基于三維激光掃描的BIM技術(shù)在地下綜合管廊中的應(yīng)用

馬 奔

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450046)

城市地下綜合管廊近幾年在城市建設(shè)中被多次提到，相關(guān)研究也隨之增加，發(fā)展建設(shè)綜合管廊是城市管線建設(shè)的趨勢，能夠有效解決城市建設(shè)和運行管理中存在的問題，節(jié)約土地資源，減少重復(fù)建設(shè)，是保障城市高效運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施。在城市綜合管廊建設(shè)中，既要提速也要提質(zhì)，但是綜合管廊屬于地下工程，具有施工難度大、質(zhì)量驗收困難等特點。三維激光掃描技術(shù)和BIM技術(shù)的引入，為我們提供新的檢測手段，來保證地下綜合管廊建設(shè)的質(zhì)量，同時提供了后期運維管理所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為后續(xù)城市地下綜合管廊建設(shè)提供案例和參照。

1 研究背景

鄭州航空港區(qū)雙鶴湖片區(qū)綜合管廊項目為中原地區(qū)最大的地下管廊工程，建筑面積約3.7×104m2，分地下車庫聯(lián)絡(luò)道、地下綜合管廊、地下商業(yè)、地下車庫呈U型布局，全長6.1 km。其中，支線型管廊長3.1 km，纜線型管廊長3.0 km。支線型管廊采用兩艙式設(shè)計，分設(shè)給排水艙和電力艙；纜線型管廊為一艙式，只有電纜電力艙。地下管廊的截面采用準(zhǔn)矩形。

2 基于三維激光掃描的BIM技術(shù)

三維激光掃描是集結(jié)了光、機(jī)、電和計算機(jī)技術(shù)的高新技術(shù)，主要用于對物體空間形狀、結(jié)構(gòu)及顏色進(jìn)行掃描，以得到物體表面的空間坐標(biāo)，其特點是測量速度快、精度高、使用方便，且得到的測量結(jié)果可直接與多種軟件對接。采用高速激光束掃描測量的方法，快速獲取被測量對象表面的3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)被稱作實景復(fù)制技術(shù)，且能滿足面積大、分辨率高的要求，為快速建立物體的三維模型提供全新的技術(shù)手段[1]。該技術(shù)可有效完整地記錄工程現(xiàn)場復(fù)雜情況，直觀地反映出現(xiàn)場真實的施工情況，通過與設(shè)計模型對比，協(xié)助工程質(zhì)量的檢驗。

BIM技術(shù)是一種多維應(yīng)用的模型信息集成技術(shù)，可以使建設(shè)項目的所有參與方在項目從概念產(chǎn)生到完全拆除的整個生命周期內(nèi)都能夠在模型中操作信息和在信息中操作模型，具有可視化、一體化、參數(shù)化、仿真性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、可出圖性等特點[2]?；谌S激光掃描的BIM技術(shù)是通過把激光掃描所得的模型與創(chuàng)建的BIM模型進(jìn)行比對、轉(zhuǎn)化和協(xié)調(diào)，以此來檢查工程的質(zhì)量，快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建模型，避免返工，為建立準(zhǔn)確的參數(shù)化模型提供了一個全新的思路和方法。它是建筑與信息一體化發(fā)展的前提，是建立從項目規(guī)劃、設(shè)計、施工及竣工階段的全生命周期建筑數(shù)據(jù)集成平臺的基礎(chǔ)，是建筑企業(yè)實現(xiàn)項目精細(xì)化、智能化、集約化重要支柱，是建筑行業(yè)向智能建造、智慧運維的必由之路。在此技術(shù)發(fā)展背景下，雙鶴湖中央公園地下綜合管廊及聯(lián)絡(luò)道在項目交付和試運行階段過程中，利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及BIM技術(shù)對模型的創(chuàng)建，對項目運營維護(hù)階段提供科學(xué)數(shù)據(jù)保障。

3 基于三維激光掃描的BIM技術(shù)在地下綜合管廊中的應(yīng)用

3.1 利用三維激光掃描儀地下管廊的數(shù)據(jù)采集

地下綜合管廊在建成投入使用后，因為是地下工程，檢測難度大，施工質(zhì)量難以把握。本次對綜合管廊的信息數(shù)據(jù)采集也是對施工質(zhì)量的一次檢驗，對管廊施工中的重點及難點部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，與設(shè)計模型進(jìn)行對比分析。

3.1.1 研究思路

見圖1。

圖1 徠卡P30掃描儀流程圖

3.1.2 準(zhǔn)備工作

本次測量采用徠卡 ScanStationP30新一代超高速三維激光掃描儀，來保證測量數(shù)據(jù)的精確性及檢測質(zhì)量。徠卡P30儀器參數(shù)見表1。

圖2 徠卡三維激光掃描儀

表1 徠卡P30三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)

本次測量是針對地下綜合管廊部分重要節(jié)點進(jìn)行測量，測量范圍不大，但要求精度要高，所以徠卡P30完全能滿足本次測量要求。

3.1.3 點云數(shù)據(jù)獲取

依據(jù)徠卡P30三維激光掃描儀的功能特性，對建筑物進(jìn)行掃描時的測量精度和測量效率均能滿足要求。而且三維激光掃描儀配套的Cyclone點云數(shù)據(jù)處理軟件具有點云拼接功能，因此在掃描建筑物前無需布設(shè)控制網(wǎng)，僅需在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置測站，將建筑物數(shù)據(jù)采集完全即可。但是為了各測站數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確拼接，采取布設(shè)標(biāo)靶的方式來輔助點云模型拼接，要求一個測站點與相鄰的兩個測站點至少有3個或3個以上標(biāo)靶重疊[3]。同時為了提高測量精度，要求測站點與被測建筑物之間的距離保持在50 m以內(nèi)。針對以上要求，本文中對所選定的地下聯(lián)絡(luò)道出入口部位按照圖3的方式設(shè)置測站，主要針對其結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為檢驗其施工質(zhì)量，同時也收集其沉降變形的原始數(shù)據(jù)。

選取適合的測站間距是保證掃描質(zhì)量的關(guān)鍵，基于物體表面 3 個(及以上)已知點的配準(zhǔn)法是工程測量上常用的方法，并保證每次掃描至少能包含3個靶標(biāo)的點云信息。只要已知3個點的坐標(biāo)即可完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)點云配準(zhǔn)[4]。測站間距根據(jù)廊道直徑和最大入射角來確定。管廊設(shè)站見圖3。

圖3 管廊設(shè)站示意圖

地下車庫聯(lián)絡(luò)道設(shè)站方式和管廊不同，在交叉口處由于有11個結(jié)構(gòu)柱，也是施工的難點和運維檢測的重點。所以，本文將著重對聯(lián)絡(luò)道交叉口的掃描檢測進(jìn)行分析，測站設(shè)置完成后見圖4。

圖4 聯(lián)絡(luò)道三岔口站點布置圖

設(shè)置掃描參數(shù)為全景掃描加拍照，自動識別標(biāo)靶類型、點間距。掃描完成后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件中來處理。

3.2 點云數(shù)據(jù)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

經(jīng)過已定掃描儀獲取的管廊點云數(shù)據(jù)中包含有噪點等無用信息，這些點云數(shù)據(jù)需進(jìn)行預(yù)處理后才能使用。在掃描鏡頭前方少量范圍內(nèi)一般會產(chǎn)生塵土噪點，通常的處理辦法是直接將其刪除。其余處在地面的一些堆積物、線纜等，采用過濾的方式，保留最低點的算法將其去除。為保證后續(xù)建模的便捷性，還要對點云模型進(jìn)行分割，減少各部件之間點云的連接，而導(dǎo)致建模的不精確。

3.2.2 站點拼接

將外業(yè)測量得到的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件中進(jìn)行點云數(shù)據(jù)拼接，點云數(shù)據(jù)拼接模式主要包括基于標(biāo)靶的拼接、基于特征點的拼接、基于測量點的拼接以及混合拼接等方式[5]。本次掃描測量根據(jù)現(xiàn)場實際情況，分析被測量建筑結(jié)構(gòu)的布置，為了能收集到完整的模型信息，需要多站測量，故采取布設(shè)標(biāo)靶的方式來減少搬站次數(shù)，同時減少點云的拼接誤差。標(biāo)靶布設(shè)的要求是確保相鄰的兩個站點有3個以上的標(biāo)靶重合，且標(biāo)靶錯落有致，沿著廊道軸線方向布設(shè)故采用基于標(biāo)靶拼接的形式通過手動對標(biāo)靶進(jìn)行標(biāo)記編號進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的拼接。拼接精度控制在 2 mm 以內(nèi)。見圖5-圖7。

圖5 聯(lián)絡(luò)道交叉口點云拼接圖

圖6 地下綜合管廊局部點云數(shù)據(jù)

圖7 點云拼接誤差

3.3 模型創(chuàng)建

由點云處理軟件來自動匹配通過激光掃描儀采集的點云數(shù)據(jù)。此法可以應(yīng)用到對因建筑圖紙不全或者使用時間長導(dǎo)致變形的建筑物，進(jìn)行翻修改造時可準(zhǔn)確獲得精準(zhǔn)的目標(biāo)建筑物的信息數(shù)據(jù)，利用掃描所得點云數(shù)據(jù)逆向創(chuàng)建 BIM模型，通過Revit創(chuàng)建的模型可以進(jìn)行參數(shù)化表達(dá)，為后期運行維護(hù)提供所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。建模流程見圖8。

圖8 BIM逆向建模流程

三維激光掃描采集的點云數(shù)據(jù)利用Cyclone軟件中自帶管線自動擬合功能，適用于復(fù)雜的管線建模，再結(jié)合區(qū)域生長的點云擬合方法[6]，后期作相應(yīng)的人工處理，如模型的延伸和對齊、擠壓與延展、管道的拐點角度設(shè)置、異形的建模等，最終得到的 BIM 模型是直接依據(jù)真實工況創(chuàng)建模型，大幅提高建模的速率和模型精度。因此，在工程驗收階段也有廣闊的應(yīng)用前景。見圖9。

圖9 Cyclone點云擬合模型

3.4 成果發(fā)布

以點云模型為基礎(chǔ)，生成線劃圖、測量數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)成果，均可以導(dǎo)出為特定格式，為其他平臺提供支持。除常規(guī)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出外，還可以將點云或創(chuàng)建好的模型發(fā)布為網(wǎng)頁文件，發(fā)布出來的文件可以在 IE 瀏覽器及Leica TruView插件下實現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽和測量等功能。此外，可以把點云模型和Revit模型進(jìn)行對比分析。見圖10。

圖10 點云模型與Revit模型對比

4 結(jié) 語

三維激光掃描儀的高效、精確性、便捷等許多優(yōu)點為建筑行業(yè)反求建筑體量、逆向建模提供了便捷的方法，具有較高的應(yīng)用價值。利用點云模型通過逆向建模手段生成的模型也可以對其賦予信息，使之成為一個可以“生長”的 BIM 模型，進(jìn)而納入 BIM 的多維信息管理中，借助建筑模型對建筑施工進(jìn)行信息化管理。

基于三維激光掃描的逆向建模、點云數(shù)據(jù)處理和海量數(shù)據(jù)協(xié)同管理與 BIM 技術(shù)有機(jī)結(jié)合，解決了現(xiàn)場質(zhì)量跟蹤監(jiān)測、多方數(shù)據(jù)共享并協(xié)同工作及構(gòu)件可視化碰撞檢測等問題，既滿足了現(xiàn)場施工精細(xì)化管理要求，又優(yōu)化了 BIM 信息管理技術(shù)，為建立精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型提供了一個全新的思路和方法。