基于三維激光掃描的BIM技術在地下綜合管廊中的應用

馬 奔

(華北水利水電大學，鄭州 450046)

城市地下綜合管廊近幾年在城市建設中被多次提到，相關研究也隨之增加，發(fā)展建設綜合管廊是城市管線建設的趨勢，能夠有效解決城市建設和運行管理中存在的問題，節(jié)約土地資源，減少重復建設，是保障城市高效運行的重要基礎設施。在城市綜合管廊建設中，既要提速也要提質，但是綜合管廊屬于地下工程，具有施工難度大、質量驗收困難等特點。三維激光掃描技術和BIM技術的引入，為我們提供新的檢測手段，來保證地下綜合管廊建設的質量，同時提供了后期運維管理所需的基礎數(shù)據(jù)，也為后續(xù)城市地下綜合管廊建設提供案例和參照。

1 研究背景

鄭州航空港區(qū)雙鶴湖片區(qū)綜合管廊項目為中原地區(qū)最大的地下管廊工程，建筑面積約3.7×104m2，分地下車庫聯(lián)絡道、地下綜合管廊、地下商業(yè)、地下車庫呈U型布局，全長6.1 km。其中，支線型管廊長3.1 km，纜線型管廊長3.0 km。支線型管廊采用兩艙式設計，分設給排水艙和電力艙；纜線型管廊為一艙式，只有電纜電力艙。地下管廊的截面采用準矩形。

2 基于三維激光掃描的BIM技術

三維激光掃描是集結了光、機、電和計算機技術的高新技術，主要用于對物體空間形狀、結構及顏色進行掃描，以得到物體表面的空間坐標，其特點是測量速度快、精度高、使用方便，且得到的測量結果可直接與多種軟件對接。采用高速激光束掃描測量的方法，快速獲取被測量對象表面的3D坐標數(shù)據(jù)被稱作實景復制技術，且能滿足面積大、分辨率高的要求，為快速建立物體的三維模型提供全新的技術手段[1]。該技術可有效完整地記錄工程現(xiàn)場復雜情況，直觀地反映出現(xiàn)場真實的施工情況，通過與設計模型對比，協(xié)助工程質量的檢驗。

BIM技術是一種多維應用的模型信息集成技術，可以使建設項目的所有參與方在項目從概念產生到完全拆除的整個生命周期內都能夠在模型中操作信息和在信息中操作模型，具有可視化、一體化、參數(shù)化、仿真性、協(xié)調性、優(yōu)化性、可出圖性等特點[2]。基于三維激光掃描的BIM技術是通過把激光掃描所得的模型與創(chuàng)建的BIM模型進行比對、轉化和協(xié)調，以此來檢查工程的質量，快速準確地創(chuàng)建模型，避免返工，為建立準確的參數(shù)化模型提供了一個全新的思路和方法。它是建筑與信息一體化發(fā)展的前提，是建立從項目規(guī)劃、設計、施工及竣工階段的全生命周期建筑數(shù)據(jù)集成平臺的基礎，是建筑企業(yè)實現(xiàn)項目精細化、智能化、集約化重要支柱，是建筑行業(yè)向智能建造、智慧運維的必由之路。在此技術發(fā)展背景下，雙鶴湖中央公園地下綜合管廊及聯(lián)絡道在項目交付和試運行階段過程中，利用三維激光掃描技術進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及BIM技術對模型的創(chuàng)建，對項目運營維護階段提供科學數(shù)據(jù)保障。

3 基于三維激光掃描的BIM技術在地下綜合管廊中的應用

3.1 利用三維激光掃描儀地下管廊的數(shù)據(jù)采集

地下綜合管廊在建成投入使用后，因為是地下工程，檢測難度大，施工質量難以把握。本次對綜合管廊的信息數(shù)據(jù)采集也是對施工質量的一次檢驗，對管廊施工中的重點及難點部位進行數(shù)據(jù)采集，與設計模型進行對比分析。

3.1.1 研究思路

見圖1。

圖1 徠卡P30掃描儀流程圖

3.1.2 準備工作

本次測量采用徠卡 ScanStationP30新一代超高速三維激光掃描儀，來保證測量數(shù)據(jù)的精確性及檢測質量。徠卡P30儀器參數(shù)見表1。

圖2 徠卡三維激光掃描儀

表1 徠卡P30三維激光掃描儀技術參數(shù)

本次測量是針對地下綜合管廊部分重要節(jié)點進行測量，測量范圍不大，但要求精度要高，所以徠卡P30完全能滿足本次測量要求。

3.1.3 點云數(shù)據(jù)獲取

依據(jù)徠卡P30三維激光掃描儀的功能特性，對建筑物進行掃描時的測量精度和測量效率均能滿足要求。而且三維激光掃描儀配套的Cyclone點云數(shù)據(jù)處理軟件具有點云拼接功能，因此在掃描建筑物前無需布設控制網，僅需在適當?shù)奈恢迷O置測站，將建筑物數(shù)據(jù)采集完全即可。但是為了各測站數(shù)據(jù)能夠準確拼接，采取布設標靶的方式來輔助點云模型拼接，要求一個測站點與相鄰的兩個測站點至少有3個或3個以上標靶重疊[3]。同時為了提高測量精度，要求測站點與被測建筑物之間的距離保持在50 m以內。針對以上要求，本文中對所選定的地下聯(lián)絡道出入口部位按照圖3的方式設置測站，主要針對其結構柱進行數(shù)據(jù)采集，為檢驗其施工質量，同時也收集其沉降變形的原始數(shù)據(jù)。

選取適合的測站間距是保證掃描質量的關鍵，基于物體表面 3 個(及以上)已知點的配準法是工程測量上常用的方法，并保證每次掃描至少能包含3個靶標的點云信息。只要已知3個點的坐標即可完成坐標轉換，實現(xiàn)點云配準[4]。測站間距根據(jù)廊道直徑和最大入射角來確定。管廊設站見圖3。

圖3 管廊設站示意圖

地下車庫聯(lián)絡道設站方式和管廊不同，在交叉口處由于有11個結構柱，也是施工的難點和運維檢測的重點。所以，本文將著重對聯(lián)絡道交叉口的掃描檢測進行分析，測站設置完成后見圖4。

圖4 聯(lián)絡道三岔口站點布置圖

設置掃描參數(shù)為全景掃描加拍照，自動識別標靶類型、點間距。掃描完成后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上并將數(shù)據(jù)導入Cyclone軟件中來處理。

3.2 點云數(shù)據(jù)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)預處理

經過已定掃描儀獲取的管廊點云數(shù)據(jù)中包含有噪點等無用信息，這些點云數(shù)據(jù)需進行預處理后才能使用。在掃描鏡頭前方少量范圍內一般會產生塵土噪點，通常的處理辦法是直接將其刪除。其余處在地面的一些堆積物、線纜等，采用過濾的方式，保留最低點的算法將其去除。為保證后續(xù)建模的便捷性，還要對點云模型進行分割，減少各部件之間點云的連接，而導致建模的不精確。

3.2.2 站點拼接

將外業(yè)測量得到的點云數(shù)據(jù)導入Cyclone軟件中進行點云數(shù)據(jù)拼接，點云數(shù)據(jù)拼接模式主要包括基于標靶的拼接、基于特征點的拼接、基于測量點的拼接以及混合拼接等方式[5]。本次掃描測量根據(jù)現(xiàn)場實際情況，分析被測量建筑結構的布置，為了能收集到完整的模型信息，需要多站測量，故采取布設標靶的方式來減少搬站次數(shù)，同時減少點云的拼接誤差。標靶布設的要求是確保相鄰的兩個站點有3個以上的標靶重合，且標靶錯落有致，沿著廊道軸線方向布設故采用基于標靶拼接的形式通過手動對標靶進行標記編號進行點云數(shù)據(jù)的拼接。拼接精度控制在 2 mm 以內。見圖5-圖7。

圖5 聯(lián)絡道交叉口點云拼接圖

圖6 地下綜合管廊局部點云數(shù)據(jù)

圖7 點云拼接誤差

3.3 模型創(chuàng)建

由點云處理軟件來自動匹配通過激光掃描儀采集的點云數(shù)據(jù)。此法可以應用到對因建筑圖紙不全或者使用時間長導致變形的建筑物，進行翻修改造時可準確獲得精準的目標建筑物的信息數(shù)據(jù)，利用掃描所得點云數(shù)據(jù)逆向創(chuàng)建 BIM模型，通過Revit創(chuàng)建的模型可以進行參數(shù)化表達，為后期運行維護提供所需的基礎數(shù)據(jù)。建模流程見圖8。

圖8 BIM逆向建模流程

三維激光掃描采集的點云數(shù)據(jù)利用Cyclone軟件中自帶管線自動擬合功能，適用于復雜的管線建模，再結合區(qū)域生長的點云擬合方法[6]，后期作相應的人工處理，如模型的延伸和對齊、擠壓與延展、管道的拐點角度設置、異形的建模等，最終得到的 BIM 模型是直接依據(jù)真實工況創(chuàng)建模型，大幅提高建模的速率和模型精度。因此，在工程驗收階段也有廣闊的應用前景。見圖9。

圖9 Cyclone點云擬合模型

3.4 成果發(fā)布

以點云模型為基礎，生成線劃圖、測量數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)成果，均可以導出為特定格式，為其他平臺提供支持。除常規(guī)的數(shù)據(jù)導出外，還可以將點云或創(chuàng)建好的模型發(fā)布為網頁文件，發(fā)布出來的文件可以在 IE 瀏覽器及Leica TruView插件下實現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽和測量等功能。此外，可以把點云模型和Revit模型進行對比分析。見圖10。

圖10 點云模型與Revit模型對比

4 結 語

三維激光掃描儀的高效、精確性、便捷等許多優(yōu)點為建筑行業(yè)反求建筑體量、逆向建模提供了便捷的方法，具有較高的應用價值。利用點云模型通過逆向建模手段生成的模型也可以對其賦予信息，使之成為一個可以“生長”的 BIM 模型，進而納入 BIM 的多維信息管理中，借助建筑模型對建筑施工進行信息化管理。

基于三維激光掃描的逆向建模、點云數(shù)據(jù)處理和海量數(shù)據(jù)協(xié)同管理與 BIM 技術有機結合，解決了現(xiàn)場質量跟蹤監(jiān)測、多方數(shù)據(jù)共享并協(xié)同工作及構件可視化碰撞檢測等問題，既滿足了現(xiàn)場施工精細化管理要求，又優(yōu)化了 BIM 信息管理技術，為建立精準的數(shù)據(jù)模型提供了一個全新的思路和方法。