三維激光掃描與BIM技術在裝配式建筑全生命周期的應用

蔣媛媛 陳陽 李博元 陳琦 冼傳奇

桂林理工大學/土木與建筑工程學院 廣西 桂林 541000

引言

裝配式建筑是指預先在工廠中制作好建筑構件及相關配件，再運輸到建筑施工現場，通過可靠的連接方式現場裝配安裝而成的建筑。2020年8月28日，住房與城鄉建設部、科技部、工業和信息化部等九個部門聯合印發《關于加快新型建筑工業化發展的若干意見》中明確提出：要大力發展鋼結構建筑、推廣裝配式混凝土建筑，提高建筑工程標準和質量。近年來，裝配式建筑也因其節能、環保、工期短的優點得到了廣泛的推廣應用，但由于裝配式建筑的精度要求，傳統工程建造粗獷、不穩定的建造模式無法滿足基本的建造要求，如在現場裝配過程中，由于構件制作誤差較大，需要多次反復糾偏校正定位，浪費了大量的人力物力。隨著新技術的發展，把以三維激光掃描技術、BIM技術等新技術應用到裝配式建筑的建造過程中，可以進一步提高工程建造的效率，保證工程質量。

1 三維激光掃描測量與BIM技術概述

三維激光掃描技術又稱為實景復制技術，該技術突破單點測量的傳統方法，利用激光測距原理，通過高速激光掃描測量方法，大面積、高分辨率地獲取被測對象表面的高精度三維坐標數據以及大量空間點位信息，可以快速建立高精度（精度可達毫米級）、高分辨率的物體真實三維模型以及數字地形模型，被廣泛應用于建筑物測量、地形測繪、數字城市等多個方面三維數據信息的獲取上。基于三維激光掃描高分辨率以及高精細度的優勢，能最大限度上避免在掃描過程中出現的相位差。

BIM（Building Information Modeling）技術是以計算機輔助設計（CAD）為基礎進行研發的，是一種多維建筑模型信息集成管理技術，是一種基于三維模型的建筑信息協同技術[1]。BIM是以數字化和信息化來展示設計項目所有信息的一種方式，通過設計項目虛擬化建模實現施工質量控制。在BIM模型中，項目管理者可以將建筑設計各個階段的信息進行資源共享和分析。

2 三維激光掃描與BIM集成工作原理

三維激光掃描技術與BIM技術的集成，是指針對設計圖紙正向構建的BIM模型與現場實地情況掃描逆向構建的點云數據模型進行對比分析，通過可視化模型比對，從而直觀地反映出建筑實體和BIM模型之間的整體偏差，達到輔助工程質量檢測、減少返工等目的[2]。

首先利用三維激光掃描采集被測物體的表面數據，得到完整的坐標點云數據即表達物體表面信息的離散的數據點集，這些點集能夠高精度的反映物體表面的三維形態與相對距離等一系列數據信息。對提取的點云數據進行點云分割，去除無用點和噪點，通過最近點迭代法等全局匹配算法得到精確反應物體三維表面的目標點云。在Autodesk ReCap軟件中進行點云數據的格式轉換，保存為Autodesk標準的點云格式.rep文件，然后導入Revit中與通過設計圖紙建立的正向設計BIM模型進行校核與設計[3]。各個環節的聯系通過流程圖形式表達出來，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描與BIM集成工作原理

3 三維激光掃描和BIM技術在裝配式建筑全生命周期的應用

三維激光掃描與BIM技術在裝配式建筑中應用，可快速獲取建筑空間的點云數據，提高建模效率和精確度，實體建筑與BIM建模相結合，以“虛實匹配”的方式，指導裝配式各階段方案的編制和審核[3]。

3.1 設計階段

3.1.1 地形測繪。在傳統的地形作業測繪中，往往存在測繪效率低、作業時間長、采集地理地形數據稀疏等難點；而三維激光掃描集合BIM技術的應用，通過非接觸測量的方式直接對建筑地形進行整體的測量，并獲得大量、連續的地形表面點云信息。將處理后的點云模型導入到BIM軟件中，利用BIM技術進行真實地理地形的三維模型創建，從而形成從采集處理信息到三維模型的構建的完整化工程測量流程，可縮短工期，提高設計前期工作流程效率[4-5]。

3.1.2 土方測量。在獲得建筑位置的地理模型后，傳統的方法計算土方填挖量需要工程人員在開挖前進行測設場地的高程網，等基槽開挖完成后，再進行槽底的高程網測設，取兩次高程的差值來計算挖土方量。傳統測量方法非但不能保證測量準確性，且耗時耗力。三維激光掃描技術的應用，只需在開挖前后對施工場地的地形地貌進行三維掃描，獲取場地點云數據，導入相應BIM軟件，通過對比場地開挖前后的模型差異，即可準確的計算出挖方量和變化量，提高了土方數據的精確度，節省了大量的人力物力，對提高工程測量效率和降低成本具有重大意義[6]。

3.2 預制階段

3.2.1 預制構件。裝配式建筑中預制構件的生產質量對施工現場的構件安裝及整體工程質量都具有關鍵作用。三維激光掃描技術的高精度、高分辨率特點在構件生產的質量控制上能發揮較大價值，通過該技術對構件的測量與正向設計BIM模型校核，能精確測出各類模具與設計模型間的細微差距，實現構件的精準檢測和誤差分析，為構件的檢查和校對提供了標準、高效的方法[7]。

在預制工場對生產好的預制構件進行三維掃描獲取構件三維點云數據（如圖2），建立預制構件三維模型，與正向設計的Revit實體模型對比，檢測預制構件的尺寸標準及預留鋼筋、套筒等是否滿足設計要求，如不滿足則及時對預制構件或設計方案進行優化，做到事前控制。

圖2 三維激光掃描預制混凝土[9]

3.2.2 構件預拼接。裝配式建筑中由于構件是在工程預先制作完成再運輸到現場安裝，因此對現場的安裝精度要求比較高，而依靠現場技術人員和塔吊等大型施工機械的現場組合很難達到毫米級的設計要求[8]。三維激光掃描和BIM技術的應用可以提前建立預制構件和裝配現場的掃描模型，在計算機中進行模擬拼裝，對現場運輸路線、起吊位置、安裝位置提前統籌規劃。通過對施工塔吊、現場環境、預制構件的安裝點進行三維掃描建立三維模型，提前模擬吊裝過程，做出最佳吊裝安裝方案。方案檢測完成后，然后在施工現場進行構件的真實安裝，從而達到預先模擬預先檢測的作用。

3.3 施工階段

3.3.1 構件現場拼接。裝配式建筑預制部件之間的連接在施工過程中至關重要。傳統的預制構件質量評估一般是采用手工檢查和測量的，效率低下且誤差較大[10]。三維激光掃描和BIM技術的應用在提供精確測量數據的同時，能夠起到優化安裝方案，降低成本的作用。首先在構件拼接階段，使用三維激光掃描施工工序情況，進行點云數據處理，導入BIM相關軟件與設計模型對比分析，及時發現現場施工過程中構件安裝和設計位置存在的差異，從而快速反饋現場落實整改，最后再次掃描復核。具體實施過程，如圖3所示。

圖3 激光掃描與BIM技術在構件拼接應用

如圖4所示，現場施工的點云模型與正向設計BIM模型的比對分析，白色部分為三維掃描的點云模型，藍色部分為BIM模型，正逆向模型對比以毫米級精度展示了現場施工產生的拼接誤差；其中水平方向偏差為15mm，超出裝配式結構技術規程要求的豎向構件水平允許偏差10mm要求[11]。借助三維激光掃描和BIM技術可視化展示把施工現場由人工測量容易產生的測量誤差精確到毫米級，提高了裝配式建筑施工質量和減少了現場工作量。

圖4 點云模型與BIM模型對比誤差分析

3.4 運營維護階段

三維激光掃描結合BIM技術應用于建筑施工后的日常維護，利用點云數據在不同時期的得到的點云數據模型與設計BIM模型進行對比，得出建筑物是否產生形變。通過正向逆向模型對比，將設計階段和施工階段結合起來實現高精度的變形監控，及時準確的確定建筑物的建筑變形和質量的變化，相較于傳統垂線法、撓度計等需要人工參與多的測量方法，減少了人工操作和偶然誤差，評價結果精度更高[12]。

4 結束語

本文主要論述了三維激光掃描及BIM技術的結合在裝配式建筑全生命周期的優勢及其應用，并列舉了兩項技術在各個階段中的應用點與應用情況，在以后的研究中將主要針對各階段的工作流程做進一步研究。隨著三維激光掃描和BIM技術結合應用的進一步成熟，將為裝配式建筑完成綠色發展、降本增效等現代化目標起到重要作用。