基于BIM的點云數據智能驗收

李少旭

摘要：建筑物施工前，可依據藍圖創建BIM模型，形成建筑物標桿，建筑施工完成后，利用FARO三維掃描儀采集點云數據，利用SCENE軟件處理點云數據，并在PolyWorks軟件中同步比對BIM模型數據與SCENE點云數據，得出建筑物缺陷位置及精確的缺陷尺寸，完成建筑物智能驗收。

關鍵詞：BIM模型;三維掃描儀;點云數據;智能驗收

隨著城市化進程的加快及施工工藝的快速發展，建筑物竣工驗收綠色化也迎來了新的挑戰。現階段，工程建設項目審批制度改革及“多測合一”工作推進，竣工驗收時限縮短，驗收質量要求更高[1]。基于工程高要求的施工精度、嚴格的質量要求，需要信息化的三維掃描+BIM新型驗收方式。三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，是一種新型全自動高精度立體掃描技術，可以深入到任何復雜的現場環境中進行掃描操作[2]。三維掃描技術能實時拾取實體模型的空間坐標并形成點云數據，通過與BIM模型的對比分析，及時了解現場施工情況，對存在定位偏差、變形過大的構件及時采取補救措施。

在施工過程中涉及大量安裝作業，必須對其實體質量進行精準高效地檢測，傳統的竣工驗收測量已無法滿足現代城市管理的要求[3]。BIM技術和三維掃描技術在國內的推廣應用，為建筑的驗收提供了新的檢測手段。可在不影響施工進度情況下準確監測建筑施工情況，通過BIM技術和三維掃描技術相結合，可以形成全新的三維非接觸檢測手段。

1、點云數據采集原理

為保證三維掃描點云數據質量，研究中采用FARO Laser Scanner Focus設備進行掃描工作。Focus是一款高速三維激光掃描儀，能夠在幾分鐘內為復雜的環境和幾何圖形制作出細節豐富的三維圖像。該掃描儀主要包括激光發射器、激光反射鏡、激光自適應聚焦控制單元、光機點自動傳感轉置等。工作方式為非接觸式，通過發射高速激光獲取到物體表面的距離、角度和反射強度，并轉化為可讀取的點云數據。工作時，將紅外線激光束射到旋轉光學鏡的中心，該光學鏡將使激光光束在圍繞掃描環境垂直旋轉的方向上產生偏差，之后，將周圍對象的散射光反射回掃描儀。在測量距離時，三維掃描儀采用相位偏移技術，通過該技術，掃描儀可持續向外投射不同波長的紅外光，當接觸到對象后，會反射回到掃描儀。通過測量紅外線光波的相位偏移，即可準確判斷掃描儀到對象的距離，使用角度編碼器測量Focus的鏡像旋轉和水平旋轉，可以計算各點的x、y、z坐標，并對這些角度進行編碼及記錄。Focus通過測量接收到的激光光束的強度確定捕獲的表面的反射性，淺色表面反射的發射光部分比深色表面的更多，該反射性用于向各個點分配一個對應值。隨后單點測量重復執行，每秒最多可執行百萬次，最終結果可以獲得一個點云，即掃描儀環境的一個三維數據組，每個點云可以由數百萬個掃描點組成。

2、點云數據采集實施

使用三維激光掃描儀進行點云數據采集，主要分為以下兩個步驟：

①儀器固定及參數預設置

將掃描儀的上半部分安裝到三腳架底座沿順時針方向旋轉螺母，在有風條件下，使用重物使三腳架平穩固定，固定完成后使用自動調平功能進行調平。執行掃描項目前，使用SCENE軟件來設置SD卡（包含項目相關信息和設置）。這些數據信息隨后可以傳輸給掃描儀。

②點云數據現場采集

建筑物由于其周圍環境的復雜性，使得數據采集無法通過一個測站獲取一棟建筑物的整體信息[4]。掃描前，應考慮到工作環境以及測站之間的點位可見度布置好測點數目和位置，確定每一站的掃描范圍和重合度，一般兩站點重合度達到百分之二十為宜。另外，采集的每個項目和子項目在創建時都會獲得唯一的內部標識號，在SCENE的后期處理過程中將掃描組合到掃描群集將根據此標識號來進行，而不是基于項目名稱。掃描的默認區域為垂直方向從-60°到90°，水平方向從0°到360°。采集點云數據時，室內設置采集距離為10m，室外為20m。前期如只采集數據，可關閉彩色掃描模式，使采集數據的時間更短，后期對采集到的黑白點云進行渲染，可在內業數據處理部分進行著色。

3、BIM數據導入與點云數據比對分析

在數據采集時，由于人為、周圍環境等其他干擾因素的影響，采集的點云數據不可避免的存在異常點云（噪點），這些點的存在對精度造成了較大影響，因此必須進行降噪處理，研究中，利用SCENE軟件處理點云數據降噪，降噪前，模型會顯示為紅色，降噪后，可進行綠色顯示。

將建筑施工前依據藍圖創建BIM模型做為建筑物標桿，導入Polyworks軟件，觀察BIM模型在各處與點云數據模型各位置的偏差，并導出精確偏差，即可實現建筑物智能驗收。用點對點的方式進行對齊，利用軟件的分析菜單中的點坐標命令，分別檢核點云模型和參考模型的坐標，并利用“精確移動”命令將點云數據和BIM參考模型精確對齊。對齊的參照點每層不少于3個，同時，收斂目標的迭代次數不宜超過50。點云和模型對齊后，使用“3D比較”功能對點云數據與BIM模型的一致性進行檢查，檢查結果可輸出3D圖形及文字報告。能直觀地反映出誤差對建筑的影響，得出建筑物缺陷位置及精確的缺陷尺寸，系統地表示建筑物整體質量。

4、智能驗收應用

鹿港壹號院項目中，園區建筑分別采用全裝配預制混凝土、裝配式混凝土復合墻、輕鋼結構住宅、預制混凝土空心模剪力墻、預制輕混凝土承重凹槽大板等不同的新型建筑結構體系技術。本次基于BIM的點云數據智能驗收應用在6種不同體系后，通過點數據云與BIM模型比對分析發現六個建筑物共計206處未滿足精度要求的施工點，其中52處需進行形變后重施工，104處需要進行微調，50處影響不大可不做調整。智能驗收為工程提供了完整、準確、永久的數字檔案，施工單位以點云文件為基礎來保存竣工三維模型，供各參建方進行無紙化驗收。

5、結束語

三維掃描采集點云數據的智能驗收方式，改善了現場工作人員的工作方式，計算空間信息和對比偏差等工作均移至內業處理，不僅精簡了現場的數據采集工作，同時，大幅減少了費力和高危險部位的測量作業，有效提高了檢測的精準度，這是一種全數檢查方式，可以有效避免抽樣檢測的局限性。針對三維掃描的技術方法、技術精度、技術可行性等方面的研究具有實際的應用意義。

參考文獻

[1]尚金光，張小波，陳超，李成.三維激光掃描點云及其全景技術在“多測合一”中的應用.[J].城市勘測，2020（2）：57-61.

[2]柯維杰，馮成武.三維激光掃描技術在城市建筑竣工測量中的應用研究.[J].科技咨詢，2017，15（33）：62-63.

[3]徐炳前，馬力.三維激光掃描在竣工驗收中的應用[J].城市勘測，2018（5）：129-131.

[4]吳靜，靳奉祥，王健，等.基于三維激光掃描數據的建筑物三維建模[J].測繪工程，2007，16（5）：57-60.

基金項目：本論文為2020年石家莊市科學技術研究與發展計劃項目“基于BIM的點云數據智能驗收”的最終研究成果。項目編號：201230831。

石家莊職業技術學院建筑工程系 河北 石家莊 050081