三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)在騎樓老街改造中的協(xié)同應(yīng)用

摘 要：在騎樓老街改造中，三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，為項目提供了高效、精確的解決方案。三維激光掃描技術(shù)通過快速采集和處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，生成高精度的點云模型，輔助BIM技術(shù)建立詳細(xì)的數(shù)字化模型，可實現(xiàn)精確的現(xiàn)狀分析與評估。在設(shè)計階段，BIM技術(shù)通過參數(shù)化設(shè)計和協(xié)同管理優(yōu)化設(shè)計流程，減少錯誤和沖突。施工階段結(jié)合實時數(shù)據(jù)更新與施工模擬優(yōu)化，能夠提高施工效率與質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；BIM技術(shù)；騎樓老街改造；協(xié)同應(yīng)用

中圖分類號：TU984.113 " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2024）12-0105-03

0 引言

騎樓老街作為城市歷史文化的重要組成部分，其改造工程需要高效、精準(zhǔn)的技術(shù)支持。傳統(tǒng)方法無法滿足復(fù)雜環(huán)境和精細(xì)化管理的需求，三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)的結(jié)合，提供了一種創(chuàng)新的解決方案。通過三維激光掃描技術(shù)，可以快速、全面地獲取現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，BIM技術(shù)則在設(shè)計和施工階段提供了強(qiáng)大的協(xié)同管理平臺。

1 基本概述

1.1 三維激光掃描技術(shù)的原理和特點

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的非接觸式測量技術(shù)，利用激光束對目標(biāo)物體表面進(jìn)行掃描，通過測量激光束的反射或回波時間，計算物體表面各點的空間坐標(biāo)，從而獲取目標(biāo)物體的三維形狀數(shù)據(jù)。其工作原理基于激光束的發(fā)射、反射和接收，通過激光掃描儀快速且精確地獲取大量離散點數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了稱為點云的三維空間數(shù)據(jù)集[1]。

三維激光掃描技術(shù)具有高精度、高效率和非接觸性等特點，它能夠以極高的精度獲取目標(biāo)物體表面的幾何形狀信息，通?？梢赃_(dá)到毫米甚至亞毫米級別的精度。激光掃描能夠在較短時間內(nèi)，完成對大范圍或復(fù)雜形狀物體的數(shù)據(jù)采集，比傳統(tǒng)的測量方法節(jié)省時間和人力資源。激光掃描技術(shù)無需直接接觸目標(biāo)物體，避免對物體表面造成損壞或干擾的風(fēng)險。

1.2 BIM技術(shù)的概念和優(yōu)勢

建筑信息模型是一種集成信息的數(shù)字化表示方式，涵蓋了建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備等方面的幾何形狀、空間關(guān)系、屬性信息和工程數(shù)據(jù)。BIM技術(shù)不僅僅是三維建模工具，更是整合和協(xié)調(diào)建筑設(shè)計、施工和運營過程中信息的平臺。核心在于建立一個共享的虛擬建筑模型，通過不同專業(yè)的信息集成和交流，實現(xiàn)對建筑生命周期各階段的管理和優(yōu)化。

BIM技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在多個方面，具體包括：①借助BIM模型，設(shè)計團(tuán)隊可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，實時檢查和修正設(shè)計沖突，減少在施工階段的改動和成本。②不同專業(yè)的設(shè)計信息，可以在同一平臺上交互和整合，確保設(shè)計的各個方面相互匹配和協(xié)調(diào)。③施工團(tuán)隊可以利用BIM模型進(jìn)行進(jìn)度管理、資源調(diào)度和沖突檢測，預(yù)先解決施工中可能遇到的問題，提高施工效率并降低成本。

2 三維激光掃描技術(shù)與BIM 技術(shù)在騎樓老街改造中的應(yīng)用

2.1 三維激光掃描技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1.1 數(shù)據(jù)采集與處理

三維激光掃描技術(shù)的第一步是數(shù)據(jù)采集，在這個過程中，激光掃描儀器通過發(fā)射激光束，并記錄激光束反射回來的時間和位置信息，這些信息被轉(zhuǎn)換為大量的離散點數(shù)據(jù)，即點云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集可以非?？焖俚赝瓿?，能夠覆蓋大范圍，并且高精度地獲取目標(biāo)物體表面的形狀和結(jié)構(gòu)信息。

采集到的點云數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行后續(xù)的處理，包括數(shù)據(jù)的清洗、配準(zhǔn)（將多個掃描位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配）、去噪（消除不必要的雜點），以及數(shù)據(jù)的統(tǒng)一坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等。數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)，是保證點云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，為后續(xù)點云模型的構(gòu)建提供可靠基礎(chǔ)。

2.1.2 點云模型的構(gòu)建

點云模型是基于采集到的大量點云數(shù)據(jù)構(gòu)建而成的三維模型。利用點云數(shù)據(jù)，可以重建目標(biāo)物體或場景的幾何形狀、表面特征以及細(xì)節(jié)信息。

點云模型的構(gòu)建是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到后續(xù)應(yīng)用的效果和精度。通常包括以下步驟：①點云的擬合和重建。利用數(shù)學(xué)算法和計算幾何學(xué)方法，將離散的點云數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為連續(xù)的曲面或多邊形網(wǎng)格。②數(shù)據(jù)分析和特征提取。從點云中提取出關(guān)鍵特征，比如建筑物的墻面、屋頂、窗戶等，或者地形的地貌特征，以便進(jìn)一步的分析和應(yīng)用。③對點云模型進(jìn)行優(yōu)化，填補(bǔ)存在的空洞，或者修復(fù)因采集誤差導(dǎo)致的缺陷，從而保證模型的完整性和準(zhǔn)確性[2]。

2.1.3 現(xiàn)狀分析與評估

通過采集到的高精度點云數(shù)據(jù)和構(gòu)建的點云模型，三維激光掃描技術(shù)可以進(jìn)行對目標(biāo)物體或場景的現(xiàn)狀分析和評估工作，從而在工程項目的規(guī)劃與設(shè)計階段提供重要依據(jù)，并且在日常維護(hù)管理中起到監(jiān)測和預(yù)警的作用，提升工程和文物保護(hù)的效率和水平。

具體包括：①結(jié)構(gòu)安全評估。對建筑物或其他工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性評估，通過比對點云模型與設(shè)計文件的差異或者變形情況，識別潛在的結(jié)構(gòu)問題和風(fēng)險。②文物保護(hù)和修復(fù)評估。通過點云數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，能夠準(zhǔn)確捕捉文物表面的損傷和變化，從而制定有效的修復(fù)方案。③環(huán)境影響評估。用于分析自然環(huán)境對建筑物或地形的影響，比如海岸線侵蝕、山體滑坡等，幫助進(jìn)行環(huán)境保護(hù)和風(fēng)險管理。

2.2 BIM技術(shù)的具體應(yīng)用

2.2.1 模型建立與參數(shù)化設(shè)計

BIM 技術(shù)的核心是建立精確的三維模型，并支持參數(shù)化設(shè)計，使得設(shè)計過程更加靈活和高效。設(shè)計團(tuán)隊可以通過共享和協(xié)同編輯BIM模型，實現(xiàn)多專業(yè)間的緊密集成，從而避免信息孤島和重復(fù)工作，確保整體設(shè)計的完整性和協(xié)調(diào)性。

BIM技術(shù)通過整合各種工程專業(yè)（比如建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等）的設(shè)計信息，創(chuàng)建包含幾何形狀、空間關(guān)系和屬性信息的數(shù)字模型。這些模型不僅僅是靜態(tài)的幾何表示，還包含了豐富的元數(shù)據(jù)，比如材料屬性、施工方法、設(shè)備規(guī)格等，從而為整個項目的詳細(xì)設(shè)計和管理提供基礎(chǔ)。BIM還允許設(shè)計團(tuán)隊通過設(shè)定參數(shù)和規(guī)則，自動生成和調(diào)整模型的特定部分，比如建筑尺寸、結(jié)構(gòu)布置、管道系統(tǒng)等，這種靈活的參數(shù)化設(shè)計，能夠確?？焖夙憫?yīng)設(shè)計變更和優(yōu)化需求，實現(xiàn)設(shè)計的一致性和準(zhǔn)確性。

2.2.2 協(xié)同設(shè)計與管理

BIM 技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，是在協(xié)同設(shè)計和項目管理中的應(yīng)用，通過共享和集成各種信息資源，實現(xiàn)設(shè)計團(tuán)隊、建設(shè)者和運營者之間的緊密合作及信息共享，這不僅提高了項目執(zhí)行的效率和質(zhì)量，還減少了因信息不對稱或溝通不暢造成的誤解和錯誤，從而為復(fù)雜工程項目的成功交付奠定堅實基礎(chǔ)。

在多專業(yè)團(tuán)隊合作的情況下，BIM技術(shù)提供了一個統(tǒng)一的平臺，使不同專業(yè)的設(shè)計師可以在同一個模型中同時工作。例如，建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、機(jī)械電氣工程師等，可以通過BIM模型進(jìn)行協(xié)作設(shè)計，共享和更新設(shè)計變更，實時協(xié)調(diào)設(shè)計方案和解決潛在沖突。

BIM技術(shù)還在項目的執(zhí)行和管理階段發(fā)揮重要作用，通過整合模型中的施工序列、資源分配、進(jìn)度計劃等信息，項目管理團(tuán)隊就可以進(jìn)行施工進(jìn)度的模擬和優(yōu)化，預(yù)測潛在問題并及時調(diào)整方案，確保項目按時按質(zhì)完成[3]。

2.2.3 施工模擬與優(yōu)化

BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在施工模擬和優(yōu)化方面，通過模擬施工過程和資源的有效利用，提前發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題，從而為項目管理人員和業(yè)主提供可靠的決策支持，實現(xiàn)施工效率的最大化和成本的最優(yōu)化。

基于BIM模型，施工團(tuán)隊可以進(jìn)行虛擬的施工模擬，模擬施工過程中的不同工序、物流運輸路徑和施工設(shè)備的使用情況，這能夠幫助施工團(tuán)隊規(guī)劃和優(yōu)化施工流程，預(yù)測可能的沖突和問題，并且提前制定應(yīng)對措施，從而減少施工中的中斷和延誤。

施工團(tuán)隊還可以通過BIM技術(shù)優(yōu)化資源的利用，包括物料的采購和供應(yīng)鏈管理、人力資源的配置等。結(jié)合施工模擬結(jié)果，就可以調(diào)整施工計劃和進(jìn)度，提高施工效率和質(zhì)量，降低成本和風(fēng)險。

3 兩種技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)交互與整合

3.1.1 數(shù)據(jù)交互

三維激光掃描技術(shù)生成的點云數(shù)據(jù)，是建立BIM模型的重要基礎(chǔ)。通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理軟件，可以將大量的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以直接用于建模的形狀信息。這些信息包括建筑物的幾何形狀、結(jié)構(gòu)特征和細(xì)節(jié)信息，為BIM模型的建立提供了高精度和真實的物理屬性。

在建筑項目中，不同專業(yè)團(tuán)隊（如建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等）的信息交叉與整合是保證設(shè)計一致性和工程協(xié)調(diào)性的關(guān)鍵。BIM技術(shù)通過提供一個共享的平臺，使得各專業(yè)能夠在同一個模型中進(jìn)行協(xié)同設(shè)計和信息交流。例如，建筑師可以將建筑設(shè)計的模型和參數(shù)傳輸給結(jié)構(gòu)工程師，以便后者進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計優(yōu)化。

3.1.2 數(shù)據(jù)整合

隨著項目的推進(jìn)，需要將現(xiàn)有的BIM模型與新的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和更新。三維激光掃描技術(shù)可以周期性地進(jìn)行現(xiàn)場掃描，獲取最新的實際建筑狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過與現(xiàn)有模型的對比，更新模型的精度和完整性，保證了設(shè)計和施工過程中的信息同步，減少因信息陳舊或錯誤導(dǎo)致的風(fēng)險[4]。

除了激光掃描數(shù)據(jù)和BIM模型之外，還需要整合來自其他系統(tǒng)和軟件的多源數(shù)據(jù)，例如項目管理軟件中的進(jìn)度計劃、成本預(yù)算系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、安全監(jiān)控系統(tǒng)中的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等。BIM技術(shù)通過支持不同數(shù)據(jù)格式的互操作性，使得各類數(shù)據(jù)能夠在同一平臺上進(jìn)行整合和分析，為項目管理和決策提供全面支持。

3.2 設(shè)計階段的協(xié)同工作

3.2.1 數(shù)據(jù)整合與模型準(zhǔn)備

在設(shè)計階段，三維激光掃描技術(shù)通過采集實際場地的點云數(shù)據(jù)，為BIM模型的建立和更新提供了現(xiàn)實世界的精確基礎(chǔ)。點云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，可以轉(zhuǎn)化為高精度的三維模型，反映出建筑物的實際狀態(tài)和細(xì)節(jié)特征?；谶@些數(shù)據(jù)，BIM模型不僅包括了建筑的幾何形狀，還包含結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備布置等各個專業(yè)的詳細(xì)信息。

3.2.2 跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計與沖突檢測

利用BIM平臺，設(shè)計團(tuán)隊的各個專業(yè)可以在同一個集成的模型中進(jìn)行協(xié)同設(shè)計。例如，建筑師可以即時更新建筑設(shè)計，結(jié)構(gòu)工程師和機(jī)電工程師可以在此基礎(chǔ)上調(diào)整優(yōu)化各自的設(shè)計方案。BIM技術(shù)支持實時的數(shù)據(jù)交換和協(xié)作，設(shè)計團(tuán)隊可以共享設(shè)計變更和決策，確保各專業(yè)的設(shè)計相互兼容和一致。在協(xié)同設(shè)計過程中，BIM還能夠通過自動化的沖突檢測功能，識別不同專業(yè)之間可能存在的沖突，能夠有效減少設(shè)計錯誤和后期修改帶來的成本與延誤，提高整體設(shè)計的質(zhì)量和效率。

3.2.3 設(shè)計變更和實時更新

設(shè)計階段經(jīng)常需要面對客戶或其他利益相關(guān)者的反饋和調(diào)整要求，通過BIM技術(shù)，設(shè)計團(tuán)隊可以快速響應(yīng)變更請求，實時更新模型，并與相關(guān)方分享最新的設(shè)計狀態(tài)，這保證了所有設(shè)計決策和變更都基于最新的信息和實際條件，避免了信息不一致和溝通失誤帶來的風(fēng)險[5]。

3.3 施工階段的協(xié)同工作

3.3.1 數(shù)據(jù)管理與模型更新

三維激光掃描技術(shù)通過周期性的現(xiàn)場掃描，實時捕捉和更新施工現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，可以與現(xiàn)有的BIM模型進(jìn)行對比和更新，確保模型精度與實際施工情況的一致性。施工團(tuán)隊可以利用這些數(shù)據(jù)優(yōu)化施工計劃和資源管理，提高施工效率和質(zhì)量。

3.3.2 進(jìn)度管理與施工優(yōu)化

施工團(tuán)隊可以基于BIM模型進(jìn)行施工流程的優(yōu)化，制定詳細(xì)的施工計劃和階段性目標(biāo)。通過模擬施工過程，識別潛在的問題瓶頸和優(yōu)化機(jī)會，從而有針對性地調(diào)整資源配置和工作方法，提高工程項目的整體效率和成本控制能力。

3.3.3 安全管理和監(jiān)控

BIM技術(shù)通過模擬施工場景和實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控，識別安全風(fēng)險和危險點，促使制定安全措施和應(yīng)急預(yù)案，這有助于降低施工事故的發(fā)生率，保障施工人員的安全和工作環(huán)境的安全性。

4 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，為騎樓老街改造帶來了顯著的技術(shù)優(yōu)勢和管理效益，不僅提升了數(shù)據(jù)采集和處理的精度，還優(yōu)化了設(shè)計與施工的流程，確保項目的高質(zhì)量完成，推動行業(yè)向數(shù)字化、智能化的方向不斷發(fā)展。

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