三維掃描技術(shù)結(jié)合BIM 在佘山深坑酒店項(xiàng)目的應(yīng)用

何建軍 危 鼎 姚守儼 陳濱津 張 林 王 碩

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

1 項(xiàng)目背景

“松江辰花路二號(hào)地塊”深坑酒店位于上海松江區(qū)天馬山的廢棄采石坑內(nèi)，項(xiàng)目主體建筑設(shè)計(jì)于地質(zhì)深坑內(nèi)，依崖壁建造，總建筑面積55 058 m2，是世界上第一個(gè)在廢石坑里的酒店。

松江佘山一帶風(fēng)景優(yōu)美，自然的山脈風(fēng)光是這一地區(qū)的主要地貌特征。石坑本身就是一個(gè)很具吸引力的自然資源?？由?0m，有一自然湖泊坐落于底部。

酒店主體建筑分為地上部分、地下至水面部分以及水下部分。其中地上建筑2 層(局部帶一層地下室)，高度約10 m;地下至水面建筑共14 層，高度約53.6 m;水下部分建筑2 層，高度約10.4 m;建筑總高度約為74 m。

由于設(shè)計(jì)理念比較獨(dú)特，設(shè)計(jì)中遇到了不少重大挑戰(zhàn)。其中最具挑戰(zhàn)性的問題之一是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。首先，由于安全等因素，巖壁的爆破開挖無法完全實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)造型，人工機(jī)具也無法對堅(jiān)硬的巖石進(jìn)行局部修整。因此，只有對原始方案進(jìn)行局部調(diào)整。由此涉及到多專業(yè)的協(xié)調(diào)修改。其次，方案的深化設(shè)計(jì)需要提供準(zhǔn)確的地貌資料，采用傳統(tǒng)測繪方法已經(jīng)無法滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)精度和工程進(jìn)度的要求。為此，本項(xiàng)目首先采用了目前處理此類問題較為先進(jìn)的三維激光掃描技術(shù)，在極短時(shí)間內(nèi)獲取坑內(nèi)巖面的三維地形，在此基礎(chǔ)上對建筑、結(jié)構(gòu)、暖通等各專業(yè)開展三維協(xié)同設(shè)計(jì)，出色完成預(yù)期目標(biāo)。

2 深坑地貌的三維激光掃描［1］－［3］

三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它利用向被測對象發(fā)射激光束和接收由被測物發(fā)射回的激光信號(hào)獲取被測對象的空間坐標(biāo)信息。上述三維坐標(biāo)信息可導(dǎo)入AutoCAD、Revit、Rhino 等三維軟件進(jìn)行后續(xù)工程設(shè)計(jì)。該技術(shù)可將任何復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境、空間物體進(jìn)行掃描操作，并直接將各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則實(shí)體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù);同時(shí)，它所采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可進(jìn)行各種后處理工作(如:測繪、計(jì)量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實(shí)等)。

2.1 地形掃描

三維激光掃描技術(shù)來自測繪領(lǐng)域，其最基本的應(yīng)用之一就是地形圖繪制。基于掃描的精細(xì)點(diǎn)云可直接生成三維地形模型，并可以自動(dòng)提取等高線。實(shí)現(xiàn)一次測量，同時(shí)可獲取三維及二維數(shù)據(jù)資料。與傳統(tǒng)測繪手段相比，三維激光掃描具有效率高、細(xì)節(jié)豐富、成果形式多樣、智能化、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 佘山深坑原始地貌

圖2 佘山深坑酒店效果圖

本項(xiàng)目測繪采用了天寶TX5 三維激光掃描儀，如圖3 所示。

圖3 三維激光掃描儀

(1)站點(diǎn)選取

項(xiàng)目實(shí)景如圖4 所示。為得到后續(xù)逼真的三維模型，在實(shí)際條件允許的情況下，要盡可能從各個(gè)角度去對實(shí)物進(jìn)行掃描，因此需要合理的選擇站點(diǎn)，每兩個(gè)將進(jìn)行拼接的站點(diǎn)之間至少要有15%以上的重合區(qū)域，且重合區(qū)域要有比較明顯的特點(diǎn)，為后續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接創(chuàng)造條件。針對本項(xiàng)目實(shí)際，在坑內(nèi)中心點(diǎn)附近及上部坑口周邊各布置3 個(gè)站點(diǎn)，通過這6 個(gè)站點(diǎn)的掃描信息可以基本完整的反映深坑的基本特征，站點(diǎn)布置如圖5 所示。

(2)掃描

為獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要對上述6 個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行逐一掃描。首先將三維激光掃描系統(tǒng)放置在所選定的位置上，通過掃描儀自帶軟件識(shí)別并掃描標(biāo)靶、選擇視景范圍(即要掃描的范圍)、掃描精度。完成上述工作后即可開始掃描。在掃描過程中，盡量使掃描區(qū)中無人走動(dòng)，以免造成遮擋。掃描的原始數(shù)據(jù)是對應(yīng)于被測物件表面空間位置的點(diǎn)云。

圖4 施工現(xiàn)場

圖5 站點(diǎn)布置

本項(xiàng)目深坑巖壁垂直高差超過70m，水平跨度超過200m，垂直度接近90°，采用傳統(tǒng)測繪手段存在難度大、周期長、精度低等問題。而三維激光掃描不但提供了快捷的測繪手段，而且連同現(xiàn)場對象的細(xì)節(jié)特征，如顏色信息等都能準(zhǔn)確的保存下來。上述成果完全可以帶回辦公室電腦中進(jìn)行細(xì)化測量、設(shè)計(jì)規(guī)劃、研究計(jì)算、場景仿真等進(jìn)一步應(yīng)用，減少野外數(shù)據(jù)采集的工作量和采集時(shí)間。

2.2 點(diǎn)云處理與三維建模

(1)點(diǎn)云拼接

由于掃描是分站進(jìn)行的，因此為了得到被測對象的完整信息，需要將各站進(jìn)行拼接總裝，如圖6 所示。采集后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過Trimble RealWorks 軟件自動(dòng)選取兩站中3 個(gè)以上同名控制點(diǎn)實(shí)行拼接，拼接完成的數(shù)據(jù)再次利用數(shù)據(jù)融合功能將重合部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸并，以避免數(shù)據(jù)的冗余和不一致。經(jīng)過點(diǎn)云過濾、匹配顏色、多站自動(dòng)拼接，各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)處于統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，但尚未建立與地理坐標(biāo)系的位置關(guān)系，為此還需添加全局控制點(diǎn)。全局控制點(diǎn)的定位使用基站式GPS 接收機(jī)進(jìn)行量測，添加控制點(diǎn)后，通過坐標(biāo)校正將點(diǎn)云數(shù)據(jù)納入統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系下。

(2)去噪處理

由于掃描過程中外界環(huán)境因素對掃描目標(biāo)的阻擋和遮掩，如掃描過程中移動(dòng)的車輛、行人樹木的遮擋，及建筑物本身的反射特性不均勻，導(dǎo)致最終獲取的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)可能包含不穩(wěn)定的點(diǎn)和錯(cuò)誤的點(diǎn)，這些影響將導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)含有偏差。因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接后的預(yù)處理工作，主要是清除一些不正確的數(shù)據(jù)，獲取有效數(shù)據(jù)。只有把這些錯(cuò)誤點(diǎn)和含有偏差的點(diǎn)剔除后，才可繼續(xù)進(jìn)行其它操作，這個(gè)過程稱作點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪。

(3)三維建模

當(dāng)前，基于點(diǎn)云的三維建模方法分為3 種:1)對于常規(guī)幾何體，采用軟件自動(dòng)匹配建模;2)基于GEOMAGIC 多邊形的不規(guī)則曲面建模，如圖7 所示;3)人工手動(dòng)建模。其中，第一種方法只適用于那些與軟件中所包含的常用幾何形體相一致的目標(biāo)實(shí)體組件，對于不能分解為常用幾何形體的目標(biāo)實(shí)體組成部分則是無效的。第三種方法則需要大量的人工勞動(dòng)和建模人員的經(jīng)驗(yàn)。第二種方法是最方便也是最貼近被測物實(shí)際的方法，但由該方法建立的模型數(shù)據(jù)文件龐大，實(shí)用中常采用對不關(guān)心區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格簡化處理以減少對計(jì)算機(jī)資源的占用。

3 三維掃描技術(shù)與BIM 結(jié)合應(yīng)用

3.1 模型整合

因?yàn)楸竟こ桃揽可羁友卤诮ㄔ於?，一反傳統(tǒng)的建筑向天空發(fā)展的概念，酒店主體自然地“掛”在巖壁上。施工現(xiàn)場坑底結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，崖壁不規(guī)則，為實(shí)現(xiàn)坑壁和酒店建筑的完美融合，需要在施工之前把手動(dòng)創(chuàng)建酒店BIM 模型與掃描而得深坑模型進(jìn)行整合，如圖8 所示。確保建筑物結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高與坑底不出現(xiàn)大的真空，主體結(jié)構(gòu)與崖壁不出現(xiàn)構(gòu)件碰撞。

圖6 點(diǎn)云拼接

圖7 采用GEOMAGIC 多邊形網(wǎng)格建模的崖壁模型

圖8 深坑模型與酒店BIM 模型整合

圖9 坑底現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)承臺(tái)位置對比

圖10 某樓梯間建筑方案調(diào)整

3.2 標(biāo)高檢查與碰撞調(diào)整

在本項(xiàng)目中深坑崖壁的開挖采用爆破方式，這種施工方法一方面無法保證開挖成果面精確符合設(shè)計(jì)要求，另一方面，考慮到安全因素，某些范圍不能繼續(xù)爆破，只能對建筑方案、基礎(chǔ)布置做出調(diào)整。爆破成果面與原始基礎(chǔ)承臺(tái)設(shè)計(jì)對比，如圖9-10 所示。

盡管基礎(chǔ)承臺(tái)的調(diào)整僅是些局部調(diào)整，但實(shí)際卻牽涉到建筑、暖通、給排水等其他眾多專業(yè)較大范圍內(nèi)的聯(lián)動(dòng)調(diào)整。這種聯(lián)動(dòng)調(diào)整在傳統(tǒng)二維圖紙上的發(fā)現(xiàn)和表達(dá)都是十分麻煩的事情，然而在本案例中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將業(yè)主、設(shè)計(jì)院以及施工單位集合在一個(gè)會(huì)議室，面對同一個(gè)三維模型開展實(shí)時(shí)審核與設(shè)計(jì)，當(dāng)場解決各專業(yè)的位置擠占、碰撞等問題，在規(guī)范許可的前提下，使各種構(gòu)件、管線盡量能夠整齊緊湊，最大限度地滿足建筑空間要求。從而避免因各專業(yè)管線互相擠占沖突而造成的返工、延誤工期，節(jié)省項(xiàng)目成本。

3.3 復(fù)雜巖石表面基礎(chǔ)擋墻設(shè)計(jì)

基于掃描點(diǎn)云生成的三維模型可以被以任意方式進(jìn)行剖切表現(xiàn)。水平剖切可以產(chǎn)生傳統(tǒng)意義上的各層平面圖，垂直方向的剖切可以輸出剖面圖?；谝陨瞎δ?，設(shè)計(jì)人員首先對原有承臺(tái)與現(xiàn)有巖面的相互關(guān)系進(jìn)行分析，如圖11 所示。

其次，本項(xiàng)目采用“碎石混凝土地基無樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)”，通過砌筑碎石混凝土地基來找平高差較大的坑底巖面。該基礎(chǔ)設(shè)計(jì)遵循以下原則要求:(1)保證放坡構(gòu)造要求;(2)混凝土方量盡量少;(3)基礎(chǔ)外輪廓貼近建筑外形而呈現(xiàn)圓弧狀。根據(jù)上述要求，設(shè)計(jì)人員對初始承臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，如圖12所示。由于原設(shè)計(jì)中相鄰承臺(tái)間水平間距較小，為滿足安全放坡構(gòu)造要求，相鄰承臺(tái)間的垂直落差不能過大，同時(shí)還需兼顧工程混凝土用量，因此上述調(diào)整過程并非單個(gè)承臺(tái)的調(diào)整，而是一個(gè)涉及多因素影響的優(yōu)化過程。為此，三維設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)基于Grasshopper 平臺(tái)，以填筑碎石混凝土用量最少為目標(biāo)變量，以承臺(tái)標(biāo)高為設(shè)計(jì)變量，以承臺(tái)與巖面間距、承臺(tái)之間垂直間距為限值變量，編制了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)之目的，優(yōu)化程序界面如圖所示。

在承臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作結(jié)束之后，還需對因承臺(tái)標(biāo)高抬升而導(dǎo)致建筑等其他專業(yè)的碰撞調(diào)整進(jìn)行解決，此處不再贅述。

3.4 快速土方量計(jì)算

傳統(tǒng)基于有限個(gè)勘測點(diǎn)的土方量計(jì)算方法的精度和效率是比較低的。原因在于:雖然勘測點(diǎn)本身的精度可達(dá)毫米級(jí)，但由于測點(diǎn)數(shù)量有限，測點(diǎn)間間距較大，無測點(diǎn)區(qū)域的數(shù)據(jù)是靠插值或擬合方法得到的，由此產(chǎn)生誤差。此外，傳統(tǒng)測繪方法較為耗時(shí)，且是一種接觸式的測繪手段，對于人力無法到達(dá)的崖壁等區(qū)域測繪難度較大。

三維激光掃描是一種非接觸式測繪方法，測繪精度高、數(shù)據(jù)量大、效率高。以本項(xiàng)目為例，整個(gè)深坑巖面測繪時(shí)間(包括轉(zhuǎn)站)約4h，測點(diǎn)數(shù)量約5 億個(gè)點(diǎn)，精度2mm。

圖11 巖體及擋墻徑向剖面

圖12 承臺(tái)標(biāo)高優(yōu)化調(diào)整

圖13 爆破方量計(jì)算

圖14 碎石混凝土填方量計(jì)算

利用激光掃描獲得的三維地形模型進(jìn)行巖石爆破方量計(jì)算和碎石混凝土基礎(chǔ)填方量計(jì)算都是十分方便和準(zhǔn)確的，如圖13 -14 所示。

與原始地形圖比較的爆破方量:37 937m3(因原始測繪數(shù)據(jù)不完整，此計(jì)算數(shù)據(jù)為估算值，計(jì)算范圍-64m～-4m，酒店所在的半個(gè)坑，僅供參考)。

回填混凝土方量:約12 098m3(僅為擋土墻，不包括基礎(chǔ)承臺(tái))。

4 總結(jié)

掃描技術(shù)對于工程現(xiàn)場最大的好處在于優(yōu)化現(xiàn)場人員的工作方式，三維激光掃描技術(shù)在本工程的應(yīng)用解決了如下工程問題:

(1)精簡現(xiàn)場工作

只需在現(xiàn)場進(jìn)行掃描工作，對比偏差與測量可在后臺(tái)完成，大大減少現(xiàn)場測量時(shí)間和往返現(xiàn)場的次數(shù);

(2)方便施工人員在現(xiàn)場的測量工作

可直接利用點(diǎn)云測量技術(shù)，完成一些費(fèi)力、高危險(xiǎn)部位的測量。測繪結(jié)果詳盡、精度高;

(3)三維成果為后續(xù)細(xì)化測繪、設(shè)計(jì)規(guī)劃、研究計(jì)算、場景仿真提供了基礎(chǔ)

基于三維掃描成果的現(xiàn)場虛擬設(shè)計(jì)讓新的設(shè)計(jì)單元與場景進(jìn)行虛擬結(jié)合，極大提高了設(shè)計(jì)人員對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行審核的工作效率;

(4)完善現(xiàn)場工作人員的溝通方式

相關(guān)問題可以直接在圖像上標(biāo)示，而無需再進(jìn)行紙上記錄;也可直接得到掃描結(jié)果與設(shè)計(jì)模型的偏差，而無需先測量、后對照圖紙、最后確認(rèn)偏差;利用直觀的圖像、視頻甚至轉(zhuǎn)換后的模型與相關(guān)方進(jìn)行溝通，大大縮短現(xiàn)場協(xié)調(diào)周期;

(5)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方式

經(jīng)過數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換后，現(xiàn)場情況可以很完整地以BIM 模型、點(diǎn)云模型的形式在統(tǒng)一集成的信息平臺(tái)中整合，并根據(jù)現(xiàn)場工程師需求開展相關(guān)管理工作。

［1］黃承亮，向娟.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物建模的測量方法研究［J］.城市勘測，2011(1).

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