關于三維掃描技術在裝配式施工過程中可實施方向的探討

孫 進 張仰福

（1.南通理工學院；2.?？诮洕鷮W院）

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，也稱“激光雷達取景技術”。三維掃描儀，采用激光技術只需數(shù)分鐘即可產生詳細三維實體圖像，通過數(shù)百萬彩色點的點云，來實現(xiàn)對現(xiàn)實環(huán)境的數(shù)字化再現(xiàn)。

三維激光掃描技術是相對于正向建模的技術應用，俗稱逆向建模，也就是針對實體或者實景進行掃描，建立三維模型。其作業(yè)流程為點云數(shù)據采集、點云數(shù)據處理、三維模型建立、應用數(shù)據分析。提交的成果可分為二維圖形（各種平、立、剖面圖，等值線圖）和三維圖形（三維高密度點云數(shù)據、三角網格模型等）。

裝配式建筑是將建筑的部分或全部構件在工廠預制完成,然后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場將構件通過可靠的連接方式組裝而建成的房屋。在歐美及日本被稱作產業(yè)化住宅或工業(yè)化住宅。

裝配式建筑施工精度拼接要求高，建筑、安裝一體化設計。對預制構件、現(xiàn)場現(xiàn)澆節(jié)點的管線預留、鋼筋連接的相關尺寸精度要求達到毫米級，而目前大部分預制工廠和施工工地的制作、安裝還是人工作業(yè)，沒有完全機械作業(yè)。而傳統(tǒng)的人工作業(yè)施工精度在厘米級，一旦安裝施工誤差突破厘米級，那么后期的頻繁的調整會累積大量停滯時間，耽誤施工進度。

結合三維掃描技術和BIM 對點云數(shù)據的應用方向，初步思考三維掃描在裝配式施工的應用方向可大致分為VR 應用、技術狀態(tài)分析、三維尺寸量測、檔案記錄四大方面，可提供定期檢查、變形觀測、技術狀態(tài)分析、故障預防等信息。

1 VR 應用

數(shù)字掃描的VR 全景，可以讓人身臨其境，實景展示脫離地域限制，比全景地圖能提供更自由的觀測視點。

2 技術狀態(tài)分析

竣工驗收時對建筑物進行最精密、最完整、最細致的掃描，建立建筑物的實物三維空間模型，可與BIM 模型進行比對，調整BIM 模型，形成三維空間模型數(shù)據庫基礎數(shù)據，并記錄后期變形監(jiān)測的掃描檢測數(shù)據。歷次變形監(jiān)測時的觀測數(shù)據，與三維模型基礎數(shù)據和上次觀測的掃描數(shù)據進行對比，判定建筑物構件三維空間位置是否有明顯的變化，測定其變化值，并可通過色譜的顏色和深度來表達其變化量。例如對建筑施工過程中墻面平整度，地面平整度的檢測，建筑物的平整度直接影響到下一個施工專業(yè)的施工質量及進度和成本，同時對整個建筑的質量有著重要的影響，通過三維掃描技術，我們只需要用幾分鐘時間，便將數(shù)據采集到辦公室，進行快速檢查形成永久的質量檢查文件，并能夠分享給項目的每一個管理人員。此外在在施工管理階段，施工現(xiàn)場錯綜復雜，在施工5D 管理過程中，我們通過三維激光掃描技術，可以把每天獲取現(xiàn)場實際情況，如現(xiàn)場物料，人員，機械等的位置關系，通過點云數(shù)據與BIM 模型連接起來，對場地管理，施工組織規(guī)劃，物流進場計劃，施工進度計劃具有充分的指導意義。

3 三維尺寸量測

為后期裝修階段開展機電管道、水電線路設計碰撞檢查、房間裝修更新改造提供數(shù)據支持。實際施工的尺寸與設計圖紙有偏差，導致竣工圖現(xiàn)已不準確或不完整，需對建筑空間進行測量，可通過三維掃描，對其空間結構進行完整掃描，形成三維模型基礎數(shù)據，通過軟件量取真實空間的三維尺寸信息。如：可以采集計算出實際建筑層高、板厚等構件數(shù)據，為后期裝修階段的更新改造提供數(shù)據依據。機電專業(yè)和裝飾行業(yè)進入施工現(xiàn)場首先進行的第一件事就是對建筑空間進行復測。對于復雜的的機電空間，我們通常采用預制加工來減少現(xiàn)場安裝時間，但前期粗放式施工和設計變更，往往會給我們帶來一些麻煩，我們可以通過三維掃描或者三維數(shù)據庫獲得現(xiàn)場的真實數(shù)據，進行預制加工的設計和安裝，可以大大減少人員成本并且提高施工進度。例如，當所有的機電設備安裝完成之后，必不可少的一定是對設備安裝驗收，這個時候我們就可以把采集的點云數(shù)據和BIM 設計模型進行對比，檢查錯漏，更新BIM 設計模型，使之設計模型成為竣工模型。也可以在裝配式構件生產和現(xiàn)場施工過程中起到關鍵性的指導作用，裝配式建筑有很多大型構件，節(jié)點比較復雜，我們無法在工廠實現(xiàn)拼裝檢查，那么我們可以利用三維激光掃描技術，把預制構件分別進行掃描，逆向建模，作出構件的三維模型，然后再對施工現(xiàn)場已完成的施工部位進行掃描建模，結合BIM 技術，在計算機中進行施工5D 模擬和精度控制。預拼裝合格，我們再把裝配式構件運到施工現(xiàn)場進行安裝作業(yè)。

4 檔案記錄

目前安監(jiān)部門的房屋檔案資料僅局限于圖紙和文字檔案資料，可通過對建筑物進行全方位的三維激光掃描，獲取建筑物的三維數(shù)據信息，將紙質材料升級為三維時空影像數(shù)據，為工程項目的施工測量及數(shù)字化存檔管理探索新的途徑，為后期研究提供精準的數(shù)據。通過三維掃描，可在各施工階段驗收時進行掃描，將建筑的三維信息保存，可檢測建筑空間任意位置三維坐標測量信息，可檢測施工質量的平整度、垂直度，可供后期作為檢測變形，病害巡檢、結構分析的相關依據資料。裝配式建筑施工精度要求高，有利于三維掃描技術的應用。三維數(shù)據模型作為實物的副本保存，為后續(xù)管理提供完整、準確、永久的數(shù)字檔案。后續(xù)可利用具有地理坐標和真實尺寸的三維場景，結合BIM 技術，為后期運營維保管理提供數(shù)據支持。施工單位以點云文件為基礎來保存竣工三維模型，每次維修或變更，施工方均需提提供驗收后的點云文件，并有相應存檔文件。監(jiān)理單位也可以直接拿施工單位的點云數(shù)據，抽樣考核驗收。

通過三維掃描技術在裝配式施工過程中的可實施方向的應用，對建筑技術交底進行VR 應用和三維時空數(shù)據檔案記錄，我們可以整體優(yōu)化施工管理系統(tǒng)，可以提高施工管理效率，避免盲目的施工建設，可以有效的在技術上避免錯誤的出現(xiàn)。對施工現(xiàn)場及構件的三維尺寸量測和技術狀態(tài)分析，我們可以對施工階段進行技術優(yōu)化、人員配置優(yōu)化，相比施工圖紙，我們可以看到明確直觀的施工內容、從而制定合理的施工程序和完整的施工方案，有利于建筑的整體質量、降低建筑成本，從而對建筑單位人員進行合理分配，明確實質工作職責。

目前三維掃描技術在各個領域的應用已然相當成熟，特別是文物保護、古建筑物的修繕，、醫(yī)療等領域的應用。由于BIM 技術的發(fā)展，三維激光掃描技術在施工階段剛開始進行初步應用。17 年至今已在一些大型國企建筑項目開展應用，技術已趨于成熟，如青島膠州灣海底隧道工程、華源豐田創(chuàng)業(yè)中心項目、龍湖地產等項目施工中，三維掃描技術已初步在基坑監(jiān)測、隧道觀測、病害巡檢、墻地面平整度、機電管道改造安裝等業(yè)務中開展了應用探索。在傳統(tǒng)施工中，多達30%的建筑成本是由于返工產生的（平均占項目總成本的5-6%），10%的材料被完全浪費掉了，傳統(tǒng)勞動力的使用效率僅為40-60%。隨著三維掃描、裝配式及BIM 技術的發(fā)展，精益制造、智能施工的加速將會提高建筑質量、加快建筑速度、降低建筑成本，從而整體上提高裝配式施工的經濟效益與社會效益。

本文通過對三維掃描技術在裝配式施工過程中的可實施方向的探討，希望能夠對裝配式建筑的發(fā)展起到一定的借鑒作用，推動建筑行業(yè)向精益建造、智能施工進一步發(fā)展。