BIM+三維掃描技術在大型機場施工監測中的應用

陳奕才，蔡慶軍，蔡文浩，盧建文，崔喜瑩

(中國建筑第八工程局有限公司華南分公司，廣東 廣州 510700)

1 BIM+三維掃描技術國內外應用概況

1.1 國外發展現狀

三維激光掃描技術出現于20世紀90年代中期，由激光雷達技術發展而來。利用激光測距原理，通過將激光投射到相應物體，再接收反射的激光，從而快速復建出被測目標的空間點云數據。目前，市面上三維激光掃描分為以下幾種：機載激光掃描系統，主要用于大地測繪等城市級別的測繪工作；地面式激光掃描系統，也是建筑業最常用的儀器，主要用于建筑物外部、主體結構的復測工作；另外還有背包式及手持式激光掃描系統，分別應用于規劃測繪及工業領域。相較而言，歐美發達國家在三維掃描技術上發展成熟，已形成一定規模，當前較為成熟的三維激光掃描儀主要有Trimble TX8和GX200，Leica Scanstation，Optech Real Work。

1.2 國內發展現狀

我國在三維掃描技術上的研究應用起步較晚，隨著國家大力推廣和采用工業4.0技術，激光三維掃描儀也遇到了制造業數字化水平提升的時代機遇。近年來，三維激光掃描在現場勘察、地質災害的調查、室內三維環境重建、古建筑及文物復原等領域都有著積極的應用效果，相信隨著我國高端制造領域水平的提升，三維激光掃描儀有良好的應用前景。

2 工程概況

深圳機場衛星廳及其配套工程位于深圳市寶安區，占地面積16.3萬m2，建筑面積約23.89萬m2。本項目致力打造好管、好看、好用的精品工程，工期緊張、承包范圍廣、節點復雜、質量要求高、平面復雜等成為整個項目實施階段的重難點。特別是對弧形結構行李機房系統、前期大方量土方測量、大跨屋蓋結構變形及主體結構的施工質量控制、施工過程管控尤為重要。

3 三維掃描技術的應用

三維掃描技術在建設工程中的應用原理為基于點云模型特性，在現場主體結構完工后，運用三維掃描儀器分不同測站采集現場主體結構點云，運用專業軟件進行點云處理，得到現場數據，并通過與BIM模型集成、點云幾何數據計算等后期運用分析，得到有利于現場施工的數據模型或報告。

基于大型機場建設工程特點，針對行李系統布置、屋蓋鋼結構變形、大體積土方量測量、主體結構質量控制等方面展開BIM+三維掃描技術應用。

3.1 基于三維掃描的結構尺寸復核

3.1.1技術應用流程

基于三維掃描的結構尺寸復核流程如圖1所示。

圖1 基于三維掃描的結構尺寸復核流程

進行現場坐標點標靶定位，以便后期圓形點云及BIM模型偏差分析。根據現場情況多次采集測站點云數據，后臺利用Realworks合成并整理點云數據，刪除不必要的數據，根據現場標靶點及模型坐標，拼合BIM模型及點云模型。運用Realworks軟件進行結構偏差分析，得出偏差報告、偏差圖等，并運用點云模型進行其他應用。

3.1.2行李系統監測分析

衛星廳項目中央西地下1層為行李機房，為弧形仿清水混凝土結構。結構柱為圓形或橢圓形，采用傳統方法放樣測量難度大、誤差大；行李機房設備眾多，疊層布置機電管線穿插其中，使現場排布空間異常狹小；行李機房弧形結構眾多，深化難度大，采用三維掃描技術輔助行李系統現場結構尺寸復核，測站分布如圖2所示。

圖2 行李系統三維掃描測站分布

通過整體三維掃描地下室，避免GPS及傳統測量的累積誤差，真實還原地下室完工后的狀態，通過點云數據對比BIM模型，反向修改建筑結構BIM模型，使建筑結構模型與現場一致。調整機電模型，避免后期安裝拆改，將點云數據提供給行李系統單位，用以檢查模型與行李系統的碰撞問題，減少現場測量復核帶來的工作量，解決弧線軸線及圓柱現場定位難度大的問題，從而優化管線綜合設計方案，通過平面圖、剖面圖、軸測圖提高深化設計精度，更好地指導現場施工。

3.1.3主體結構質量復核

大型機場主體結構面積大、范圍廣、過程實測實量難度大，本項目指廊局部區域有2層挑高，質量部門實測實量無法檢測驗收挑高區域，傳統測量需搭設架體測量懸空柱及樓板，耗時久，且存在極大的安全隱患，為此項目通過三維掃描點云對比方式進行結構驗收，避免安全隱患，高效完成實測實量工作。

通過整體掃描東北指廊，避免傳統測量手段累積誤差，真實還原東北指廊主體結構完成后的效果，將Revit導出.dwg格式，導入Realworks軟件中，通過模型和點云對比，分析結構水平和垂直位移，通過點云匹配比對分析獲取建筑物整體變形信息，得出結構與模型變形量，輔助質量部門進行結構實測實量及驗收，主體結構尺寸偏差分析如圖3所示。

圖3 主體結構尺寸偏差分析

3.2 基于三維掃描的鋼結構屋蓋變形觀測

3.2.1鋼結構屋蓋變形觀測流程(見圖4)

圖4 基于三維掃描的鋼結構屋蓋變形觀測流程

根據現場施工情況，選取合適站點，對鋼結構進行多角度掃描；集成處理掃描的站點點云，獲得新的鋼結構點云模型；比對鋼結構Tekla模型，分析鋼結構屋蓋變形情況；根據鋼結構模型，運用逆向建模軟件進行逆向建模，形成實體模型；提交金屬屋面、玻璃幕墻的深化設計。

3.2.2鋼結構屋面變形觀測

大型民用機場由于使用功能要求，往往采用大跨度鋼結構屋蓋作為屋面結構。大跨度鋼結構屋蓋施工過程中的受力情況與成型后不同，需考慮結構體系變化，卸載后鋼結構屋蓋變形可能影響圍護結構(金屬屋面、玻璃幕墻)的深化設計及現場施工。為不影響金屬屋面及玻璃幕墻施工，應提供金屬屋面及玻璃幕墻準確的深化設計基礎數據。

當鋼結構屋蓋安裝完成并卸載后，對鋼結構屋蓋進行三維掃描，獲取鋼結構屋蓋現場點云數據。由于鋼結構有防火要求，鋼結構下方有大量防火網，應利用特殊工具快速消除防火網，避免現場其他因素引起鋼結構點云數據誤差，并對比鋼結構Tekla模型，根據可視化鋼結構卸載后的變形狀態，驗證其受力體系變化。

基于鋼結構點云數據偏差，重新構建鋼結構BIM桿件模型，進行金屬屋面及玻璃幕墻深化設計，鋼結構逆向建模如圖5所示。

圖5 鋼結構逆向建模

3.3 基于三維掃描的大體積土方量測量

3.3.1技術應用流程

大體積土方量測量流程如圖6所示。現場選取合適的站點，對土堆多個角度進行掃描，利用Realworks合成并整理點云數據，刪除無效的點云數據后，選擇需測量的基準面，通過軟件計算得到土方相對于基準面的體積。

圖6 大體積土方量測量流程

3.3.2土方量測量

受場地限制，本項目土方共110萬m3，引進三維激光掃描技術精確計算土方，提高效率，通過合理安排運力，消除以往面大地廣測量取點的誤差。

通過現場掃描合成點云，選取點云完善的區域進行處理，選取基準面，通過軟件進行計算，得到點云相對于基準面的詳細數據，從而得到土方量數據，避免用傳統測量方法造成的網格統計誤差，相比于傳統測量速度更快、精度更高。

4 結語

1)通過應用三維掃描技術，減少測量人員的復測工作量，極大地提高工作效率，將掃描后實體結構真實反映在模型中，有利于快速對比分析，實現各單位高效決策，真正體現BIM技術的優勢。

2)對于異形體建筑，BIM+三維掃描技術的優勢已逐步體現，在結合多個軟件的交互應用方面，可實時有效地分析是否滿足設計要求，更直觀高效地確定整體布局形式。目前存在的局限性是各軟件互通處理時間較久、文件較大。

3)實踐表明，三維激光掃描技術適用于大型航站樓復雜結構、復雜環境下大型工程的質量精準分析，對其他各專業有極大幫助，但存在互通性差的問題。