基于BIM的裝配式建筑構件質量檢測方法探究

江 蒙 劉建行

（湖北神龍工程測試技術有限公司，湖北武漢 430000）

裝配式建筑采用工廠預制構件，現場標準裝配的施工方式，提升了工程項目的施工效率，保證了建筑項目的質量效益、環境效益。在裝配式建筑施工中，構件質量對建筑整體施工質量具有較大程度影響。《裝配式混凝土建筑設計標準》（GB/T 51231—2016）對裝配式建筑施工質量提出了較高要求，依托BIM技術和3D掃描技術進行構件質量檢測，成為裝配式建筑構件質量控制的重要手段，可實現裝配式建筑構件外觀缺陷的快速、精準檢測。

1 裝配式建筑類型及構件制造優勢

1.1 裝配式建筑類型

裝配式建筑的構件在工廠預制加工，在標準化模板的控制下，預制構件的尺寸規格、質量控制精度較高。

從結構材料來看，裝配式建筑可分為裝配式鋼結構、裝配式鋼筋混凝土結構和裝配式復合材料結構三種形式。

從結構體系來看，除框架結構、框架-剪力墻結構外，筒體結構、剪力墻結構是裝配式建筑結構的重要形式。

現階段，裝配式鋼筋混凝土結構在工程項目中的應用較多，促進了建筑工程的工業化發展。

1.2 裝配式建筑構件制造優勢

相比現澆混凝土施工，裝配式鋼筋混凝土結構的應用具有諸多優勢。裝配式建筑構件生產在工程預制過程中，工程預制構件模板合縫嚴實，避免發生漏漿問題，可保證構件形態、質量的穩定性。構件預制受人為因素、環境因素的干擾較少，生產速度較快，為后期裝配施工創造了有利條件。裝配式鋼筋混凝土采用工程預制構件生產方式，減少了工程施工的噪聲、揚塵污染問題，符合建筑工程節能減排的要求。此外，相比以往現澆施工方式，裝配式構件的預制和裝配施工，改善了施工人員的勞動條件，為施工過程提供了有力保障。

2 基于BIM的裝配式建筑構件質量系統設計

2.1 系統架構

現階段，檢測裝配式構件缺陷的風險后，多采用BIM和3D掃描技術聯合檢測方式。本檢測系統框架以BIM技術作為操作平臺，再組建數據庫文件，對不同來源的預制構件進行檢測分析。在具構件檢測分析中，將檢測系統結構分為數據層、服務層、應用層和感知層。

目前，將系統感知層設置在現場監控端，該層級的監測功能多通過監控設備組成。在實際檢測中，除監測構件的幾何尺寸外，檢測構件的外觀缺陷，當構件不符合標準規范時，在BIM三維模型中進行構件編號的定位管理。

工程項目建設中，從源頭上可實現不達標構件的感知檢測，除構件制造商外，設計單位、施工單位、監理單位均會參與感知層，進行具體構件的感知和實時檢測。系統數據層包含裝配式建筑構件的參數、具體施工參數，在數據檢測中，應建立必要的安全規則，為數據檢測工作提供依據。

系統服務層和應用層的銜接可實現數據的集成和交互，設計單位會與構件預制單位進行意見交互，確保構件的加工質量滿足設計規范要求。針對預制構件不符標準的情況，應進行最低標準的驗算核對，精準控制預制構件的參數[1]。

2.2 系統工作流程

在BIM模型支撐下，通過3D激光掃描技術進行預制構件施工參數和表面缺陷監測時，應按照系統設定的流程開展檢測工作。

（1）工作人員應重視安全規則數據庫的建設。

建設數據庫過程中，在考慮BIM模型參數的基礎上，結合施工檢測標準，確定每個構件的具體檢測項目和檢測規范。通過條形碼對構件檢測項目進行標定，再應對設計參數和檢測標準進行量化處理，并將其存儲在數據庫中，借助標準數據，可為后期具體構件的自動檢測提供對比依據。

（2）控制BIM模型參數調用的具體處理過程。

①完成構件條形碼標定后，需要規范掃描條形碼數據，并對相應數據的屬性進行計算處理，處理后數據通過數據表的形式存儲在數據庫中。

②通過條形碼標定信息開展預制構件屬性檢測時，應對比構件的外觀尺寸，分析構件的表面缺陷。

③構件缺陷風險分析中，應通過最小二乘法，對掃描到的數據進行曲面擬合，隨后開展擬合數據和設計模型表面的比較，通過角度偏差和表面高度偏差，確定具體構件的實際缺陷[2]。

3 BIM技術下裝配式建筑構件質量檢測過程分析

借助BIM技術構建裝配式建筑三維模型，在3D激光掃描技術的支撐下，檢測建筑構件質量缺陷風險，已成為裝配式建筑施工質量控制的重要手段。

3.1 檢測數據采集

裝配式建筑構件質量檢測技術的應用具有較高的專業性，在BIM技術模型中，全面、準確的數據可為構件質量檢測工作的開展創造有利條件。數據采集初期階段，應注意安全規則庫的有效建設，通過分析構件設計值與施工值，判斷兩者誤差是否在標準允許范圍內，以完成預制構件質量檢測。信息時代下，檢測裝配式建筑構件質量檢測數據庫，可為構件自動檢測、對比工作的開展創造有利條件。安全規則數據庫可分為檢測標準、構件設計參數。

直接參數誤差、間接參數誤差是檢測標準誤差的兩種基本形式。

（1）直接參數無須進行幾何運算。

給定預制構件參數允許的誤差范圍后，可通過3D掃描的方式，將構件的施工參數與該參數進行直接對比。在裝配式構件施工中，要求門窗框高、寬等孔洞尺寸的誤差保持在±2 mm以內，此誤差為直接參數誤差。

（2）間接誤差，需要進行復雜的幾何運算。

在標準中規定誤差范圍小于L/750，不超過20 mm，在進行數據對比分析時，應在獲得設計值L后，進行允許誤差的精確計算：

式中：B——允許誤差；cosθ——構件兩端表面擬合曲面的法向量余弦值。

當允許誤差小規定誤差范圍安全閾值時，表示構建的質量滿足設計要求。

3.2 檢測參數獲取

預制裝配式建筑傳統施工模式下，對于預制構件的參數檢測，一般通過鋼尺進行接觸式測量。隨著構件種類、數量的增多，人工測量過程不僅耗費大量的時間，還會出現較大的檢測誤差。基于此，3D激光掃描技術在預制裝配式建筑構件檢測中得到了廣泛應用，具有實景復制的優勢。在實際掃描中，3D激光掃描技術可實現點云數據的自動提取，對建筑內部分構件幾何參數的讀取具有積極作用。

在三維激光掃描中，其數據輸出的格式主要包括ASC、WRL、四邊形網格，這些格式支持對重疊點云自動選取最佳數據和自動裁剪，為后期的數據處理創造了有利條件。對云數據進行處理時，可在法向量自動判斷方式的支撐下，剔除無效數據。通過Geomagic進行點云數據前期處理，進行曲面重構和實體構造等步驟，可獲得相應的三維實體數據。

3.3 檢測參數存儲

預制裝配式建筑構件質量檢測中，需要檢測的數據類型較多，具體的數據監測項目包含預制樓板、預制墻板類構件，且涉及預制梁柱桁架類構件、裝飾構件。在構件檢測中，應對構建的尺寸規格、對角線差、外形等要素進行全面檢測對比。

在安全規則數據庫中，應對檢測構件的歸類分析，并按照結構要求，規范存儲數據。在存儲數據前，需規范開展每個構件名稱、檢測屬性的標定，為后期數據讀取對比奠定基礎。目前，數據標定多采用十進制方式，每個檢測實體和屬性均用兩位十進制碼標定，在標定碼中，最后3位一般被作為預警時的提示信息，可顯示對比依據所屬條款。

3.4 構件參數具體檢測

（1）對比構件外觀參數。

此項檢測內容側重于施工參數與安全規則的對比，多通過二分法進行查找和對比。在數據查找中，應對構建的ID編號、名稱、類型和類型值進行規范排序，在不同編號下進行屬性值檢測，保證預制構件的檢測效果。

（2）重視構建表面缺陷的檢測。

如預制構件表面剝落、裂縫等，檢測缺陷檢測時，應在BIM模型的支撐下，進行點云數據的系統掃描，再通過擬合的方法判斷構件缺陷，局部擬合應關注表面法向量的角度偏差，全局擬合應關注平面間的距離偏差。

（3）計算構建偏差。

構建偏差越大，說明離缺陷邊緣越近。

4 結語

基于BIM技術構建建筑的三維模型，通過3D激光掃描技術開展預制混凝土構件質量檢測，對于裝配式建筑的施工質量具有深刻影響。目前該檢測技術已成為裝配式構件質量檢測技術發展的重要趨勢，從檢測過程來看，該技術可快速檢測預制裝配式建筑構件外觀尺寸、表面缺陷，檢測的結果會通過ID編碼的方式在BIM模型中顯示，對預制構件質量控制具有積極作用，可避免不達標構件進場。基于BIM與3D激光掃描技術的結合，形成了預制混凝土構件質量自動檢測系統，在安全規則數據庫的作用下，構件檢測具有定量化、數據化、信息化的優勢，檢測效率較快，檢測精度較高，可滿足裝配式建筑施工、發展需要。