基于BIM和三維激光掃描在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

韓達(dá)光，秦國成，周 銀，王東方，楊宇鵬

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 一汽大眾汽車有限公司，吉林 長春 130011；3. 中鐵十六局集團(tuán)第五工程有限公司，河北 唐山 064000)

0 引 言

三維激光掃描技術(shù)主要用于重建復(fù)雜實(shí)景三維模型，因而又被稱現(xiàn)實(shí)捕捉技術(shù)，這項(xiàng)高新技術(shù)最早可追溯到20世紀(jì)90年代中期。由于其出色高效的工作性能，三維激光掃描技術(shù)很快在測(cè)繪領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)技術(shù)革命。三維掃描儀可分為接觸式和非接觸式，非接觸式三維掃描儀在建筑測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用最廣的主要是采用光學(xué)測(cè)距原理掃描儀，又稱為三維光學(xué)掃描儀。如今三維激光掃描儀已在建筑、地質(zhì)、礦業(yè)、隧道開挖、逆向工程、文物等領(lǐng)域都有涉及。而同屬三維數(shù)字化技術(shù)的BIM 技術(shù)也被廣泛認(rèn)知，BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目中應(yīng)用的前提就是BIM三維數(shù)字化模型，以模型為基礎(chǔ)貫穿整個(gè)工程全生命周期[1]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)三維激光掃描技術(shù)在基坑變形監(jiān)測(cè)中做了一系列研究。葛紀(jì)坤等[2]利用三維激光掃描儀對(duì)基坑進(jìn)行整體變形監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)比并分析其偏差原因，對(duì)于基坑整體變形監(jiān)測(cè)，三維激光掃描監(jiān)測(cè)相比單點(diǎn)式傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯；許新海[3]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在深基坑監(jiān)測(cè)中，并將其與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相互比較驗(yàn)證，三維激光掃描在中小型基坑監(jiān)測(cè)中其精度完全滿足要求，而對(duì)于大型基坑因涉及多站拼接，故精度則難以保證；M.K.KIM等[4]將BIM技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合，提出一種預(yù)制混凝土構(gòu)件尺寸和表面質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法。

這些學(xué)者的研究對(duì)三維激光掃描在我國工程應(yīng)用中奠定了基礎(chǔ)，但均未考慮與BIM技術(shù)進(jìn)行融合，也未考慮其對(duì)降低誤差的貢獻(xiàn)；國外學(xué)者將三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，但并沒有利用BIM模型直接與點(diǎn)云融合對(duì)比。筆者在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，依托實(shí)際工程將BIM技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行融合對(duì)比。利用逆向BIM模型特點(diǎn)優(yōu)化對(duì)比誤差，進(jìn)一步提高BIM技術(shù)在實(shí)際施工過程中應(yīng)用的縱向深度，其次也進(jìn)一步拓寬三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用的橫向?qū)挾龋瑸楹笃贐IM平臺(tái)化精確管理做出貢獻(xiàn)。

1 工程概況

天津一汽大眾華北基地項(xiàng)目位于津?qū)幐咚倥c海清公路交界處西南偶，主機(jī)廠占地面積達(dá)108.1×104m3，地區(qū)地勢(shì)開闊，廠區(qū)一共有4個(gè)大車間，分別為沖壓車間、焊裝車間、總裝車間、涂裝車間，各車間主要以鋼結(jié)構(gòu)為主。采用德國大眾最完善的工廠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和最合理的完美工廠建設(shè)原則，將按照綠色建筑三星設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造。

在施工過程中，為方便施工機(jī)械出入車間，要在沖壓車間某基坑附近開通施工便道(圖1)，施工車輛中最重的有約為40 t混凝土罐車，可能會(huì)對(duì)基坑變形產(chǎn)生一定影響。故筆者采用三維激光掃描儀對(duì)基坑進(jìn)行5 d連續(xù)監(jiān)測(cè)掃描和變形分析。

圖1 沖壓車間基坑平面Fig. 1 Foundation pit plane of stamping workshop

2 三維激光掃描精度

2.1 精度分析

國內(nèi)市場(chǎng)上目前主要有兩種非接觸式掃描儀，按其工作原理分成兩種：一種是“脈沖式”掃面儀；另一種是“相位式”掃描儀[5]。這兩種掃描儀都是采用光電測(cè)距，不同的是“脈沖式”掃描儀是通過激光從發(fā)射到接收之間的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算距離；“相位式”掃描儀根據(jù)激光發(fā)射到接收間隔內(nèi)相位變化來計(jì)算所測(cè)距離[6]。這兩種掃描儀相似之處都是通過獲取物體表面點(diǎn)三維坐標(biāo)來生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這就需要掃描儀記錄的原始數(shù)據(jù)要包含激光光束的水平角度、縱向角度、儀器到點(diǎn)距離值、物體表面點(diǎn)反射強(qiáng)度、通過儀器內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)感應(yīng)物體顏色等相關(guān)信息[7]。

三維激光掃描儀精度從原理上分析可概括為：儀器最后得到的某一點(diǎn)Q的坐標(biāo)值是目標(biāo)點(diǎn)Q的真實(shí)坐標(biāo)值。但實(shí)際上并非如此，通常是因?yàn)閮x器本身掃描精度主要受儀器測(cè)距誤差、測(cè)角誤差等因素影響。其中測(cè)距誤差和測(cè)角誤差的產(chǎn)生是因三維掃描儀發(fā)射的激光光束在射到物體表面時(shí)，光的發(fā)散性會(huì)形成光斑，而光束在物體表面反射時(shí)，反射點(diǎn)可能是光斑范圍內(nèi)任意點(diǎn)。根據(jù)基本光學(xué)知識(shí)可知，隨著光距增加，其投射在物體表面光斑面積也會(huì)逐漸增大，故測(cè)量的目標(biāo)點(diǎn)Q距離并非實(shí)際距離，這一偏差稱為測(cè)距誤差[8]。該誤差可表示為式(1)：

(1)

式中：ωs為測(cè)距誤差；ω固為固定誤差；ω比例為比例誤差；S為測(cè)量距離。

測(cè)角誤差是也由光斑造成的，如圖2。理論上三維激光掃描儀所得到的水平角度α、縱向角度β是目標(biāo)點(diǎn)Q所形成的，但由于激光在物體表面發(fā)散形成光斑，光斑范圍內(nèi)任意一點(diǎn)都有能代替目標(biāo)點(diǎn)Q在儀器中產(chǎn)生另外的水平角度α1和縱向角度β1。

圖2 三維激光掃描的光斑現(xiàn)象Fig. 2 Spot phenomenon of 3D laser scanning

2.2 對(duì)比誤差優(yōu)化

在采集到點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，需進(jìn)行分析對(duì)比。點(diǎn)云之間對(duì)比通常分為兩種：① 點(diǎn)云與點(diǎn)云之間的直接對(duì)比，如圖3(a)；② 點(diǎn)云與點(diǎn)云封裝模型間接對(duì)比，如圖3(b)。前者直接對(duì)比中，P1、P2點(diǎn)云本身存在誤差Δ1、Δ2(暫不考慮其他誤差影響)，由算法得到的P1、P2點(diǎn)云間的Avg dist(平局距離)，如式(2)。

Avg dist(P1,P2)=(D1+D2+D3+D4…)/N=

d+Δ1+Δ2

(2)

由式(2)得到的Avg dist(P1,P2)可知，仍存在誤差Δ1、Δ2。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析對(duì)比Fig. 3 Analysis and comparison of point cloud data

點(diǎn)云封裝模型是指將點(diǎn)對(duì)象轉(zhuǎn)化為多邊形，間接對(duì)比中P1本身存在誤差Δ1，多邊形對(duì)象表面凹凸程度與點(diǎn)云質(zhì)量相關(guān)，存在隨機(jī)形狀誤差ΔW，同樣由算法得到P1、W點(diǎn)云間Avg dist如式(3)。

Avg dist(P1,W)=(B1+B2+B3+B4…)/N=

b+Δ1+ΔW

(3)

由式(3)得到的Avg dist(P1,W)可知，仍存在誤差Δ1、ΔW。

綜合上述兩種對(duì)比方法，均存在一定隨機(jī)誤差，筆者考慮引入由點(diǎn)云逆向生成的 BIM 模型來優(yōu)化減小誤差，即點(diǎn)云與BIM 模型間接對(duì)比，如圖3(c)，P1、BIM模型間Avg dist如式(4)。

Avg dist(P1,BIM)=(H1+H2+H3+H4…)/N=

h+Δ1

(4)

由式(4)可知：Avg dist(P1,BIM)比式(2)～(3)少一個(gè)誤差，則可在引入BIM模型后的點(diǎn)云對(duì)比，誤差得以優(yōu)化。

3 三維激光掃描數(shù)據(jù)

3.1 儀器參數(shù)

基坑掃描監(jiān)測(cè)所采用設(shè)備為Faro X330激光掃描儀，主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 儀器技術(shù)參數(shù)Table 1 Instrument technical parameters

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

為客觀真實(shí)的監(jiān)測(cè)該基坑是否有位移變形，綜合控制各種誤差，筆者制定如下掃描方案，其流程如圖4。

圖4 主要流程Fig. 4 Main flow chart

1)掃描周期為5 d，每天的掃描時(shí)間固定，為09：00—09：30，第1期掃描應(yīng)在開通道路之前；

2)開展掃描工作之前提前到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘查，把儀器位置，掃描區(qū)域確定；

3)掃描儀器固定，操作人員固定，掃描時(shí)架設(shè)設(shè)備點(diǎn)位盡量在同一位置；

4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)置好三維激光掃描儀基本工作參數(shù)后開始掃描；

5)在獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，將其導(dǎo)入點(diǎn)云軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，由于三維激光掃描儀是全方位掃描，每期得到點(diǎn)云量約四千多萬個(gè)，其中就包括大量冗余點(diǎn)，通過算法機(jī)制降低點(diǎn)云數(shù)量。將預(yù)處理得到點(diǎn)云導(dǎo)入點(diǎn)云軟件進(jìn)行再處理，先將點(diǎn)云進(jìn)行降噪，自動(dòng)評(píng)估點(diǎn)鄰近性過濾點(diǎn)與其他組遙遠(yuǎn)的點(diǎn)，并將點(diǎn)移至統(tǒng)計(jì)的正確位置彌補(bǔ)掃描誤差。其次進(jìn)行壓縮處理，采用過濾器使平坦曲面上的點(diǎn)數(shù)目減少量一致，以規(guī)定密度減少曲面上點(diǎn)云數(shù)目，最終得到優(yōu)化點(diǎn)云[9]。

4 BIM模型獲取

4.1 BIM+3D掃描技術(shù)

受“互聯(lián)網(wǎng)+”概念影響，“BIM+”開始逐漸興起，也就是所謂的BIM集成化應(yīng)用。

BIM技術(shù)與三維激光掃描集成化應(yīng)用，主要通過將掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接與 BIM 模型進(jìn)行融合，或是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向生成 BIM 模型進(jìn)行融合，形成施工階段實(shí)際BIM 模型與設(shè)計(jì)階段BIM模型進(jìn)行對(duì)比分析，甚至可通過連續(xù)定點(diǎn)掃描對(duì)某個(gè)施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)分析，如圖5。

圖5 BIM+3D掃描Fig. 5 BIM+3D scanning

4.2 逆向建立BIM模型

該基坑在建造過程，由于諸多不可控因素，在初步勘察過程中發(fā)現(xiàn)基坑已與傳統(tǒng)二維圖紙有較大偏差，根據(jù)傳統(tǒng)二維圖紙無法再還原出最接近真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的三維模型，對(duì)后期監(jiān)測(cè)分析也不利。筆者將采取點(diǎn)云逆向生成BIM模型，而用于逆向生成模型的第1期點(diǎn)云，是在未開通基坑旁邊道路之前進(jìn)行的掃描采集[10]，如圖6。

圖6 第1期掃描點(diǎn)云模型Fig. 6 First phase scanning point cloud model

將掃描第1期點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入點(diǎn)云處理軟件并將點(diǎn)云以XYZ格式導(dǎo)出。考慮到點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量大，如直接將點(diǎn)云鏈接到建模軟件會(huì)導(dǎo)致軟件卡頓及崩潰，故將點(diǎn)云輕量化處理，方便后期工作進(jìn)行[11]。

5 數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比分析

將前期逆向生成的BIM模型與后4期點(diǎn)云分別導(dǎo)入點(diǎn)云軟件融合，逆向得到BIM模型為參考模型，后4期點(diǎn)云分別為測(cè)試模型，分4組疊加對(duì)比各得到顏色譜圖，如圖7。對(duì)比這4組的偏差色譜圖可直觀看到基坑局部和整體變形。監(jiān)測(cè)過程中若發(fā)現(xiàn)有較大變形可立即暫停通車，并對(duì)出現(xiàn)較大變形部位給予及時(shí)維修，從側(cè)面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工便道是否合理和施工安全提供有力保障。

圖7 1～4期對(duì)比結(jié)果Fig. 7 Contrast results of 1～4 phase

表2為點(diǎn)云軟件3D對(duì)比數(shù)據(jù)。其參考點(diǎn)云數(shù)量是軟件通過內(nèi)置算法將前期優(yōu)化處理點(diǎn)云抽稀之后，實(shí)際參加計(jì)算的點(diǎn)云個(gè)數(shù)。其中Ref.BIM模型和Test點(diǎn)云模型偏差臨界值為1.7 cm，平均偏差在5～-4 mm內(nèi)波動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)偏差在5 mm左右波動(dòng)。它反映出隨機(jī)誤差按正態(tài)分布規(guī)律時(shí)的均方根誤差，也是判斷 Ref.點(diǎn)云模型和Test BIM模型3D偏差基礎(chǔ)準(zhǔn)則[12]。

表2 3D偏差的結(jié)果數(shù)據(jù)Table 2 Result data of 3D deviation

為進(jìn)一步分析基坑偏差，對(duì)基坑整體偏差分布和標(biāo)準(zhǔn)差分布百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖8。這4組數(shù)據(jù)偏差主要分布在-0.011 097～0.011 097范圍內(nèi)，而-0.017 755～-0.011 097和0.011 097～0.017 755范圍內(nèi)偏差幾乎為零，可忽略不計(jì)；基坑偏差分布峰值集中在-0.004 439～0.004 439，再結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)差分布百分比說明大部分偏差都屬于可控安全范圍內(nèi)，即基坑在連續(xù)5 d定點(diǎn)定時(shí)監(jiān)測(cè)過程中和車輛隨機(jī)荷載影響變形波動(dòng)較小，基坑旁施工便道幾乎對(duì)基坑變形不產(chǎn)生影響。

圖8 分布統(tǒng)計(jì)Fig. 8 Distribution statistics

6 結(jié) 語

三維激光掃描儀對(duì)基坑連續(xù)監(jiān)測(cè)，能在保證高精度情況下獲得整個(gè)基坑的偏差色譜圖，做到微觀變形可視化。

通過引入由點(diǎn)云逆向生成BIM模型，還原在開通施工便道之前現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的數(shù)字模型，創(chuàng)新性利用BIM 技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)相融合對(duì)比，做到對(duì)基坑三維整體變形監(jiān)測(cè)。

隨著BIM技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)集成化應(yīng)用更加深入，提高BIM技術(shù)施工階段應(yīng)用率和BIM技術(shù)應(yīng)用深度，也使得在施工過程中的變形監(jiān)測(cè)朝著更加經(jīng)濟(jì)、高效、精準(zhǔn)、自動(dòng)化的方向發(fā)展。