三維激光掃描與BIM技術在大型交通樞紐改擴建項目中應用

周成益

東部機場集團有限公司 江蘇 南京 210014

在建筑行業，三維激光掃描技術和BIM作為現代信息化發展的重要支撐手段，已在很多工程上相繼使用，受到政府和行業的關注與大力支持。目前三維激光掃描與BIM技術主要在新建工程中有所應用，而在大型交通樞紐改擴建工程中的應用研究不多。本文從大型改擴建項目施工控制的角度出發，結合實際工程案例，探索三維激光掃描技術和BIM技術在大型交通樞紐改擴建施工中的應用價值。

1 三維激光掃描技術的可行性分析

1.1 三維激光掃描技術的特點與優勢

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，它采用非接觸式高速激光掃描測量的方法，以陣列式點云的形式獲取地形或復雜物體表面的三維空間數據。三維激光掃描技術憑借點云掃描，在方法上不僅很靈活，而且還兼具科學性，這也是三維激光掃描技術的優勢所在。掃描所形成的點云模型主要是根據掃描所形成的三維坐標，轉化成相應的圖像數據，來直觀展示掃描的模型結果，不僅具有便攜性、可操作性，同時還具有科學性、準確性。根據所采集的高精度三維點云數據，能夠精確地進行距離量測、逆向建模、結構提取、二次設計等多方面應用。

1.2 三維激光掃描技術的應用價值

大型交通樞紐改擴建項目由于現場環境復雜，如果采用傳統的手段，由人工使用檢測儀器來繪制二維圖紙進行方案的確定，則難以將復雜三維空間的方案設計通過二維圖紙全面反映出來，大大增加了施工方案的確定難度和后期出現方案修改時的成本。而三維激光掃描技術具有非接觸性、可全天候作業、掃描速度快、實時性強、精度高、數據兼容性強[1-2]、全數字化等特點，可完美復制大型改擴建工程項目的現場實景，便于后期通過BIM技術進行方案的確定與優化。

2 BIM技術的可行性分析

對于大型交通樞紐改擴建項目，BIM技術所具有的可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性等特點，能夠在項目施工過程中發揮出最大優勢。在方案的制定上，可提早發現偏差，優化各專業施工材料下料，并運用BIM技術進行放樣，使各專業深化圖紙更符合現場實際，減少現場施工偏差，從而進一步提高施工質量。

3 三維激光掃描與BIM技術的應用思路

大型交通樞紐改擴建項目具有造型奇異、結構復雜、規模龐大、質量要求高、現場施工人員多、涉及專業多、分包多、交叉施工多等特點與難點，所以在前期必須有一個周全的方案。在確定方案時，由于是改擴建工程，故現場已有環境和結構往往較為復雜，同時，已有建筑年限較久，可能存在圖紙不全、不準等問題。在全面考察施工現場的環境后，根據三維激光掃描儀確定掃描的站點位置，保證能夠完全得到現場的掃描點云數據；獲取每一站的點云數據后進行點云處理與拼接，得到完整的現場點云模型；通過點云模型進行逆向BIM建模，形成現場完整的BIM模型；根據BIM模型進行方案的BIM施工模擬與優化，保證每一處的建筑結構設計與其他不同專業間的交叉施工順利進行，對不同方案進行對比與分析，最終確定實施方案。

4 工程應用案例

4.1 工程概況

南京祿口機場作為大型交通樞紐改擴建項目的代表，是國家重點規劃建設的區域性樞紐機場，是長三角世界級機場群重要樞紐。為提升機場T1航站樓安全性等級，整體承載力以及綜合抗震能力，擬進行機場改擴建。此次改擴建工程總建筑面積159 447 m2（新建面積45 708 m2，改造面積113 739 m2），登機橋面積5 201 m2。

4.2 工程難點

本次工程的改造面積很大，約占總面積的2/3。在已有建筑的基礎上進行改造，需要全面了解已有建筑內的結構、構造、設備等準確位置。而本機場始建于1997年，由于施工圖紙不完全以及后期各種原因的一些改動，導致圖紙與現場不符，給改擴建方案的制定帶來一定的困難。

4.3 傳統方法弊端

1）現場勘察工作量巨大，耗時費力。

2）可能存在勘察遺漏、記錄失誤等情況。

3）通過人工測量進行施工圖紙的重繪，受限于現場環境復雜，方案制定時難以考慮周到。

4.4 新方法的應用

4.4.1 獲取點云

本工程屋面規模大，鋼筋混凝土灌注樁分布多，這種情況下采用三維激光掃描技術對現場進行數據采集是可行的。本次使用的是FARO Focus 3D X330地面三維掃激光掃描系統。現場地面較為平整，方便三維激光掃描儀的架設。根據三維激光掃描儀的參數和三維激光掃描儀的作業方法，對外業掃描做出以下要求：每一站點與待掃描的建筑面保持5～20 m距離；設置掃描時間為5 min；對掃描現場進行掃描站點的合理劃分，確保掃描的區域能夠全部覆蓋。在每一站點架設掃描儀進行現場掃描，獲取每一站點的掃描點云（圖1）。

圖1 掃描點云數據

4.4.2 BIM模型創建

選用現階段行業市場選擇最多的Autodesk Revit軟件工具進行逆向三維信息模型創建，可以實現對工程具體施工過程，包括前期方案制定、中期現場施工、后期運維階段的全生命周期的數字化表達，與傳統依賴二維圖紙的表達相比，對改擴建工程的影響會更廣泛和深遠。具體的逆向建模過程可以概括為：建立現場軸網與標高線→比較T1航站樓圖紙與掃描點云模型→分專業將現場的梁、板、柱、墻、屋蓋、機電管線各個系統等在對應的位置畫出→各專業模型合成為整個施工現場BIM模型。

4.5 三維激光掃描技術與BIM技術為機場改擴建帶來的優勢

1）對T1航站樓進行三維激光掃描，其整體和細節都能夠立體化展現。大型機場航站樓改擴建工程是一個非常復雜的非線性系統工程，建筑形式和造型各異，僅靠二維圖紙很難將其表達清楚。掃描的點云模型提供了可視化的思路，具有距離測量的功能，便于設計人員與施工人員互相溝通，確定改造方案。

2）T1航站樓工程涉及的專業與系統很多，設備量巨大，各個領域都有專業的人員，相互間充分配合才能更好地完成項目。一旦在項目施工過程中遇到問題，各個參與方都需要組織起來共同發現原因并解決問題。BIM技術的引入，能夠充分發揮BIM技術模擬性與協調性的特點，提前在BIM模型中模擬真實項目中各參與方間施工交叉協調的問題，施工前即發現問題并能夠給出解決方案。如在機場主體施工前完成行李系統BIM模型的深化與整合，指導混凝土預埋件下吊支撐點數量的優化，很好地解決了電纜橋架、風管等與行李系統的碰撞問題，從而確保檢修凈高與吊頂高度。像這樣的碰撞問題可以通過前期的模型預演進行避讓，使各專業之間在建造前期對會發生的問題進行協調，提供解決方案。

3）在機場改擴建工程中，針對圓柱修補方案，現場利用三維激光掃描得到圓柱掃描模型，確定鋼板下料長度后進行放樣，避免了鋼板下料長度不足與過長現象，減少了二次焊接，保證了圓柱粘鋼加固的施工質量。同時運用BIM技術模擬現場施工，輔助方案交底，完美地解決了這一難題，并且節省直接經濟效益7萬元。

4.6 針對大型改擴建工程的建議

在大型改擴建工程的施工過程中，應用三維激光掃描與BIM技術能夠在安全、經濟、效率三方面發揮其巨大的作用。三維激光掃描技術的外業作業，完美復制施工現場的復雜環境，形成BIM模型，針對現場復雜情況進行施工方案的模擬，發現施工問題并進行深化設計，優化方案，在動工前即考慮可能存在的難題，避免施工后的返工以及方案調整造成的工期延誤、經費增加等情況。

5 結語

南京祿口機場T1航站樓改擴建工程是國家的重大系統工程，不僅有既有建筑的改造，還有新建建筑，這就大大增加了施工的難度和現場條件的協調要求，傳統的施工模式已很難滿足需要。基于此，在實際施工中通過應用新興的三維激光掃描與BIM技術，取得了理想的效果，可為其他類似的大型交通樞紐工程項目提供參考。