三維激光掃描技術在地鐵車站土建竣工交付建筑信息模型中的應用*

李 鵬 朱家德 張佳麗 張劍豪 田 蓉 甘英聰

(1.太原軌道交通集團有限公司，030002，太原；2.同濟大學經濟與管理學院，200092，上海；3.太原城市職業技術學院工程經濟系，030027，太原；4.上海城建信息科技有限公司，200131，上海∥第一作者，高級工程師)

三維激光掃描技術是整個三維數據獲取和重構技術體系中的最新技術，實現了從實體進行直接、快速、逆向獲取三維數據，以及對模型的重新構建[1]。BIM(建筑信息模型)是通過BIM技術使用數位化方法建造的準確建筑物虛擬模型[2]。將BIM和所對應的三維激光掃描模型進行對比、轉化、協調，可達到輔助工程質量檢查、快速建模、減少返工等目的[3]。

本文總結的太原市軌道交通2號線(以下簡為“2號線”)項目中三維激光掃描技術與BIM結合的經驗，可為后續同類車站BIM土建主體結構模型創建提供參考。

1 三維激光掃描技術

1.1 應用現狀

三維激光掃描技術又稱為實景復制技術。基于該技術，應用無合作目標激光測距儀與角度測量系統組合的自動化快速測量系統，能對復雜現場和空間被測物體進行快速掃描測量,從而直接獲得激光點所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距和反射強度[4]。三維激光掃描儀可自動存儲并計算獲得點云數據。經過計算機對點云數據的處理，再結合CAD(計算機輔助設計)軟件等進行數據整合，可快速重構出被測物體的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據。

三維激光掃描技術在獲得與現場施工實際保持高度一致的竣工模型過程中有著巨大的優勢,主要體現在：①三維激光掃描獲得的土建及機電構件的空間輪廓模型在導入相應BIM軟件后，可與基于施工圖創建的模型進行比對，具有可視化、易操作的優勢;②三維激光掃描依據成千上萬激光測距點，可獲得每個構件表面的高精度測量數據，準確性極高；③三維激光掃描的數據由計算機進行處理，能最大程度地減少對施工現場的負面影響。

BIM以建筑工程項目的各項相關數據信息作為基礎進行建模，通過數字信息技術來仿真建筑物的真實信息[4],具有可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性五大特點。

三維激光掃描儀掃描施工現場所得的點云數據，經處理后，即可生成能反映施工現場的點云模型。將點云模型與依據施工圖建立的施工圖BIM進行對比，可及時發現二者差別，從而輔助決策。

1.2 應用思路

基于三維激光掃描技術的點云模型能直觀反映出真實的施工情況，為工程檢驗工作提供幫助。在施工過程中：對于與施工圖BIM一致的點云模型數據，可直接進行電子化記錄與數字化存檔，便于后續施工使用；對施工現場已經完成且無法修改的施工內容，點云模型能快速提取現場施工變更信息，反饋給相關主體，幫助其及時對竣工交付模型信息進行一致性調整。

通過實踐三維激光掃描與BIM技術結合的探索應用，總結出三維激光掃描技術與BIM技術在施工階段以及竣工交付階段的結合應用思路，真正實現三維模型的所見(建)即所得。

2 某站的竣工交付BIM

點云模型創建及其應用與土建竣工交付模型的流程如圖1所示。

圖1 點云模型創建及應用與土建竣工交付模型的流程

2.1 項目背景

本文選擇2號線一期工程某站作為掃描的目標站。目標站長約314 m，其標準段寬24.3 m，為換乘站。由于BIM技術較晚應用于2號線，故施工圖BIM與現場實際情況存在一定的差異，既不能作為土建竣工交付的模型，也無法準確指導機電設備的安裝施工。對此，采用三維激光掃描技術，根據工程現場情況建立點云模型。

點云模型與施工圖BIM比對，主要核查該車站柱、梁、板、墻、樓梯等現場構件以及各層結構板開孔情況。因此，三維激光掃描的主要內容為：各層樓板預留孔洞、混凝土上下翻梁及加腋梁、柱位、墻體定位。掃描后最終形成完整的車站主體結構三維點云數據。目標站掃描所用儀器如表1所示。

表1 目標站掃描所用儀器

由于掃描精度要求較高，故使用精度較高的Trimble三維激光掃描儀進行數據采集。

掃描工作過程一般包括掃描計劃定制、外業測量和內業數據處理三個環節。掃描工作完成后，還需根據掃描成果提出針對性的解決方案。

2.2 掃描計劃定制

點云數據采集的流程如圖2所示，包括現場勘查、點云和標靶的數據采集、數據配準等步驟。

圖2 點云數據采集流程

明確掃描任務后，首先必須去現場進行實地考察，確定掃描的基本要素，對掃描困難區域進行處理。其次需要進行實地掃描，根據掃描數據的要求確定儀器架站的位置,進行現場掃描記錄。

2.3 外業測量

2.3.1 架站布設

根據項目所需，應架站在現場通視條件較好位置進行掃描作業。掃描前，現場必須提前布置好建筑坐標系，對平面坐標與高程統一管理。

掃描現場采用自由設站方式，兩站之間需保持連續。目標站現場實地掃描共架設198座測站，其中站廳層設45座，設備層設74座，站臺層設79座。目標站的站臺層測站分布如圖3所示。

圖3 目標站的站臺層掃描儀器架站分布

2.3.2 掃描方案

根據設計的要求，現場測站的掃描儀器采用2 mm@25 m的點云分辨率進行全景掃描作業，并利用標靶或點云進行拼接。拼接誤差控制在2 mm以內。

2.3.3 外業測量操作流程

現場掃描工作獲取的點云數據是整個三維場景構建與可視化的基礎數據，對構建模型的質量有著不可忽視的影響[5]。車站掃描面積較大，因此需要多個測站的掃描數據拼接起來構成完整的模型。在三維激光掃描儀周圍設置標靶，作為后期點云拼接中的連接點和坐標轉換中的控制點。完成掃描后，將所有測站掃描的點云拼接到同一模型中。外業測量的操作流程如圖4所示。

圖4 外業測量操作流程

2.4 內業數據處理

內業數據處理包括數據的導入、數據的配準、降噪等。內業數據處理需通過專業的點云處理軟件。該項目采用Trimble RealWorks點云處理平臺完成點云數據的內業處理。

1)點云數據的導入。首先，原始數據通過掃描儀機身的SD卡(Secure Digital Card)進行拷貝；然后，將數據以FLS格式導入RealWorks軟件；最后，提取點云，即可查看各測站采集的點云數據。

2)點云數據的拼接。只有先把不同測站的掃描數據校準到統一的坐標系統下，才能進行點云模型的重建及數據分析[6]，這個過程稱作“點云數據拼接”。目前主要有標靶拼接、特征點拼接、已知點拼接、點云拼接等方式。目標站采用了標靶拼接和點云拼接的混合拼接方式。圖5是由站臺層點云數據拼接后形成的目標站點云模型。

圖5 拼接后站臺層點云模型

3)點云模型與施工圖BIM比對。完成點云數據拼接形成點云模型后，需要與BIM模型進行比對。基于相同的水平基點及高程的情況下，比對目標站點云模型與施工圖BIM存在的不一致點。

2.5 點云模型的技術難點與比對結果

受環境、方案設計及軟件處理的影響，目標站的點云模型創建及對比遇到以下難點：

1)現場擺放的施工材料多，某些測站不通視，導致點云殘缺；站臺層部分位置存在積水，無法架設測站。

2)精度質量控制跨度過長，難以控制精度；施工材料過多導致噪點過多，不僅后期去噪點工作量巨大，而且影響了最終點云模型的完整度。

3)儀器自身精度誤差雖僅為2 mm，但受現場施工振動影響，實際掃描測量誤差達10～30 mm，影響了最終點云模型的精度。

經比對統計，點云模型與施工圖BIM的結構偏差共存在68處，統計結果界面見圖6。

圖6 目標站的結構偏差比對結果統計界面

2.6 處理方案

對于成果分析比對結果中需進行一致性處理的數據，有6種處理方案。

1)依據最新圖紙完善模型。依據相應的圖紙資料補充完善模型。

2)收集變更資料。以三維激光掃描模型為依據，及時獲取變更資料，并根據變更資料修正模型。

3)根據現場踏勘照片、踏勘記錄修正。針對發生偏差問題，對現場進行踏勘，拍攝相關照片及收集資料，并根據收集資料修改模型。

4)根據點云掃描成果修正。將點云數據轉化為rcp格式并導入Revit軟件中，再根據掃描定位點與依據竣工圖紙創建的Revit竣工交付模型(以下簡稱“Revit模型”)進行對位。完成對位后，根據點云模型與Revit模型匹配程度進行對位工作，并修改Revit模型，使之與現場保持一致。圖7是站臺層點云數據與BIM模型比對界面。

圖7 站臺層點云模型與Revit模型比對界面

5)跟蹤現場解決方案修正。首先，將現場踏勘資料及點云掃描資料形成專題檔案記錄；然后，分析并確定相關主體偏差的原因；之后，根據偏差原因再次進行模型修改，最終形成與現場一致的BIM。

6)無需處理部分。偏差≤20 mm的孔洞屬于允許誤差范圍內，無需對模型進行二次修改。

Revit模型的修正情況統計見表2。

表2 目標站竣工交付模型修正情況

由模型修正情況可知，施工階段應優化管理流程，及時為施工現場提供完整的施工圖紙，減少圖紙變更產生的影響，應加強現場資料管理和質量管理，減少施工誤差。

3 土建交付BIM的成果

基于三維激光掃描技術的土建竣工交付BIM保證了與工程現場的一致性，提高了交付模型的質量，能提供準確的工程信息來輔助驗收部門驗收。通過三維激光掃描，可較為完整地掌握各處的施工偏差及完工形態。

1)通過比對發現，目標站的柱位及墻位施工偏差不大，均在可控范圍內。

2)現場開孔為主要核查對象,通過三維激光掃描發現目標站施工現場存在開孔位置偏差較大現象。經分析，其主要原因為設計圖紙及設計變更問題。因此，應該優化施工現場資料管理，加強施工質量管理。

3)目標站的外業測量耗時1周，內業數據處理耗時2周，與傳統測量相比，其大大縮減了測量的時間，且測量范圍全面、準確度高，大大縮短了數字化竣工交付的周期以及提高了竣工交付質量。

目標站的三維激光掃描成果滿足了現場復核工作的需求，其數字化竣工交付的BIM能支持地鐵的百年運維工作。

4 結語

城市軌道交通項目規模大，參與方多，圖紙變更頻繁，其協同調整和同步溝通非常困難。三維激光掃描應用于土建竣工交付BIM構建中，能保證竣工交付模型與工程現場的一致性，便于機電設備的高精度安裝。

三維激光掃描技術對施工現場環境要求較高，點云模型與BIM模型比對存在技術處理難點。這是影響竣工交付BIM準確性的重要技術因素。城市軌道交通項目如在BIM建模中遇到項目設計及變更資料不完整、梳理收集工作有難度的情況，可基于三維激光掃描技術和BIM技術來創建準確的竣工交付模型，為地鐵的百年運營提供精準的數據支持。