基于BIM和激光掃描點云技術的智能安裝系統的研究及開發

趙 峰 劉 剛

(1.浙江省建設投資集團有限公司,杭州 310012； 2.浙江省建工集團有限責任公司,杭州 310012)

引言

三維激光掃描技術和BIM技術[1-2]是當前土木工程方向研究的前沿和熱點技術，正逐步應用到工程各個方面。當前有很多學者在BIM技術和三維激光掃描技術的運用上進行探索和實踐，像鄭欣[3]采用BIM聯合三維激光掃描技術，解決水庫大壩基礎開挖、回填等隱蔽工程的測量復核問題； 李小飛[4]等基于三維激光掃描的BIM技術對多項施工方案進行優化，達到了降低工期、減少成本的效果； 孫文[5]等學者將三維激光掃描技術與BIM技術進行結合，綜合兩種技術的優勢，實現文物古建筑修復的正向設計，同時為修復施工和古建筑維護提供技術支持； 韓光達[6]等采用BIM 結合三維激光掃描技術，將其應用在基坑監測中； 闞浩鐘[7]等采用BIM技術與三維激光掃描技術對項目中鋼結構的虛擬預拼裝、現場拼裝三維檢測和焊接收縮變形等進行分析探討； 覃亞偉[8]等以BIM技術和三維激光掃描技術為支撐，提出了質量檢測、虛擬拼裝以及實時監測一體化的工程質量管控方法； 廖羚[9]等將基于BIM 的三維激光掃描及放樣技術等應用到軌道交通站線建設中，取得了良好的效果； 以上研究雖然對BIM技術和三維激光掃描做了大量的探索，但是對基于BIM和激光掃描點云技術的智能安裝系統確卻鮮有報道。

因此，本文基于物聯網技術與BIM技術的融合銜接，采用預先控制、分析研究、模擬演示等多種手段為預制裝配式建筑構件的安裝提供指導，通過三維激光掃描的控制網布設、點云數據采集、點云數據處理，研究實時點云模型與施工BIM模型對比校核，開發基于BIM和物聯網技術的預制裝配式建筑智能施工安裝系統，優化現有管理方法與施工工藝，降低安裝偏差，提高工程質量，更好地發揮了 BIM 的價值，推動智慧建設的美好愿景。

1 智能施工安裝系統研究及開發

1.1 智能施工安裝系統研究

通過物聯網技術與BIM技術融合，采用預先控制、分析研究、模擬演示等多種手段指導預制裝配式建筑構件的安裝。研究基于預制裝配式建筑施工BIM模型的安裝工藝模擬、安裝工作面沖突檢測等BIM可視化模擬技術，開展預制構件的施工虛擬裝配，進行施工工藝和安裝現場布置的三維模擬和安裝數據分析，實現施工場地可視化設備的安裝以及現場設備設施的動態管理和優化，如圖1所示。

圖1 BIM模型及一體化協同平臺工程項目進度管控

利用由產業鏈上游傳遞而來的BIM模型和統一協同管理平臺進行工程項目的管控。通過施工模擬，對不同施工組織策劃方案進行比選，選擇最優場地布置及預制構件進場、堆放的布控方式。同時結合裝配式施工組織設計的方案，對工序之間的穿插進行合理優化，對技術間歇進行規劃，在重點的部位和節點提前進行施工模擬，達到科學地編制施工進度計劃。而后將此進度計劃進行分解，細化到各個階段，計算各階段的物資配備和消耗情況，進一步優化各項資源消耗及場地布置。

1.2 智能施工安裝系統研發框架

BIM技術實現數據的可視化與結構化，物聯網技術實現對工業化建筑大數據的收集、統計和分析。

圖2 智能施工安裝系統實現的方法與技術路線

裝配式建筑施工現場信息管理平臺通過RFID技術及BIM技術實現了對構件的加工、運輸、施工全過程的質量、進度、人員的實時動態監控； 而三維激光掃描技術則實現了物體真實數據的采集，它可以直接得到物體表面的三維空間數據，然后利用點云數據(空間數據)就可以重新構建虛擬的三維物體表面。該建模方法不僅不用接觸實物而且不受物體表面復雜度的干擾，同時又速度快、精度高、真實感強。并且三維激光掃描技術與傳統的三坐標測量儀和掃描儀相比，其具有速度快、精度高、易操作、可移動等特點，它系統的軟硬件可以根據需求進行對應的研發設計，實用性強。同時基于BIM建模的虛擬化施工是在已有三維模型的基礎上，對模型進行參數化定義，以三維可視化的方式反應施工的整個過程和施工各階段的不同情況。BIM建模虛擬化施工技術的運用不僅使得項目管理變得簡單高效，而且極大地降低了施工過程中的風險。

因此，利用三維激光掃描儀探索與研究構件的智能安裝控制要點與施工工藝， 以示范項目為落腳地，以建筑構配件唯一ID關聯設計、生產、運輸、施工等各個階段構配件的編碼，實現對裝配式建筑構件的全過程一體化的智能管理。

1.3 智能施工安裝系統開發應用

利用三維激光掃描儀通過兩次掃描(構件掃描、安裝后掃描)、兩次校驗(尺寸校驗、安裝校驗)和點云模型與BIM模型的對比，探索與研究構件的智能安裝控制要點與施工工藝。系統功能包括：對點云模型的逆向建模、點云模型的查看瀏覽、點云模型數據與施工現場信息平臺的對接、兩次掃描與校驗等功能。利用RFID芯片實現對構件的全過程(生產—運輸—施工—運維)管理及參建各方、各階段的數據/信息互通； 通過對RFID芯片中攜帶的構件信息進行統計和分析，為智能建造的過程提供相應的技術支持和決策支持。

(1)項目管理提供系統管理項目的唯一入口如圖3，通過建立項目，實現對項目的WBS、BIM模型，點云模型的統一管理，為項目各參與方基于BIM進行統計決策分析，打好技術與管理的基礎。

圖3 智能安裝系統登錄頁

圖4 智能安裝系統項目管理

(2)新建項目立項時，如圖5需要具有權限的用戶才能建立，建立時需要輸入項目信息及WBS的分解信息。根據項目特征，按照單項工程、單位工程、樓層建立項目各個單項的WBS節點信息。WBS節點信息如圖6所示。

圖5 項目立項

(3)從點云模型的建立(如圖7所示)、點云模型管理(如圖8所示)與點云模型的查看(如圖9所示)整個三維建模的過程來看，激光掃描數據處理主要可分為以下三個步驟：首先是點云數據的獲取、其次是點云數據的分析處理、最后是三維立體模型的建立。進一步細分可表示為：點云數據的收集、點云數據的配準、點云數據的處理、點云數據的縮減、點云的分層、等高線擬合、建立立體三維模型同時將點云數據導入到Realworks進行處理。

圖6 項目WBS

圖7 點云模型的建立

圖8 點云模型的管理

1)配準

Realwoks自動處理各站掃描的點云數據，通過一定的規則將各站數據進行匹配，自動生成整體模型。

2)點云處理

點云里幾乎包含了所有能掃到的物體，因此需要刪除部分無用的構件，也可以在精度點云足夠密的情況下適當降低點密度。系統統一管理點云模型文件，通過文件方式進行上傳，下載以及查看，系統操作界面如圖9所示。系統的模型查看需要借助本地的Realworks進行查看，下載到本地后，進行點云模型的查看。

圖9 點云模型的查看

3)工廠校驗

三維掃描現場點云真實數據模型與構件BIM模型整合，通過平臺整合，運用相關手段協同對比，得出生產誤差。在構件生產過程中，系統提供統一的構件管理，集合BIM模型實現對構件尺寸的精確復核。構件管理界面如圖10所示。

圖10 工廠校驗構件管理界面

構件導入以后，系統可以直接對接深化設計軟件，實現對構件信息從BIM模型直接導入，操作界面如圖11所示。得到三維掃描數據后，基于三維掃描模型需要復核構件尺寸，通過在Realworks平臺上進行模型的疊加，分析實測實量的數據與設計數據的誤差，結果查看頁面如圖12所示。

圖11 構件導入圖

圖12 工廠構件掃描與校驗

4)現場校驗

三維掃描現場點云真實數據模型與構件BIM模型整合，通過平臺整合，運用相關手段協同對比，分析得出生產誤差。在施工現場通過BIM模型與掃描結果的對比，驗證現場安裝的誤差，提高項目的質量。系統安裝項目WBS實現對BIM模型與三維掃描模型的管理，界面如圖13所示。系統按照WBS節點，在點云模型文件與WBS建立關聯，可以通過WBS節點查看其對應的點云模型，界面如圖14所示。

圖13 BIM模型與點云模型管理

圖14 點云模型

BIM模型與點云模型的對比分析時，系統按照WBS節點，在BIM模型文件與WBS建立關聯，可以通過WBS節點查看其對應的BIM模型如圖15所示，同時其與點云模型的對比界面如圖16所示。

圖15 BIM模型圖

圖16 BIM模型與點云模型對比

5)色差分析

系統按照WBS節點，在BIM模型文件與WBS建立關聯，可以通過WBS節點查看其對應的BIM模型與點云模型的對比，色差界面如圖17所示。

圖17 色差分析

6)系統管理

系統管理為管理員提供組織機構、角色和人員配置和授權的功能，并可以進行系統后臺基本數據和數據庫配置，以及監控系統基本情況。

7)基于物聯網和BIM的進場物資驗收和質量驗收

對進場的所有構件進行掃碼或掃描，然后進行驗收資料的填寫，在平臺中實時更新驗收數據，及時反饋物資驗收結果。在移動端或PC端進行相應進場構件表單的內容填寫，對進場物資驗收結果進行標準化的文字錄入，同時上傳進場物資驗收現場照片，如圖18中所示，其中驗收合格的表單與資料系統數據同步，將進場物資合格表單納入進場物資驗收資料體系； 驗收不合格的表單，根據現場需要，可選擇再次對該批進場物資進行復檢，將復檢結果以同樣的方式納入進場物資驗收資料體系，并控制復檢次數。同理與資料系統對接，將質量驗收相關表單與模型進行關聯，準確定位質量驗收位置和內容，及時傳達質量驗收結果。在移動端或PC端進行掃碼和質量驗收表單的內容填寫，對質量驗收結果進行標準化的文字錄入，同時上傳質量驗收現場照片，并關聯模型構件，如圖19所示，其中驗收合格的表單與資料系統數據同步，將質量合格表單納入質量驗收資料體系； 驗收不合格的表單，根據現場需要，可選擇發起質量檢查記錄后整改，也可選擇直接與資料系統數據同步，將質量不合格表單納入質量驗收資料體系。

圖18 構件驗收實物

圖19 質量驗收實物

8)安裝工藝模擬、安裝工作面沖突檢測等

BIM可視化模擬技術示范工程項目吊裝經過模擬優化后的吊裝方案及分析，分別如圖20、21所示。

圖20 吊裝方案

圖21 吊裝分析

圖22 中加國際學校施工BIM模型

2 工程應用

上虞中加國際學校項目，位于紹興市上虞區濱海新城，以經八路和緯二路交叉點為西南起點向東北展開。學校建設分為兩期，本項目為一期工程，建設用地面積約65畝，總建筑面積約為5萬m2，工程估算投資2.5億元。工程承包模式為EPC+建筑工業化。采用預制構件的部分主要是1#、2#、4#、5#、6#的疊合板和樓梯，預制率20%以上。

通過示范工程項目管理平臺的移動端和WEB端對該系統進行測試，結果表明，該系統的應用優化了現有管理方法與施工工藝，降低了施工中的安裝偏差，提高了工程質量。

3 總結

本文通過將虛擬施工方案放入PC工業化建筑項目管理平臺中，指導現場施工； 采用三維掃描，進行拼裝校核，現場測量后，進行分析總結與持續改進。通過集成基于BIM的虛擬建造技術與基于掃描點云的安裝質量控制技術，優化現有管理方法與施工工藝，實現了虛擬環境下工程施工全過程模擬，是對施工過程精細化的再現。