三維掃描技術結合BIM 在佘山深坑酒店項目的應用

何建軍 危 鼎 姚守儼 陳濱津 張 林 王 碩

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

1 項目背景

“松江辰花路二號地塊”深坑酒店位于上海松江區(qū)天馬山的廢棄采石坑內，項目主體建筑設計于地質深坑內，依崖壁建造，總建筑面積55 058 m2，是世界上第一個在廢石坑里的酒店。

松江佘山一帶風景優(yōu)美，自然的山脈風光是這一地區(qū)的主要地貌特征。石坑本身就是一個很具吸引力的自然資源?？由?0m，有一自然湖泊坐落于底部。

酒店主體建筑分為地上部分、地下至水面部分以及水下部分。其中地上建筑2 層(局部帶一層地下室)，高度約10 m;地下至水面建筑共14 層，高度約53.6 m;水下部分建筑2 層，高度約10.4 m;建筑總高度約為74 m。

由于設計理念比較獨特，設計中遇到了不少重大挑戰(zhàn)。其中最具挑戰(zhàn)性的問題之一是基礎設計。首先，由于安全等因素，巖壁的爆破開挖無法完全實現(xiàn)預期的設計造型，人工機具也無法對堅硬的巖石進行局部修整。因此，只有對原始方案進行局部調整。由此涉及到多專業(yè)的協(xié)調修改。其次，方案的深化設計需要提供準確的地貌資料，采用傳統(tǒng)測繪方法已經無法滿足項目設計精度和工程進度的要求。為此，本項目首先采用了目前處理此類問題較為先進的三維激光掃描技術，在極短時間內獲取坑內巖面的三維地形，在此基礎上對建筑、結構、暖通等各專業(yè)開展三維協(xié)同設計，出色完成預期目標。

2 深坑地貌的三維激光掃描［1］－［3］

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，它利用向被測對象發(fā)射激光束和接收由被測物發(fā)射回的激光信號獲取被測對象的空間坐標信息。上述三維坐標信息可導入AutoCAD、Revit、Rhino 等三維軟件進行后續(xù)工程設計。該技術可將任何復雜的現(xiàn)場環(huán)境、空間物體進行掃描操作，并直接將各種大型、復雜、不規(guī)則實體或實景的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進而快速重構出目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù);同時，它所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)還可進行各種后處理工作(如:測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實等)。

2.1 地形掃描

三維激光掃描技術來自測繪領域，其最基本的應用之一就是地形圖繪制。基于掃描的精細點云可直接生成三維地形模型，并可以自動提取等高線。實現(xiàn)一次測量，同時可獲取三維及二維數(shù)據(jù)資料。與傳統(tǒng)測繪手段相比，三維激光掃描具有效率高、細節(jié)豐富、成果形式多樣、智能化、兼容性強等優(yōu)點。

圖1 佘山深坑原始地貌

圖2 佘山深坑酒店效果圖

本項目測繪采用了天寶TX5 三維激光掃描儀，如圖3 所示。

圖3 三維激光掃描儀

(1)站點選取

項目實景如圖4 所示。為得到后續(xù)逼真的三維模型，在實際條件允許的情況下，要盡可能從各個角度去對實物進行掃描，因此需要合理的選擇站點，每兩個將進行拼接的站點之間至少要有15%以上的重合區(qū)域，且重合區(qū)域要有比較明顯的特點，為后續(xù)的點云數(shù)據(jù)拼接創(chuàng)造條件。針對本項目實際，在坑內中心點附近及上部坑口周邊各布置3 個站點，通過這6 個站點的掃描信息可以基本完整的反映深坑的基本特征，站點布置如圖5 所示。

(2)掃描

為獲取三維點云數(shù)據(jù)，需要對上述6 個站點進行逐一掃描。首先將三維激光掃描系統(tǒng)放置在所選定的位置上，通過掃描儀自帶軟件識別并掃描標靶、選擇視景范圍(即要掃描的范圍)、掃描精度。完成上述工作后即可開始掃描。在掃描過程中，盡量使掃描區(qū)中無人走動，以免造成遮擋。掃描的原始數(shù)據(jù)是對應于被測物件表面空間位置的點云。

圖4 施工現(xiàn)場

圖5 站點布置

本項目深坑巖壁垂直高差超過70m，水平跨度超過200m，垂直度接近90°，采用傳統(tǒng)測繪手段存在難度大、周期長、精度低等問題。而三維激光掃描不但提供了快捷的測繪手段，而且連同現(xiàn)場對象的細節(jié)特征，如顏色信息等都能準確的保存下來。上述成果完全可以帶回辦公室電腦中進行細化測量、設計規(guī)劃、研究計算、場景仿真等進一步應用，減少野外數(shù)據(jù)采集的工作量和采集時間。

2.2 點云處理與三維建模

(1)點云拼接

由于掃描是分站進行的，因此為了得到被測對象的完整信息，需要將各站進行拼接總裝，如圖6 所示。采集后的點云數(shù)據(jù)通過Trimble RealWorks 軟件自動選取兩站中3 個以上同名控制點實行拼接，拼接完成的數(shù)據(jù)再次利用數(shù)據(jù)融合功能將重合部分的數(shù)據(jù)進行歸并，以避免數(shù)據(jù)的冗余和不一致。經過點云過濾、匹配顏色、多站自動拼接，各站點云數(shù)據(jù)處于統(tǒng)一的坐標系中，但尚未建立與地理坐標系的位置關系，為此還需添加全局控制點。全局控制點的定位使用基站式GPS 接收機進行量測，添加控制點后，通過坐標校正將點云數(shù)據(jù)納入統(tǒng)一的地理坐標系下。

(2)去噪處理

由于掃描過程中外界環(huán)境因素對掃描目標的阻擋和遮掩，如掃描過程中移動的車輛、行人樹木的遮擋，及建筑物本身的反射特性不均勻，導致最終獲取的掃描點云數(shù)據(jù)內可能包含不穩(wěn)定的點和錯誤的點，這些影響將導致點云數(shù)據(jù)含有偏差。因此點云數(shù)據(jù)拼接后的預處理工作，主要是清除一些不正確的數(shù)據(jù)，獲取有效數(shù)據(jù)。只有把這些錯誤點和含有偏差的點剔除后，才可繼續(xù)進行其它操作，這個過程稱作點云數(shù)據(jù)的去噪。

(3)三維建模

當前，基于點云的三維建模方法分為3 種:1)對于常規(guī)幾何體，采用軟件自動匹配建模;2)基于GEOMAGIC 多邊形的不規(guī)則曲面建模，如圖7 所示;3)人工手動建模。其中，第一種方法只適用于那些與軟件中所包含的常用幾何形體相一致的目標實體組件，對于不能分解為常用幾何形體的目標實體組成部分則是無效的。第三種方法則需要大量的人工勞動和建模人員的經驗。第二種方法是最方便也是最貼近被測物實際的方法，但由該方法建立的模型數(shù)據(jù)文件龐大，實用中常采用對不關心區(qū)域進行網格簡化處理以減少對計算機資源的占用。

3 三維掃描技術與BIM 結合應用

3.1 模型整合

因為本工程依靠深坑崖壁建造而成，一反傳統(tǒng)的建筑向天空發(fā)展的概念，酒店主體自然地“掛”在巖壁上。施工現(xiàn)場坑底結構形式復雜，崖壁不規(guī)則，為實現(xiàn)坑壁和酒店建筑的完美融合，需要在施工之前把手動創(chuàng)建酒店BIM 模型與掃描而得深坑模型進行整合，如圖8 所示。確保建筑物結構底板標高與坑底不出現(xiàn)大的真空，主體結構與崖壁不出現(xiàn)構件碰撞。

圖6 點云拼接

圖7 采用GEOMAGIC 多邊形網格建模的崖壁模型

圖8 深坑模型與酒店BIM 模型整合

圖9 坑底現(xiàn)狀與設計承臺位置對比

圖10 某樓梯間建筑方案調整

3.2 標高檢查與碰撞調整

在本項目中深坑崖壁的開挖采用爆破方式，這種施工方法一方面無法保證開挖成果面精確符合設計要求，另一方面，考慮到安全因素，某些范圍不能繼續(xù)爆破，只能對建筑方案、基礎布置做出調整。爆破成果面與原始基礎承臺設計對比，如圖9-10 所示。

盡管基礎承臺的調整僅是些局部調整，但實際卻牽涉到建筑、暖通、給排水等其他眾多專業(yè)較大范圍內的聯(lián)動調整。這種聯(lián)動調整在傳統(tǒng)二維圖紙上的發(fā)現(xiàn)和表達都是十分麻煩的事情，然而在本案例中，項目團隊將業(yè)主、設計院以及施工單位集合在一個會議室，面對同一個三維模型開展實時審核與設計，當場解決各專業(yè)的位置擠占、碰撞等問題，在規(guī)范許可的前提下，使各種構件、管線盡量能夠整齊緊湊，最大限度地滿足建筑空間要求。從而避免因各專業(yè)管線互相擠占沖突而造成的返工、延誤工期，節(jié)省項目成本。

3.3 復雜巖石表面基礎擋墻設計

基于掃描點云生成的三維模型可以被以任意方式進行剖切表現(xiàn)。水平剖切可以產生傳統(tǒng)意義上的各層平面圖，垂直方向的剖切可以輸出剖面圖。基于以上功能，設計人員首先對原有承臺與現(xiàn)有巖面的相互關系進行分析，如圖11 所示。

其次，本項目采用“碎石混凝土地基無樁基礎設計”，通過砌筑碎石混凝土地基來找平高差較大的坑底巖面。該基礎設計遵循以下原則要求:(1)保證放坡構造要求;(2)混凝土方量盡量少;(3)基礎外輪廓貼近建筑外形而呈現(xiàn)圓弧狀。根據(jù)上述要求，設計人員對初始承臺設計進行調整，如圖12所示。由于原設計中相鄰承臺間水平間距較小，為滿足安全放坡構造要求，相鄰承臺間的垂直落差不能過大，同時還需兼顧工程混凝土用量，因此上述調整過程并非單個承臺的調整，而是一個涉及多因素影響的優(yōu)化過程。為此，三維設計團隊基于Grasshopper 平臺，以填筑碎石混凝土用量最少為目標變量，以承臺標高為設計變量，以承臺與巖面間距、承臺之間垂直間距為限值變量，編制了相應的優(yōu)化設計程序，實現(xiàn)計算機自動化設計之目的，優(yōu)化程序界面如圖所示。

在承臺優(yōu)化設計工作結束之后，還需對因承臺標高抬升而導致建筑等其他專業(yè)的碰撞調整進行解決，此處不再贅述。

3.4 快速土方量計算

傳統(tǒng)基于有限個勘測點的土方量計算方法的精度和效率是比較低的。原因在于:雖然勘測點本身的精度可達毫米級，但由于測點數(shù)量有限，測點間間距較大，無測點區(qū)域的數(shù)據(jù)是靠插值或擬合方法得到的，由此產生誤差。此外，傳統(tǒng)測繪方法較為耗時，且是一種接觸式的測繪手段，對于人力無法到達的崖壁等區(qū)域測繪難度較大。

三維激光掃描是一種非接觸式測繪方法，測繪精度高、數(shù)據(jù)量大、效率高。以本項目為例，整個深坑巖面測繪時間(包括轉站)約4h，測點數(shù)量約5 億個點，精度2mm。

圖11 巖體及擋墻徑向剖面

圖12 承臺標高優(yōu)化調整

圖13 爆破方量計算

圖14 碎石混凝土填方量計算

利用激光掃描獲得的三維地形模型進行巖石爆破方量計算和碎石混凝土基礎填方量計算都是十分方便和準確的，如圖13 -14 所示。

與原始地形圖比較的爆破方量:37 937m3(因原始測繪數(shù)據(jù)不完整，此計算數(shù)據(jù)為估算值，計算范圍-64m～-4m，酒店所在的半個坑，僅供參考)。

回填混凝土方量:約12 098m3(僅為擋土墻，不包括基礎承臺)。

4 總結

掃描技術對于工程現(xiàn)場最大的好處在于優(yōu)化現(xiàn)場人員的工作方式，三維激光掃描技術在本工程的應用解決了如下工程問題:

(1)精簡現(xiàn)場工作

只需在現(xiàn)場進行掃描工作，對比偏差與測量可在后臺完成，大大減少現(xiàn)場測量時間和往返現(xiàn)場的次數(shù);

(2)方便施工人員在現(xiàn)場的測量工作

可直接利用點云測量技術，完成一些費力、高危險部位的測量。測繪結果詳盡、精度高;

(3)三維成果為后續(xù)細化測繪、設計規(guī)劃、研究計算、場景仿真提供了基礎

基于三維掃描成果的現(xiàn)場虛擬設計讓新的設計單元與場景進行虛擬結合，極大提高了設計人員對設計結果進行審核的工作效率;

(4)完善現(xiàn)場工作人員的溝通方式

相關問題可以直接在圖像上標示，而無需再進行紙上記錄;也可直接得到掃描結果與設計模型的偏差，而無需先測量、后對照圖紙、最后確認偏差;利用直觀的圖像、視頻甚至轉換后的模型與相關方進行溝通，大大縮短現(xiàn)場協(xié)調周期;

(5)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方式

經過數(shù)據(jù)采集與轉換后，現(xiàn)場情況可以很完整地以BIM 模型、點云模型的形式在統(tǒng)一集成的信息平臺中整合，并根據(jù)現(xiàn)場工程師需求開展相關管理工作。

［1］黃承亮，向娟.三維激光掃描技術應用于建筑物建模的測量方法研究［J］.城市勘測，2011(1).

［2］鄭德華.ICP 算法及其在建筑物掃描點云數(shù)據(jù)配置中的應用［J］.測繪科學，2007(2):31-32.

［3］張啟福，孫現(xiàn)申.三維激光掃描儀測量方法與前景展望［J］.北京測繪，2011(1):39-42.