基于BIM和三維激光掃描技術的建設工程質量檢測方法研究

趙馨怡 郭 曉

(中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

引言

近年來，我國建筑行業發展迅猛，隨之而來的建筑工程質量問題卻層出不窮。BIM技術作為一種成熟的信息化技術手段，可以通過施工深化設計，結合虛擬仿真技術，對施工階段的工程質量問題提供強有力的管控。然而，BIM技術在實際應用過程中，往往只能提供設計模型或者經過深化設計后的模型，其主要目的是反映設計意圖，指導施工過程，實際的建造效果和工程質量，則主要依靠現場人員進行實測實量，實地檢查后得到。整個檢查過程主要依靠人力，效率低下，且難以反映整體的工程施工情況。

因此，采用三維激光掃描技術反映整體的施工效果，并且通過將BIM模型和三維點云模型進行自動對比，從而得到建筑構件及整體的施工偏差，則不失為一種新型的智能化施工質量檢測方法。

1 三維激光掃描技術特點

三維激光掃描技術[1]，是一種非接觸主動式快速獲取物體表面三維密集點云的技術[2]，它主要利用向被測對象發射激光束并接收返回信號來獲取被測物體表面的空間信息[3]。與其他傳統的測量手段相比，三維激光掃描技術具有非接觸、高精度、高分辨率、數據獲取速度快、數字化程度高等優勢[4]，可以在現場環境惡劣、人力無法到達的情況下，獲取大量的被測目標數據，在實際應用中能夠彌補傳統測量方法的諸多不足。

在建設工程質量檢測中應用三維激光掃描技術時，可以利用三維激光掃描儀掃描在建工程[5]，快速得到能夠反映其外觀的海量點云數據； 進一步，通過對點云數據的去噪、抽取、配準、拼接等處理，得到三維點云模型。相較于反映設計意圖的BIM模型，三維點云模型可以清晰而完整地反映建筑物的實際建造情況。

2 BIM模型與三維點云模型對比技術

2.1 整體技術路線

首先，建立BIM模型并且通過外業工作得到施工現場的工程三維點云數據； 之后，在自主研發的三維點云數據處理軟件中對點云數據進行預處理，得到三維點云模型； 進一步，將點云模型導入Autodesk Revit軟件，設計數據對比算法，進行點云模型和BIM模型的對比，得到對比報告； 最終，通過WebGL技術，將對比結果直觀顯示出來，為建筑工程的質量檢測結論提供依據。

圖1 整體技術路線

2.2 點云數據預處理

通過外業工作得到的點云數據，數據量巨大，其中包含大量數據分析時不需要的無效點云數據，因此需要對其進行相應的預處理操作，去除點云數據偏差，才能夠保證最終得到的點云模型中數據的可靠性。非接觸式點云掃描儀，由于受到鏡頭畸變、圖像處理算法、測量環境光線的影響，采集到的數據往往含有較多的噪聲點[6]，這里采用自主研發的三維點云數據處理軟件進行點云粗差剔除以及噪聲抑制，過濾掉數據中的噪聲點[7]。

在實際測量中，經常由于遮擋、掃描特性、掃描儀誤差等原因導致被測建筑物點云中缺失一定的點云數據，因此采用點云補洞功能對其進行一些的修補。

由于最終要將整體的點云模型與BIM模型進行對比，因此需要對點云數據進行配準。在實際外業測量中，一般情況下會從不同測站獲取同一個被測建筑物的分塊點云數據，筆者通過在三維點云數據處理軟件中選取分塊點云間的重合數據，進行點云數據的粗配準和精配準，最終得到符合質量要求的點云數據模型。

除了采用自主研發的三維點云數據處理軟件，進行點云數據的預處理外，目前，市面上常用的三維激光掃描儀，例如FARO、Trimble等，都配套了相應的點云處理軟件。主要包括點云數據的去噪、平滑、編輯、分類、著色、重構、配準、拼接等數據預處理功能[8]。

2.3 BIM模型與點云模型對比方法

在得到BIM模型和經過預處理的點云模型后，對兩者進行對比。

首先對兩者的坐標系進行匹配，便于之后的對比工作。筆者使用Revit軟件對兩者的坐標系進行匹配。Revit會將點云的世界原點，即(0，0，0)點，放置在Revit項目原點，之后在場地平面中可將該Revit項目原點視為項目基點，同時可以將點云的北向(0，1，0)與Revit中的“項目北”重合，保持坐標系的方向一致。

如果點云模型相對于點云世界原點的位置，與BIM模型相對于項目原點的位置不同，則需要通過設置插入點坐標來匹配兩個模型。

圖2 設置插入點坐標

在將兩個模型的位置和方向都調整一致之后，對模型進行對比。在測量外業中進行激光掃描時，激光是擁有發射點和發射方向的，在實際的點云模型中，也包含相應的發射點與發射方向。因此，在進行對比的過程中，采取遍歷點云中的每一個點的方法，獲取點云發射原點到該點的方向，得出激光發射方向。進一步，在該方向上進行一次正向投射，再進行一次逆向投射，分別嘗試找到能夠投射到的平面，并計算相應的距離，最終取最短距離作為該點的偏移量。

圖3 點到平面距離計算示意圖

根據圖示，可計算出點到平面最短距離：

進一步計算d2：

除此以外，根據計算結果，還可以統計出最大偏移、最小偏移、偏差的平均值、偏差的標準值。如果設置容許誤差，還可以根據設定誤差，計算得到超出容差的點。

2.4 對比結果可視化方法

目前，可用于三維模型展示的工具和方法很多，本研究基于Three.js這一引擎，在瀏覽器中實現了對比結果的可視化。Three.js是一款基于原生WebGL封裝運行的三維引擎，它能夠支持在瀏覽器中顯示三維模型，實現海量數據的可視化，設置幾何體的材質、光源、相機等。

在本次研究中，筆者通過改變偏差值不同的點的顏色來顯示偏差的大小，隨著偏差值從小到大，點的顏色從綠色向黃色、紅色過渡。同時，筆者還添加了“鼠標操作三維場景旋轉縮放”、“相機位置調節”等功能，方便使用者對模型對比結果進行查看。最終，生成的模型對比可視化效果如圖4所示。

圖4 點云與BIM模型對比結果可視化

同時，筆者還生成了相應的分析報告供使用者查看，方便使用者對比較的結果有量化的感知。生成分析報告結果如圖5所示。

3 結語

針對建筑工程施工與工程設計之間的差異，本文提出了通過三維激光掃描來進行建筑工程質量檢測的思路，并給出了一整套數據處理和模型對比的方法。通過將掃描得出的現場施工三維點云模型與設計用BIM模型進行對比，得到實際施工的誤差，從而為后續的工程建設和深化設計提出指導。經過實踐，該方法具備可操作性，對比結果可靠，能夠直觀地向使用者反映現階段施工質量。

相較于傳統的三維激光掃描儀，如FARO、Trimble等自帶的點云數據處理軟件，本文研發軟件的創新點在于：拓展了傳統點云數據處理軟件的功能，不只拘泥于點云數據的簡單后處理功能，更包括了點云數據與BIM模型的對比功能，能夠為施工過程提供更為實際的指導作用。

在后續的研究中，筆者將進一步提升軟件的易用性，并對海量點云數據的存儲和計算進行更加深入的研究。