BIM及三維掃描技術支持下的土方工程測量研究

摘 要：探討BIM及三維激光掃描技術在土方工程測量中的應用，詳細分析三維激光掃描技術的原理、技術路線和具體應用實例，展示該技術在提升測量精度和效率方面的優勢。通過對比正向施工和逆向施工的BIM模型數據，實現對基坑工程施工質量的實時監控與控制，確保施工過程中各項參數均在允許范圍內，證明BIM及三維掃描技術在土方工程測量中的可行性和實用性。

關鍵詞：BIM；三維掃描技術；土方工程；測量

中圖分類號：TU74 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）07-0088-03

0 引言

隨著土方工程項目規模的不斷擴大和復雜度的增加，傳統的測量方法難以滿足高精度和高效率的需求。BIM及三維激光掃描技術作為現代工程測量的先進手段，逐漸被廣泛應用于土方工程測量中。

本研究以廣州市某大型商業綜合體建設項目為例，探討三維激光掃描技術的應用，通過對正作和逆作BIM模型數據的對比分析，實現了基坑工程施工質量的實時監控，確保了施工的安全性和精確度，為類似工程提供了參考和借鑒。

1 三維激光掃描技術優點、原理和技術路線

1.1 三維激光掃描技術的原理

三維激光掃描技術的基本原理是通過激光發射器向目標物體發射激光脈沖，當激光脈沖遇到物體表面時被反射回來，由接收器接收反射信號，并記錄發射和接收之間的時間差，計算出每個點到掃描儀的距離。通過掃描儀的旋轉和激光束的連續發射，可以在短時間內獲取大量的三維坐標點（即點云數據），這些點云數據能夠精確描繪物體的表面特征。

掃描過程中，利用高精度的測距儀、角度測量儀和計算機技術，將點云數據轉換為三維坐標系中的具體位置，形成高分辨率的三維模型。這一過程涉及復雜的光學測量、信號處理和數據計算等多項技術，使得三維激光掃描技術能夠提供高精度的測量結果[1]。

1.2 三維激光掃描技術的技術路線

三維激光掃描技術的技術路線通常包括以下4個步驟：一是現場數據采集。即利用三維激光掃描儀對目標區域進行全方位掃描，獲取高密度的點云數據。二是數據處理。即通過專業軟件對點云數據進行預處理，包括噪聲過濾、點云拼接和坐標轉換等步驟，以提高數據質量。三是三維建模。即將處理后的點云數據轉換為數字三維模型，并根據需要進行細化和優化。四是數據分析和應用。即將三維模型應用于土方工程的設計、施工和監測等各個環節，通過可視化手段輔助工程決策，優化施工方案。這一技術路線強調了數據采集的全面性、處理的精確性和應用的廣泛性，是實現高效、精確土方工程測量的關鍵[2]。

2 應用實例

2.1 工程概況

本研究選取的廣州市某大型商業綜合體建設項目，項目總占地面積約為5萬m2，總建筑面積達到6.5萬m2。該綜合體包括地下3層和地上15層，集商業、辦公、酒店和停車場等多功能于一體。項目的基坑總面積約為7 944 m，設計深度約為14.14 m，總土方量約為12萬m3。

2.2 具體步驟

2.2.1 前期準備工作

2.2.1.1 確定控制點

被測目標通常具有較大體積和復雜結構，因此無法在單個控制點完成所有測量，必須在多個控制點上進行測量。根據項目需求，在踏勘過程中規劃出大致的掃描范圍圖，并根據掃描范圍和掃描設備性能確定控制點的布置，即測站點的布設。在本項目中，共設置了8個測站點，其中3個位于基坑頂部四周，5個位于基坑底部[3]。

2.2.1.2 確定標靶

確保數據拼接時相鄰測站之間有足夠數量的公共點是十分重要的。在確定控制點后，需要合理設計兩個控制點之間的公共點布局，以便后續數據處理。常見的公共點類型包括球形標靶和圓形標靶，它們通常按一定順序排列。在本工程項目中，采用了圓形標靶作為公共點的識別對象。這些圓形標靶在相鄰控制點之間充當了數據拼接的橋梁[4]。

2.2.1.3 要設定掃描儀器參數

本項目使用的設備是徠卡ScanStation P50，這是一款性能卓越的長測程三維激光掃描儀。它能夠粗略估算控制點與被測對象之間的距離，從而設定合適的掃描分辨率和相關技術參數。分辨率的選擇和技術參數的設置直接影響測量的精度和掃描效率。技術人員使用徠卡P50激光掃描儀可以自定義掃描分辨率，對項目重點部位進行精細掃描，從而控制點云密度[5]。詳細參數如表1所示。

2.2.2 外業數據采集

2.2.2.1 要架設儀器與放置標靶

外業數據采集的第一步是架設三維激光掃描儀，并在基坑區域合理放置標靶。首先，選擇基坑周圍的多個位置，確保掃描儀能夠覆蓋整個基坑的范圍，每個位置都需進行水平和垂直方向的校準，以保證掃描儀的穩定性和精度。然后根據預定的測量方案，放置反射標靶和控制點，這些標靶和控制點將作為掃描數據的基準，用于后期的數據對齊和拼接。

2.2.2.2 建立項目

在架設儀器和標靶后，需在掃描軟件中建立一個新項目。項目的建立包括輸入項目的基本信息，如項目名稱、地點、測量日期等，并定義掃描的范圍和目標。接下來，設置各個掃描站點的坐標系和標靶位置，確保每個掃描站點的點云數據能夠無縫拼接。

2.2.2.3 設置掃描參數

在項目建立完成后，需根據基坑的特點和環境條件設置掃描參數，參數包括掃描分辨率、掃描范圍和掃描角度等。掃描分辨率決定了點云數據的精細程度，高分辨率能夠捕捉更多的細節，但會增加數據量和處理時間。掃描范圍需覆蓋整個基坑區域，并根據實際情況調整掃描角度，以確保所有重要區域都能被掃描到。

2.2.2.4 開始掃描

在確認所有設置無誤后，啟動掃描儀進行數據采集。掃描過程中，掃描儀將連續發射激光脈沖，并接收反射信號，記錄每個點的三維坐標。操作人員需實時監控掃描儀的運行狀態，確保掃描過程順利進行。掃描完成后，立即檢查點云數據的完整性和質量，及時發現和解決問題。為了確保數據的安全，每次掃描后應立即備份數據，防止意外丟失。

2.2.2.5 搬站掃描

當單站掃描范圍無法覆蓋整個基坑時，需進行搬站掃描。將掃描儀移至新位置，重新架設并對齊標靶，確保各站點數據的無縫銜接。搬站過程中需注意標靶和控制點的可見性，確保每次掃描數據能夠準確拼接。搬站后的掃描需與前一站點的數據進行重疊，以確保數據的連續性和完整性。通過多站點的掃描，最終獲取全基坑的高密度點云數據，為后續的三維建模和分析提供可靠的數據基礎[6]。

2.2.3 點云數據處理

點云數據處理是將外業采集的原始數據整理、分析和優化，以生成高質量三維模型的關鍵步驟。

將點云數據導入專用軟件進行預處理，包括數據去噪、裁剪和過濾，以去除雜點和無用數據。通過算法自動過濾噪聲點，并手動裁剪邊界模糊的點，提高數據質量。預處理后，進行點云拼接與對齊，利用標靶點和控制點，通過特征點配準算法，將不同站點的數據拼接成完整的點云模型，確保數據的連續性和精度。

對數據進行精細處理與優化，采用高級濾波和平滑技術去除多余細節和噪點，提升模型清晰度和精確度。針對重要結構和特征點，進行手動修正和優化，確保模型準確反映實際情況。對于關鍵部位，可能需補充掃描和數據融合，確保模型的完整性[7]。將處理后的點云數據導入BIM系統，生成可視化三維模型。處理前后的圖像對比如圖1所示。

2.2.4 逆向生成BIM模型

正向生成BIM模型（正作BIM模型）是在設計階段使用Autodesk Revit軟件，根據二維設計圖紙創建三維模型，最終生成BIM模型。逆向生成BIM模型（逆作BIM模型）是在施工階段使用三維激光掃描技術，生成點云數據并從中生成三維模型，經過處理后得到BIM模型。在本項目中，使用徠卡Cyclone點云極速處理軟件生成.rcp文件，然后將該文件導入Autodesk Revit軟件，生成三維模型并進行材質渲染，最終生成基坑工程的BIM模型。逆作BIM模型如圖2所示。

3 應用分析

3.1 施工質量控制

通過對比正向施工和逆向施工的BIM模型數據，可以有效監控基坑工程的施工質量，及時發現并糾正施工中的偏差，確保旋挖灌注樁和內支撐的軸線及標高偏差在允許范圍內，從而實現基坑工程施工質量的實時控制和監管。

在實際應用中，正作和逆作BIM模型的數據對比有助于揭示出細微的誤差和潛在的問題，使得工程團隊能夠迅速采取相應的調整措施。在施工過程中，旋挖灌注樁和內支撐的每一項數據都被精確記錄，并通過BIM系統進行實時監控，以確保每一個施工步驟都在嚴密的控制之下[8]。實際偏差與允許偏差數據如表2所示。

隨著基坑施工的推進，逐步開始的內支撐更換和拆除會導致基坑的抗側剛度發生變化，從而引起基坑內力和位移的改變。通常需要對圍護結構的沉降和水平位移進行監測。在案例工程中使用三維激光掃描技術進行監控。項目在基坑四周共計設計17個點位，用于進行圍護結構的位移與沉降檢測，然后借助逆作BIM模型的方式得到對比數據，進而分析出圍護結構的實際位移或沉降情況。

基坑施工時間越長各點位監測的數據就越大，但從數據的整體角度來看，所有沉降或位移數據皆小于5 mm，此數據證明該案例工程對基坑采取的管理措施具有良好的控制效果，能夠保證整個施工期間的基坑穩定性。

4 結束語

本研究通過對廣州市某大型商業綜合體項目的應用實例，驗證了BIM及三維激光掃描技術在土方工程測量中的有效性。結果顯示，通過正作和逆作BIM模型數據的對比分析，能夠實現基坑工程施工質量的實時監控和管理，確保施工過程中各項參數均在允許范圍內，提高了施工的安全性和精確度。該技術的應用不僅提升了測量效率，還為工程管理和決策提供了科學依據，具有廣泛的推廣和應用價值。

參考文獻

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[3] 吳棟浩.基于無人機航測與三維激光掃描的工程地形測繪技術研究[J].貴州地質，2022，39（03）：300-304.

[4] 朱桂君，趙健，薄冠中，等.BIM技術+三維掃描技術在高邊坡工程施工監控中的實用性研究[J].江蘇建筑，2022（S1）：38-41.

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[8] 楊曉旭.3D掃描測量與BIM技術在大型異形建筑施工中的應用[J].測繪與空間地理信息，2022，45（03）：173-175+179.