BIM+三維激光掃描技術(shù)在工程質(zhì)量管控中的應(yīng)用

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200120)

1 引言

近年來(lái)，隨著工程建造水平的不斷提升，BIM技術(shù)的普及程度也愈加廣泛。大量工程實(shí)踐顯示：BIM技術(shù)為工程建造賦予了全新的科技生命力。但也應(yīng)看到，BIM技術(shù)的應(yīng)用深度依然亟待深入。

近年來(lái)，愈來(lái)愈多的學(xué)術(shù)界和企業(yè)界開(kāi)始將研究目標(biāo)，聚焦于BIM技術(shù)在工程質(zhì)量管控中。要實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行有效管控，必須以精準(zhǔn)、可靠的測(cè)量方式作為技術(shù)支撐。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)工程建設(shè)行業(yè)在工程質(zhì)量管控中的BIM技術(shù)應(yīng)用，依然以計(jì)算機(jī)仿真為主。也就是說(shuō)，BIM技術(shù)在工程質(zhì)量管控中的應(yīng)用，更多的集中于“事先管控”階段。如何將BIM技術(shù)和工程質(zhì)量管控切實(shí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工程建造階段潛在的質(zhì)量問(wèn)題、質(zhì)量隱患的全過(guò)程、動(dòng)態(tài)管控，依然是一個(gè)亟待解決的難題。

在這一背景下，三維激光掃描技術(shù)的誕生，為上述技術(shù)難題提供了一條全新的解決途徑。三維激光掃描技術(shù)(3D Laser Scanning Technology)，也稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。是近年來(lái)工程測(cè)控領(lǐng)域中的又一全新技術(shù)突破[1-2]。

三維激光掃描技術(shù)使得工程人員能夠快速、自動(dòng)的獲取待測(cè)目標(biāo)的三維激光掃描數(shù)據(jù)。目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于文物保護(hù)、工業(yè)和制造業(yè)等領(lǐng)域。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于工程質(zhì)量管控是一項(xiàng)全新的應(yīng)用，有著巨大的實(shí)踐價(jià)值和引領(lǐng)示范作用[3]。

2 BIM+三維激光掃描技術(shù)在工程質(zhì)量“預(yù)管控”中的應(yīng)用

通過(guò)三維激光掃描技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和三維重建。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)和BIM技術(shù)相結(jié)合，以“虛實(shí)匹配”的方式，指導(dǎo)復(fù)雜環(huán)境下的專項(xiàng)方案的編制和審核是BIM+三維激光掃描技術(shù)在工程質(zhì)量“預(yù)管控”中的創(chuàng)新應(yīng)用。

這里，以“重慶來(lái)福士廣場(chǎng)”工程為例，就古建筑遺址和結(jié)構(gòu)沖突狀態(tài)下的BIM+三維激光掃描技術(shù)在工程質(zhì)量“預(yù)管控”中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)古建筑遺址，將對(duì)施工的連續(xù)性造成極大的破壞。同時(shí)，也對(duì)工程質(zhì)量管控提出了更苛刻的要求。在“重慶來(lái)福士廣場(chǎng)”工程土方開(kāi)挖中，在現(xiàn)場(chǎng)西北側(cè)發(fā)現(xiàn)了古建筑遺址。經(jīng)文物部門(mén)多次挖掘、鑒定，古建筑遺址不僅包括明代城墻，還包括部分南宋時(shí)期城墻。同時(shí)，古城墻貫穿“重慶來(lái)福士廣場(chǎng)”工程的深基坑，古城墻和地下室結(jié)構(gòu)之間存在嚴(yán)重的空間沖突。考慮到古城墻在文化傳承中的重要性，在地下室結(jié)構(gòu)施工中，如何對(duì)古城墻的完整性進(jìn)行保護(hù)，成為了施工中不可回避的突發(fā)性技術(shù)難題。

經(jīng)文物部門(mén)多次挖掘、鑒定。文物專家要求對(duì)古城墻進(jìn)行整體保護(hù)，不能拆除。針對(duì)這一突發(fā)性技術(shù)難題，原定采用在古城墻外部搭設(shè)部門(mén)腳手架，再利用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、皮尺對(duì)古城墻進(jìn)行整體測(cè)繪。由于古城墻和地下室結(jié)構(gòu)之間交錯(cuò)重疊，采用傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)和測(cè)量方式，不能精準(zhǔn)的反映古城墻和地下室結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系。同時(shí)，“重慶來(lái)福士廣場(chǎng)”工程緊鄰長(zhǎng)江和嘉陵江堤岸，堤岸凹凸不平且和江水之間的落差很大，又正值重慶的雨季，采用傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)和測(cè)量方式，工程人員的安全性也難以保障[4-5]。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，工程人員決定基于三維激光掃描技術(shù)，對(duì)古城墻進(jìn)行整體式掃描，通過(guò)三維重建得到古城墻逆向BIM，進(jìn)而對(duì)比古城墻逆向BIM和地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)BIM之間的空間沖突，形成滿足文物部門(mén)要求的專項(xiàng)方案。具體應(yīng)用過(guò)程如下所示：

數(shù)據(jù)采集前，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘。在全站儀的配合下，獲取控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)。結(jié)合控制點(diǎn)和古城墻的空間分布，確定具體的三維激光掃描站點(diǎn)，圖1所示。為了保證點(diǎn)云質(zhì)量高、數(shù)據(jù)拼接更準(zhǔn)確，測(cè)站間距控制在15m之內(nèi)，對(duì)于特殊位置增設(shè)測(cè)站。

基于以上掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)行測(cè)站無(wú)標(biāo)靶配準(zhǔn)，將測(cè)站數(shù)據(jù)拼接成完整的點(diǎn)云，配準(zhǔn)精度在3.8mm。在Realworks中，進(jìn)行點(diǎn)云分割，去除無(wú)用點(diǎn)和噪點(diǎn)，得到目標(biāo)點(diǎn)云，導(dǎo)出.e57格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在Recape中進(jìn)行點(diǎn)云格式轉(zhuǎn)換，保存為Autodesk標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)云格式.rcp文件，然后導(dǎo)入Revit中進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核與設(shè)計(jì)，如圖2所示。編制形成了如下的專項(xiàng)方案：在地下室結(jié)構(gòu)的外部，做一個(gè)切角。將靠近古城墻的結(jié)構(gòu)柱整體移動(dòng)，并增設(shè)連系梁。同時(shí)，切角外側(cè)增設(shè)結(jié)構(gòu)柱，用以承托上層的道路。最后，將地上區(qū)域和地下室結(jié)構(gòu)相脫離，預(yù)留為古城墻參觀平臺(tái)，如圖3所示。目前，這一專項(xiàng)方案已經(jīng)得到順利實(shí)施，得到政府部門(mén)、文物部門(mén)、業(yè)主單位的一致肯定。

圖1 控制點(diǎn)分布、數(shù)據(jù)采集

圖2 三維重建得到的逆向BIM與設(shè)計(jì)BIM虛實(shí)匹配

3 BIM+三維激光掃描技術(shù)在工程質(zhì)量檢測(cè)分析中的應(yīng)用

這里，以成形實(shí)體檢驗(yàn)分析為例，對(duì)BIM+三維激光掃描技術(shù)在工程質(zhì)量檢測(cè)分析中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

3.1 BIM+三維激光掃描技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工質(zhì)量檢測(cè)分析中的應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工質(zhì)量對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程起著至關(guān)重要的意義。這里，以“天津周大福”工程為例，對(duì)BIM+三維激光掃描技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工質(zhì)量檢測(cè)分析中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

圖4 數(shù)據(jù)采集與點(diǎn)云拼接

在“天津周大福”工程中，基于三維激光掃描技術(shù)，在工廠中對(duì)加工好的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行掃描，并結(jié)合BIM技術(shù)，進(jìn)行構(gòu)件加工質(zhì)量的分析，將潛在的質(zhì)量問(wèn)題、質(zhì)量隱患，在施工前就予以減少乃至消除，避免返廠對(duì)工程質(zhì)量和進(jìn)度的影響。具體應(yīng)用過(guò)程如下所示：將測(cè)站數(shù)據(jù)導(dǎo)入到scene中做有標(biāo)靶拼接，形成整體拼接點(diǎn)云，整體拼接誤差0.45mm，編輯點(diǎn)云，得到目標(biāo)構(gòu)件點(diǎn)云，導(dǎo)出為點(diǎn)云.pts，在Geomagic中打開(kāi)，進(jìn)行最佳擬合和3D比較，得到構(gòu)件整體偏差情況，如圖4、圖5所示。通過(guò)2D比較和注釋，得到構(gòu)件局部細(xì)節(jié)偏差情況[6-7]。

工程實(shí)踐中，依據(jù)《GB50205-2001鋼結(jié)構(gòu)工程工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，對(duì)檢測(cè)分析結(jié)果進(jìn)行量化分析。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工質(zhì)量檢測(cè)分析結(jié)果如表1所示，該批次鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在零件寬度、長(zhǎng)度等2個(gè)主控項(xiàng)目的偏差最大值為2.96mm，控制在3mm以內(nèi)，對(duì)規(guī)范的整體滿足率達(dá)到100%，滿足加工及后序安裝質(zhì)量管控的要求。

表1 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工質(zhì)量檢測(cè)分析結(jié)果

主控項(xiàng)目檢測(cè)分析結(jié)果的最大值(mm)允許偏差(mm)通過(guò)率(%)零件寬度、長(zhǎng)度2.963100

3.2 BIM+三維激光掃描技術(shù)在幕墻安裝前的工程質(zhì)量復(fù)核應(yīng)用

圖5 數(shù)據(jù)分析

圖6 混凝土樓板、鋼結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集

圖7 虛實(shí)匹配后的逆向BIM和設(shè)計(jì)BIM； 幕墻安裝前的復(fù)核分析

對(duì)當(dāng)前成形實(shí)體的工程質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，為后序工序工程質(zhì)量的有效管控夯實(shí)基礎(chǔ)是BIM+三維激光掃描技術(shù)在工程質(zhì)量檢測(cè)分析中的又一創(chuàng)新應(yīng)用。這里，還是以“天津周大福”工程為例，對(duì)BIM+三維激光掃描技術(shù)在幕墻安裝前的工程質(zhì)量復(fù)核應(yīng)用進(jìn)行介紹。

圖8 內(nèi)裝飾鋁板設(shè)計(jì)BIM、現(xiàn)場(chǎng)的成形龍骨

圖9 三維重建后的成形龍骨、虛實(shí)匹配后的逆向BIM和設(shè)計(jì)BIM

在“天津周大福”工程中，在幕墻安裝前基于混凝土樓板、鋼結(jié)構(gòu)的三維激光掃描結(jié)果去復(fù)核幕墻設(shè)計(jì)BIM，通過(guò)對(duì)當(dāng)前成形實(shí)體的工程質(zhì)量進(jìn)行復(fù)核，減少乃至消除后序安裝中的誤差，為后序工序工程質(zhì)量的有效管控夯實(shí)基礎(chǔ)。具體應(yīng)用過(guò)程如下所示：將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入scene軟件中進(jìn)行拼接，拼接誤差0.62mm，如圖6所示。導(dǎo)出.e57目標(biāo)點(diǎn)云，在recape中打開(kāi)保存文件為.rcp格式，便于直接在CAD、Revit以及Navisworks中鏈接點(diǎn)云文件。在Navisworks中將幕墻設(shè)計(jì)模型與土建、鋼結(jié)構(gòu)點(diǎn)云模型進(jìn)行虛實(shí)匹配，如圖7所示，調(diào)整幕墻的碰撞問(wèn)題，優(yōu)化幕墻設(shè)計(jì)，避免造成返工和材料浪費(fèi)[8-9]。

工程實(shí)踐顯示：基于全站儀聯(lián)測(cè)，將混凝土樓板、鋼結(jié)構(gòu)的三維激光掃描結(jié)果和幕墻設(shè)計(jì)BIM進(jìn)行精準(zhǔn)匹配。通過(guò)對(duì)當(dāng)前成形實(shí)體的工程質(zhì)量，尤其是前序工序的垂直度、平整度、尺寸偏差進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，有助于異形幕墻安裝質(zhì)量的精準(zhǔn)管控。

3.3 BIM+三維激光掃描技術(shù)在曲面結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢測(cè)分析中的應(yīng)用

這里，以“大連國(guó)際會(huì)議中心”工程為例，對(duì)BIM+三維激光掃描技術(shù)在曲面結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢測(cè)分析中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

在“大連國(guó)際會(huì)議中心”工程中，內(nèi)裝飾鋁板為復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，鋁板的龍骨也為曲面結(jié)構(gòu)，如圖8所示。同時(shí)，鋁板是在國(guó)外加工完成，再運(yùn)送至國(guó)內(nèi)穿孔，整體周期較長(zhǎng)。因此，鋁板安裝前，需要先獲取龍骨的表面尺寸，再下料并訂購(gòu)鋁板。由于施工工藝復(fù)雜等客觀因素，實(shí)際完工的龍骨的表面尺寸不會(huì)和最初的設(shè)計(jì)完全一致，故無(wú)法直接使用設(shè)計(jì)圖紙作為鋁板的下料依據(jù)[10]。

當(dāng)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)搭設(shè)了腳手架，腳手架需要一個(gè)5人團(tuán)隊(duì)至少3周的工作量，人工測(cè)量還需要至少10天，且又很難保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度。在這一背景下，使用三維激光掃描技術(shù)，用時(shí)3天，完成了所有成形龍骨的三維激光掃描數(shù)據(jù)的采集。具體應(yīng)用過(guò)程如下所示：現(xiàn)場(chǎng)掃描采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行配準(zhǔn)，形成現(xiàn)場(chǎng)龍骨點(diǎn)云模型，通過(guò)對(duì)干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、剔除。對(duì)需要下料區(qū)域進(jìn)行三維重建，并將三維重建結(jié)果導(dǎo)入CAD，即可獲得下料所需要的尺寸依據(jù)，指導(dǎo)鋁板下料，如圖9所示。基于此種方法，確保了工程質(zhì)量和進(jìn)度的順利進(jìn)行，使鋁板設(shè)計(jì)和下料更合理，節(jié)約成本。

4 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)基于激光測(cè)量原理，能夠?qū)Ω鞣N“大型、復(fù)雜、不規(guī)則、非標(biāo)準(zhǔn)”的待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行“非接觸、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)”的采集。在此基礎(chǔ)上，借助后處理平臺(tái)，三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)Υ郎y(cè)目標(biāo)進(jìn)行“檢測(cè)分析”。同時(shí)，通過(guò)和BIM技術(shù)相結(jié)合，能夠以“虛實(shí)匹配”的方式輔助工程質(zhì)量的精準(zhǔn)管控。因此，BIM+三維激光掃描技術(shù)必將成為工程質(zhì)量控制領(lǐng)域極具生命力的研究熱點(diǎn)和應(yīng)用趨勢(shì)。