某泵房為例開展分析，面積約140m2，凈高6m，泵房?jī)舾咻^大，室內(nèi)管道包含消防管道、噴淋管道、給水管道，且擁有大量大型設(shè)備。管道安裝內(nèi)容多、施工復(fù)雜、工藝要求高，對(duì)管道安裝工程的偏差控制提出了較高要求。泵房實(shí)景如圖1所示。

圖1 地下泵房實(shí)景

2 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)采集處理流程

根據(jù)泵房項(xiàng)目特點(diǎn)與偏差分析需求，設(shè)計(jì)了基于三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集處理流程，包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理與逆向建模。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

使用Trimble TX6地面式三維激光掃描儀進(jìn)行分站掃描，掃描速度為500 000點(diǎn)/s，測(cè)距為0.6～120m，測(cè)距誤差<2mm。為保證掃描質(zhì)量，掃描前需仔細(xì)踏勘現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)確保各站點(diǎn)掃描范圍拼接后無被遮擋區(qū)域[9]。不同測(cè)站點(diǎn)云彼此獨(dú)立，其拼接還需提前布設(shè)標(biāo)靶。本項(xiàng)目泵房實(shí)際掃描時(shí)選用平面黑白標(biāo)靶，共布置5個(gè)測(cè)站(三角形標(biāo)志)與6個(gè)標(biāo)靶(大寫英文字母)，得到了滿足后續(xù)數(shù)據(jù)處理要求的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。測(cè)站與標(biāo)靶布置如圖2所示。

圖2 測(cè)站及標(biāo)靶布置

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

分站掃描后得到的點(diǎn)云信息零碎，為得到完整信息，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括點(diǎn)云拼接、分割和降噪[10-11]。

將掃描儀數(shù)據(jù)的TZF文件導(dǎo)入配套處理軟件trimble realworks中進(jìn)行處理。首先需拼接點(diǎn)云，采用自提標(biāo)靶配準(zhǔn)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，進(jìn)入目標(biāo)分析器后，在圖像中提取標(biāo)靶形狀并編號(hào)，隨后點(diǎn)擊“匹配”，軟件便自動(dòng)根據(jù)標(biāo)靶完成拼接。通過配準(zhǔn)報(bào)告可知，各測(cè)站點(diǎn)云間誤差基本在1mm左右，整體誤差為1.08mm，在可接受范圍內(nèi)，可信度較高。

拼接完畢后，使用分割工具可分割出特定區(qū)域點(diǎn)云。對(duì)于管道點(diǎn)云模型，將室內(nèi)設(shè)備、管道點(diǎn)云分層分區(qū)處理可減少軟件窗口內(nèi)管道復(fù)雜程度與重合度，排除其他區(qū)塊干擾，為后續(xù)建模與具體應(yīng)用提供便利。本案例中，整體管道被分割為上、下層共4部分，有效減少了密集管道的相互干擾，并使后續(xù)逆向建模的模型質(zhì)量明顯提高。

通過外業(yè)掃描采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)含有大量雜點(diǎn)，需進(jìn)行降噪處理，減少數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差和冗余，使用Warp軟件進(jìn)行點(diǎn)云降噪。Warp軟件可選出主體點(diǎn)云和離群噪點(diǎn)進(jìn)行刪除，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云去噪。但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，Warp軟件的降噪效果并不理想。Warp軟件對(duì)于少數(shù)距離主體點(diǎn)云較遠(yuǎn)的分散噪點(diǎn)和團(tuán)簇狀噪點(diǎn)的去除效果明顯，但無法消除大量與主體管線連接的離散點(diǎn)，需進(jìn)行人工去除，效果如圖3所示。由于軟件算法本身的局限性，已有降噪功能無法消除與主體點(diǎn)云連接的成群離散點(diǎn)，需對(duì)軟件算法進(jìn)行改進(jìn)或通過人工操作進(jìn)行消除[12]。

圖3 點(diǎn)云降噪效果

2.4 逆向建模

針對(duì)管道模型特點(diǎn)，嘗試使用trimble realworks和FARO as-built兩種方法進(jìn)行半自動(dòng)化模型建立。trimble realworks內(nèi)置的自動(dòng)管道組件可通過手動(dòng)選取管道部分點(diǎn)云，隨后自動(dòng)擬合形成小圓柱體(見圖4a)，再進(jìn)行自動(dòng)追蹤，持續(xù)形成與之相連的整根管道模型(見圖4b)。重復(fù)操作后，即可形成完整管道模型。自動(dòng)管道組件可按路徑連續(xù)識(shí)別管道，效率較高，但只能形成簡(jiǎn)單幾何體，不能直接得到BIM模型，因此在本案例中并不適用。

圖4 trimble自動(dòng)管道工具建模過程

嘗試使用FARO as-built進(jìn)行逆向建模。FARO as-built是FARO公司基于Revit研發(fā)的擬合模型插件。使用時(shí)先將點(diǎn)云導(dǎo)入Revit，選取管道兩點(diǎn)，軟件將自動(dòng)擬合兩點(diǎn)間管道，生成BIM管道模型。雖然該方法手動(dòng)工作量大，且事先需準(zhǔn)備相應(yīng)的構(gòu)件庫(kù)，但可直接生成BIM模型，且精度更高。因此，本案例在實(shí)際建模中采用FARO as-built插件配合人工校正的方法，半自動(dòng)化建立了管道實(shí)際施工模型，如圖5所示。

圖5 管道實(shí)際施工模型

3 偏差分析應(yīng)用

3.1 室內(nèi)結(jié)構(gòu)偏差分析

1)墻體偏差 將現(xiàn)場(chǎng)墻面點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型的墻體內(nèi)表面進(jìn)行三維檢測(cè)，色譜偏差結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，僅有部分區(qū)域明顯有偏差，其余部分基本與設(shè)計(jì)模型相同。對(duì)比點(diǎn)云和設(shè)計(jì)模型發(fā)現(xiàn)，該處配電箱安裝與設(shè)計(jì)不符，但此處在設(shè)計(jì)中無管線經(jīng)過，且前方空間充足，因此不影響管道施工。

圖6 墻體內(nèi)表面三維檢測(cè)

2)樓板下凈空 使用trimble realworks測(cè)量工具在現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云中多次均勻選點(diǎn)檢測(cè)凈空，得到撓度值為5mm。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》, 允許撓度值按4 000/250=16mm計(jì)算，凈高偏差在允許范圍內(nèi)。

3)梁下凈空 在現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云中對(duì)梁各分段進(jìn)行測(cè)量，得到各梁最低點(diǎn)下方凈空數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 各梁最低點(diǎn)下方凈空統(tǒng)計(jì) mm

由表1可知，最大偏差為24mm，根據(jù)規(guī)范, 允許撓度值為7 000/250=28mm，凈空偏差在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

最后在Navisworks中進(jìn)行碰撞檢驗(yàn)，查看現(xiàn)場(chǎng)樓板及梁施工偏差是否會(huì)影響管道施工，部分檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，少數(shù)管道布置不滿足現(xiàn)場(chǎng)情況，需對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，降低部分管道高度，避免與梁產(chǎn)生碰撞。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)梁與設(shè)計(jì)管道碰撞檢測(cè)

3.2 支架偏差分析

支架安裝先于管道安裝，因此，在室內(nèi)結(jié)構(gòu)檢測(cè)后還需分析支架偏差情況。在支架施工中，也可進(jìn)行多次支架偏差分析，根據(jù)偏差結(jié)果調(diào)整支架設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而減小支架偏差。

支架偏差分析首先需進(jìn)行外業(yè)掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而后分離出支架部分，并導(dǎo)入支架設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比。部分對(duì)比如圖8所示(大寫英文字母標(biāo)記的是設(shè)計(jì)模型，小寫英文字母為實(shí)際支架位置)。由圖8可知，部分支架的設(shè)計(jì)與施工存在明顯差異。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)支架與設(shè)計(jì)支架對(duì)比(部分)

為查看已施工支架是否影響管道后續(xù)施工，需將現(xiàn)場(chǎng)支架與管道BIM模型導(dǎo)入Navisworks中進(jìn)行碰撞檢測(cè)。檢測(cè)前需將支架點(diǎn)云逆向建模。本案例嘗試了Warp點(diǎn)云封裝與trimble最佳擬合兩種方法，最后選用后者對(duì)支架進(jìn)行逆向建模。將建好的現(xiàn)場(chǎng)支架模型在Revit中定位后，與管道模型一同導(dǎo)入Navisworks中進(jìn)行碰撞檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。結(jié)果顯示有部分管道設(shè)計(jì)模型與已施工支架產(chǎn)生碰撞，說明現(xiàn)場(chǎng)支架實(shí)際施工與設(shè)計(jì)存在偏差，管道無法按原設(shè)計(jì)布置，可能需返工調(diào)整支架位置或修改管道設(shè)計(jì)。

圖9 支架與管道碰撞檢測(cè)

除檢測(cè)支架設(shè)計(jì)與施工的偏差情況，現(xiàn)場(chǎng)支架相對(duì)位置也需檢查。使用軟件內(nèi)置的測(cè)量工具可得到支架關(guān)鍵點(diǎn)間的坐標(biāo)信息，如圖10所示。圖10顯示間距2 130mm的支架，高度差約為2mm，參照相關(guān)規(guī)范，支架間距與相對(duì)高度差均符合要求。

圖10 支架相對(duì)位置測(cè)量

3.3 管道偏差分析

3.3.1安裝尺寸

泵房?jī)?nèi)管道布置密集，需對(duì)已施工管道與未施工管道進(jìn)行碰撞檢測(cè)，分析管道偏差情況。此外，管道偏差分析可跟隨施工進(jìn)展多次實(shí)施，得到不同進(jìn)度下的管道偏差結(jié)果，及時(shí)改進(jìn)管道施工方案，減小后續(xù)管道偏差。

從現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云中得到管道施工模型后，使用該模型替換對(duì)應(yīng)的管道設(shè)計(jì)模型，并合并現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與其余管道，導(dǎo)入Navisworks中進(jìn)行碰撞檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。檢測(cè)結(jié)果表明，有部分設(shè)計(jì)立管與已施工的水平管存在碰撞，需在后續(xù)施工時(shí)縮短立管長(zhǎng)度以避免碰撞。其余大部分現(xiàn)場(chǎng)已施工管道不影響后續(xù)管道施工，且并未占用其余設(shè)備空間，后續(xù)設(shè)備可正常進(jìn)場(chǎng)安裝。

圖11 已施工管道與未施工管道碰撞檢測(cè)

此外，室內(nèi)管道縱、橫方向彎曲度、立管垂直度、標(biāo)高等幾何偏差也需進(jìn)行相應(yīng)檢測(cè)。以管道橫向彎曲度為例[13]，利用軟件內(nèi)置的測(cè)量工具可測(cè)得管道橫向彎曲距離(見圖12中y坐標(biāo))，隨后可求出管道橫向彎曲度，如圖12所示，該管道橫向彎曲距離約為8mm。經(jīng)檢測(cè)，管道相應(yīng)幾何偏差指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

圖12 管道橫向彎曲度測(cè)量

3.3.2安裝進(jìn)度

除檢測(cè)各類構(gòu)件偏差外，掃描成果也可檢測(cè)管道安裝進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度偏差情況[14-15]。室內(nèi)管道安裝受制于不同專業(yè)間溝通、協(xié)調(diào)的不統(tǒng)一，往往實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃偏差較大，進(jìn)度檢測(cè)困難。而利用三維激光掃描技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析施工進(jìn)度，將成為降低成本、提高效率的有效措施。

施工進(jìn)度跟蹤需實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度信息并對(duì)比工程進(jìn)度計(jì)劃，主要流程為：在某部分管道段施工前后分別進(jìn)行掃描，并將兩次點(diǎn)云成果進(jìn)行三維檢測(cè)。檢測(cè)中已有管道基本重合，而新施工管道將被檢測(cè)為偏差部分，同時(shí)高亮表示，如圖13所示。然后去除重合管道，得到新施工部分管道點(diǎn)云。最后比較施工進(jìn)度計(jì)劃與實(shí)際施工管道點(diǎn)云，得到實(shí)際管道進(jìn)度與計(jì)劃的偏差，以此實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)度跟蹤?；趻呙杞Y(jié)果的施工進(jìn)度跟蹤能幫助管理者獲取項(xiàng)目真實(shí)進(jìn)展，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道進(jìn)度偏差。

圖13 三維檢測(cè)管道施工進(jìn)度

4 結(jié)語

1)在管道數(shù)據(jù)采集方面，對(duì)泵房管道進(jìn)行了全面掃描與處理，得到了完整的泵房管道點(diǎn)云模型。與傳統(tǒng)采集手段相比，三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集精度更高、速度更快、信息更全面，在管道等復(fù)雜場(chǎng)景的數(shù)據(jù)采集方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2)在管道逆向建模方面，利用點(diǎn)云處理軟件結(jié)合人工操作逆向重建了泵房管道部分BIM模型，實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化逆向建模。與傳統(tǒng)人工重建模型相比，半自動(dòng)方法的效率有所提升，但人為操作量仍較大，距離真正的點(diǎn)云自動(dòng)化建模還有差距。

3)在管道偏差分析應(yīng)用過程中，通過對(duì)比設(shè)計(jì)模型與管道現(xiàn)場(chǎng)施工模型，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件、管道支架和管道施工情況進(jìn)行了偏差分析，梳理了偏差分析具體操作流程，為實(shí)際管道安裝工程的施工質(zhì)量評(píng)估提供了數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也可為運(yùn)營(yíng)階段的管道檢修管理提供數(shù)據(jù)保障。