BIM 與3D 掃描技術(shù)在世界杯體育場(chǎng)項(xiàng)目的綜合應(yīng)用研究

張 健

中國(guó)鐵建國(guó)際集團(tuán)有限公司，北京 100039

BIM 技術(shù)早期由建筑行業(yè)提出，后逐漸拓展到工程建設(shè)全領(lǐng)域[1]。近年來，隨著3D 掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度3D 掃描儀不僅在工業(yè)制造、古跡保護(hù)、法醫(yī)鑒定等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用，也在建筑領(lǐng)域中得到了逐步推廣[2]。總體來看，雖然BIM 技術(shù)和3D 掃描技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)在國(guó)內(nèi)取得了一定發(fā)展，但目前仍舊缺乏能將兩者相互結(jié)合的成功案例。文章基于2022 年卡塔爾世界杯主場(chǎng)館盧賽爾體育場(chǎng)的項(xiàng)目特點(diǎn)及建造模式，構(gòu)建了一套BIM 技術(shù)與3D 掃描技術(shù)應(yīng)用于海外大型體育場(chǎng)項(xiàng)目的方法路徑，為今后世界杯體育場(chǎng)項(xiàng)目的建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

盧賽爾體育場(chǎng)為世界杯主場(chǎng)館，位于卡塔爾首都多哈，將承擔(dān)2022 年世界杯開幕式、半決賽、決賽和閉幕式等重大賽事活動(dòng)[3]。項(xiàng)目占地面積100 萬m2，建筑面積18 萬m2，觀眾容量92500名，是世界上規(guī)模最大和最先進(jìn)的體育場(chǎng)之一。該項(xiàng)目由中國(guó)企業(yè)采用設(shè)計(jì)施工總承包模式承建，合同總額50 億元，是中國(guó)企業(yè)首次承建的世界杯體育場(chǎng)，也是中國(guó)在海外承建的規(guī)模最大的專業(yè)體育場(chǎng)。項(xiàng)目效果如圖1所示。

圖1 盧賽爾體育場(chǎng)效果圖

2 盧賽爾體育場(chǎng)項(xiàng)目BIM 技術(shù)應(yīng)用

2.1 BIM 技術(shù)應(yīng)用概述

作為超大型國(guó)際工程，該項(xiàng)目的BIM 技術(shù)應(yīng)用與國(guó)內(nèi)工程相比有其特殊性。（1）應(yīng)用模式方面。該項(xiàng)目投入BIM 資金近1 億元，實(shí)現(xiàn)了100%正向設(shè)計(jì)，制定了明確的建模標(biāo)準(zhǔn)，由473 個(gè)分專業(yè)模型進(jìn)行出圖、計(jì)量以及設(shè)計(jì)成果的交付和審查。（2）應(yīng)用階段方面。該項(xiàng)目涵蓋規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、施工建造階段、賽時(shí)運(yùn)營(yíng)階段、賽后改建階段的項(xiàng)目全生命周期。（3）應(yīng)用深度方面。該項(xiàng)目招標(biāo)階段提供了模型發(fā)展等級(jí)LOD200 的方案設(shè)計(jì)模型（SD），總承包商在中標(biāo)后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，形成LOD250 的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)模型（RSD），之后由總承包商的設(shè)計(jì)分包建立LOD300的施工圖模型（IFC），再由總承包商的施工分包建立LOD400 的深化設(shè)計(jì)模型（SD），最終的竣工模型（As-Build）將達(dá)到LOD500。

2.2 國(guó)際化BIM 數(shù)據(jù)共享體系

該項(xiàng)目各參與方的BIM 團(tuán)隊(duì)分布于世界各地，故建立高效的數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)非常重要。在建模時(shí)，分別利用Revit工作集、Revit 外部銜接和公共數(shù)據(jù)環(huán)境（CDE），實(shí)現(xiàn)單個(gè)模型內(nèi)部、同專業(yè)不同模型間及不同專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)。綜合運(yùn)用Drop Box、Share Point、Project Wise 和Revit Server 等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)解決遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享問題，利用本地服務(wù)器（Local Network Server）解決項(xiàng)目部本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸問題，構(gòu)建覆蓋全球的全方位數(shù)據(jù)共享解決方案。

2.3 國(guó)際化BIM 軟件平臺(tái)體系

BIM 技術(shù)的運(yùn)用要配備足夠的硬件設(shè)備，更重要的是要針對(duì)不同的需求選擇合適的軟件平臺(tái)[4]。結(jié)合各軟件平臺(tái)的特點(diǎn)，該項(xiàng)目選用了30 余款國(guó)際主流的建模軟件、專業(yè)分析軟件和BIM 平臺(tái)。以Autodesk 的系列產(chǎn)品為主，主要建模軟件為Revit、Midas 和Tekla，模型整合軟件為NavisWorks，施工現(xiàn)場(chǎng)BIM 軟件為BIM 360 Field，文檔共享平臺(tái)為Project Wise。此外，還包括3D 激光掃描數(shù)據(jù)處理軟件SCENE 和Recap 等。

2.4 國(guó)際化BIM 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

海外項(xiàng)目的特點(diǎn)決定了該項(xiàng)目必須采用國(guó)際化的BIM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。結(jié)合業(yè)主的要求，該項(xiàng)目采用了成熟的英標(biāo)與美標(biāo)，主要包括美國(guó)和加拿大建筑規(guī)范協(xié)會(huì)的Master Format 2014 和CSI Uniformat 2010、 美 國(guó)BIM Forum的Level of Development 2014、Building SMART 的IFC 2×3 以及英國(guó)皇家特許測(cè)量師學(xué)會(huì)的NRM2 等。

3 盧賽爾體育場(chǎng)項(xiàng)目3D 掃描技術(shù)應(yīng)用

3.1 3D 掃描技術(shù)應(yīng)用概述

該項(xiàng)目選用FAROS350 高精度3D 激光掃描儀，在施工精度控制、進(jìn)度監(jiān)控、模型生成、工程計(jì)量和竣工記錄等領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用，對(duì)加快項(xiàng)目進(jìn)度、提高施工質(zhì)量和降低項(xiàng)目成本起到了關(guān)鍵作用。

3.2 地形測(cè)繪和堆料體積計(jì)算

運(yùn)用3D 掃描技術(shù)對(duì)大場(chǎng)區(qū)地形進(jìn)行快速測(cè)繪，獲取任意點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其效率遠(yuǎn)超全站儀等傳統(tǒng)測(cè)量工具。同時(shí)，通過對(duì)砂石等堆料進(jìn)行掃描，再通過軟件進(jìn)行分析后可自動(dòng)計(jì)算體積，大幅度提高了工程量計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性。3D 掃描用于計(jì)算堆料體積如圖2 所示。

圖2 堆料掃描點(diǎn)云圖

3.3 施工進(jìn)度監(jiān)控與工程竣工數(shù)字化移交

利用3D 掃描技術(shù)可以對(duì)整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)度監(jiān)控和過程的記錄，而且掃描數(shù)據(jù)合成后，可以在軟件中瀏覽任意掃描儀架設(shè)位置的點(diǎn)云圖像和高清影像。。項(xiàng)目竣工后，項(xiàng)目部將對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行全面掃描，并將掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后創(chuàng)建整個(gè)項(xiàng)目的數(shù)字化交付物，為業(yè)主之后的運(yùn)營(yíng)維護(hù)、設(shè)備管理和空間管理等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這將有助于減少建筑的全生命周期成本。大場(chǎng)區(qū)3D 掃描點(diǎn)云用于施工進(jìn)度監(jiān)控圖如圖3 所示。

圖3 大場(chǎng)區(qū)3D 掃描點(diǎn)云用于施工進(jìn)度監(jiān)控圖

3.4 鋼結(jié)構(gòu)虛擬預(yù)拼裝

在鋼結(jié)構(gòu)整體安裝或各構(gòu)件的焊接過程中，項(xiàng)目部將未完成構(gòu)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在已完成構(gòu)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中進(jìn)行虛擬預(yù)拼裝，檢查是否存在沖突或碰撞。通過虛擬預(yù)拼裝可提前發(fā)現(xiàn)和解決拼裝過程中的困難和問題，提高拼裝質(zhì)量并加快拼裝進(jìn)度。

4 BIM 技術(shù)與3D 掃描技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

4.1 鋼結(jié)構(gòu)卸載監(jiān)測(cè)

該項(xiàng)目創(chuàng)造性地將高精度3D 掃描技術(shù)用于卸載過程監(jiān)測(cè)，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)要求，快速對(duì)卸載前后整個(gè)體育場(chǎng)的三維空間進(jìn)行重構(gòu)，利用Navisworks 將3D 掃描點(diǎn)云與BIM 模型進(jìn)行可視化比對(duì)，得到卸載前后任意節(jié)點(diǎn)的位移量，再選取重點(diǎn)部位與理論位移量進(jìn)行對(duì)比后可迅速而準(zhǔn)確地判斷是否超限。利用3D 掃描技術(shù)進(jìn)行卸載監(jiān)測(cè)所用到的主要硬件為掃描儀和電腦，軟件主要為SCENE、Midas、Revit 和Navisworks。

4.2 施工精度控制

在進(jìn)行體育場(chǎng)“V”形支撐柱和受壓環(huán)梁等大型鋼結(jié)構(gòu)的安裝前，通過對(duì)已安裝構(gòu)件進(jìn)行掃描，再將獲得的實(shí)際掃描數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，即可對(duì)施工誤差進(jìn)行有效控制，還可據(jù)此對(duì)待安裝構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。同時(shí)，項(xiàng)目部利用3D 掃描儀在鋼結(jié)構(gòu)焊接精度控制、預(yù)制看臺(tái)板吊裝精度控制以及現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工精度控制等方面進(jìn)行了廣泛的運(yùn)用。

5 結(jié)束語

隨著中國(guó)企業(yè)“走出去”的加快以及現(xiàn)代化體育場(chǎng)建筑的不斷發(fā)展，BIM 技術(shù)與3D 掃描技術(shù)將在該類項(xiàng)目中得到越來越廣泛的應(yīng)用。盧賽爾體育場(chǎng)項(xiàng)目對(duì)兩者相互結(jié)合進(jìn)行綜合應(yīng)用的探索和實(shí)踐，不僅為項(xiàng)目實(shí)施創(chuàng)造了巨大價(jià)值，更填補(bǔ)了我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的空白，為今后同類項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。