基于BIM和三維激光掃描技術(shù)的建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)方法研究

趙馨怡 郭 曉

(中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

引言

近年來(lái)，我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展迅猛，隨之而來(lái)的建筑工程質(zhì)量問(wèn)題卻層出不窮。BIM技術(shù)作為一種成熟的信息化技術(shù)手段，可以通過(guò)施工深化設(shè)計(jì)，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，對(duì)施工階段的工程質(zhì)量問(wèn)題提供強(qiáng)有力的管控。然而，BIM技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，往往只能提供設(shè)計(jì)模型或者經(jīng)過(guò)深化設(shè)計(jì)后的模型，其主要目的是反映設(shè)計(jì)意圖，指導(dǎo)施工過(guò)程，實(shí)際的建造效果和工程質(zhì)量，則主要依靠現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行實(shí)測(cè)實(shí)量，實(shí)地檢查后得到。整個(gè)檢查過(guò)程主要依靠人力，效率低下，且難以反映整體的工程施工情況。

因此，采用三維激光掃描技術(shù)反映整體的施工效果，并且通過(guò)將BIM模型和三維點(diǎn)云模型進(jìn)行自動(dòng)對(duì)比，從而得到建筑構(gòu)件及整體的施工偏差，則不失為一種新型的智能化施工質(zhì)量檢測(cè)方法。

1 三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)[1]，是一種非接觸主動(dòng)式快速獲取物體表面三維密集點(diǎn)云的技術(shù)[2]，它主要利用向被測(cè)對(duì)象發(fā)射激光束并接收返回信號(hào)來(lái)獲取被測(cè)物體表面的空間信息[3]。與其他傳統(tǒng)的測(cè)量手段相比，三維激光掃描技術(shù)具有非接觸、高精度、高分辨率、數(shù)據(jù)獲取速度快、數(shù)字化程度高等優(yōu)勢(shì)[4]，可以在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、人力無(wú)法到達(dá)的情況下，獲取大量的被測(cè)目標(biāo)數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量方法的諸多不足。

在建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，可以利用三維激光掃描儀掃描在建工程[5]，快速得到能夠反映其外觀的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 進(jìn)一步，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、抽取、配準(zhǔn)、拼接等處理，得到三維點(diǎn)云模型。相較于反映設(shè)計(jì)意圖的BIM模型，三維點(diǎn)云模型可以清晰而完整地反映建筑物的實(shí)際建造情況。

2 BIM模型與三維點(diǎn)云模型對(duì)比技術(shù)

2.1 整體技術(shù)路線

首先，建立BIM模型并且通過(guò)外業(yè)工作得到施工現(xiàn)場(chǎng)的工程三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 之后，在自主研發(fā)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件中對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到三維點(diǎn)云模型； 進(jìn)一步，將點(diǎn)云模型導(dǎo)入Autodesk Revit軟件，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比算法，進(jìn)行點(diǎn)云模型和BIM模型的對(duì)比，得到對(duì)比報(bào)告； 最終，通過(guò)WebGL技術(shù)，將對(duì)比結(jié)果直觀顯示出來(lái)，為建筑工程的質(zhì)量檢測(cè)結(jié)論提供依據(jù)。

圖1 整體技術(shù)路線

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過(guò)外業(yè)工作得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量巨大，其中包含大量數(shù)據(jù)分析時(shí)不需要的無(wú)效點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理操作，去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)偏差，才能夠保證最終得到的點(diǎn)云模型中數(shù)據(jù)的可靠性。非接觸式點(diǎn)云掃描儀，由于受到鏡頭畸變、圖像處理算法、測(cè)量環(huán)境光線的影響，采集到的數(shù)據(jù)往往含有較多的噪聲點(diǎn)[6]，這里采用自主研發(fā)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行點(diǎn)云粗差剔除以及噪聲抑制，過(guò)濾掉數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)[7]。

在實(shí)際測(cè)量中，經(jīng)常由于遮擋、掃描特性、掃描儀誤差等原因?qū)е卤粶y(cè)建筑物點(diǎn)云中缺失一定的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此采用點(diǎn)云補(bǔ)洞功能對(duì)其進(jìn)行一些的修補(bǔ)。

由于最終要將整體的點(diǎn)云模型與BIM模型進(jìn)行對(duì)比，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。在實(shí)際外業(yè)測(cè)量中，一般情況下會(huì)從不同測(cè)站獲取同一個(gè)被測(cè)建筑物的分塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)，筆者通過(guò)在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件中選取分塊點(diǎn)云間的重合數(shù)據(jù)，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)，最終得到符合質(zhì)量要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。

除了采用自主研發(fā)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理外，目前，市面上常用的三維激光掃描儀，例如FARO、Trimble等，都配套了相應(yīng)的點(diǎn)云處理軟件。主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、平滑、編輯、分類、著色、重構(gòu)、配準(zhǔn)、拼接等數(shù)據(jù)預(yù)處理功能[8]。

2.3 BIM模型與點(diǎn)云模型對(duì)比方法

在得到BIM模型和經(jīng)過(guò)預(yù)處理的點(diǎn)云模型后，對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比。

首先對(duì)兩者的坐標(biāo)系進(jìn)行匹配，便于之后的對(duì)比工作。筆者使用Revit軟件對(duì)兩者的坐標(biāo)系進(jìn)行匹配。Revit會(huì)將點(diǎn)云的世界原點(diǎn)，即(0，0，0)點(diǎn)，放置在Revit項(xiàng)目原點(diǎn)，之后在場(chǎng)地平面中可將該Revit項(xiàng)目原點(diǎn)視為項(xiàng)目基點(diǎn)，同時(shí)可以將點(diǎn)云的北向(0，1，0)與Revit中的“項(xiàng)目北”重合，保持坐標(biāo)系的方向一致。

如果點(diǎn)云模型相對(duì)于點(diǎn)云世界原點(diǎn)的位置，與BIM模型相對(duì)于項(xiàng)目原點(diǎn)的位置不同，則需要通過(guò)設(shè)置插入點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)匹配兩個(gè)模型。

圖2 設(shè)置插入點(diǎn)坐標(biāo)

在將兩個(gè)模型的位置和方向都調(diào)整一致之后，對(duì)模型進(jìn)行對(duì)比。在測(cè)量外業(yè)中進(jìn)行激光掃描時(shí)，激光是擁有發(fā)射點(diǎn)和發(fā)射方向的，在實(shí)際的點(diǎn)云模型中，也包含相應(yīng)的發(fā)射點(diǎn)與發(fā)射方向。因此，在進(jìn)行對(duì)比的過(guò)程中，采取遍歷點(diǎn)云中的每一個(gè)點(diǎn)的方法，獲取點(diǎn)云發(fā)射原點(diǎn)到該點(diǎn)的方向，得出激光發(fā)射方向。進(jìn)一步，在該方向上進(jìn)行一次正向投射，再進(jìn)行一次逆向投射，分別嘗試找到能夠投射到的平面，并計(jì)算相應(yīng)的距離，最終取最短距離作為該點(diǎn)的偏移量。

圖3 點(diǎn)到平面距離計(jì)算示意圖

根據(jù)圖示，可計(jì)算出點(diǎn)到平面最短距離：

進(jìn)一步計(jì)算d2：

除此以外，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，還可以統(tǒng)計(jì)出最大偏移、最小偏移、偏差的平均值、偏差的標(biāo)準(zhǔn)值。如果設(shè)置容許誤差，還可以根據(jù)設(shè)定誤差，計(jì)算得到超出容差的點(diǎn)。

2.4 對(duì)比結(jié)果可視化方法

目前，可用于三維模型展示的工具和方法很多，本研究基于Three.js這一引擎，在瀏覽器中實(shí)現(xiàn)了對(duì)比結(jié)果的可視化。Three.js是一款基于原生WebGL封裝運(yùn)行的三維引擎，它能夠支持在瀏覽器中顯示三維模型，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的可視化，設(shè)置幾何體的材質(zhì)、光源、相機(jī)等。

在本次研究中，筆者通過(guò)改變偏差值不同的點(diǎn)的顏色來(lái)顯示偏差的大小，隨著偏差值從小到大，點(diǎn)的顏色從綠色向黃色、紅色過(guò)渡。同時(shí)，筆者還添加了“鼠標(biāo)操作三維場(chǎng)景旋轉(zhuǎn)縮放”、“相機(jī)位置調(diào)節(jié)”等功能，方便使用者對(duì)模型對(duì)比結(jié)果進(jìn)行查看。最終，生成的模型對(duì)比可視化效果如圖4所示。

圖4 點(diǎn)云與BIM模型對(duì)比結(jié)果可視化

同時(shí)，筆者還生成了相應(yīng)的分析報(bào)告供使用者查看，方便使用者對(duì)比較的結(jié)果有量化的感知。生成分析報(bào)告結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)建筑工程施工與工程設(shè)計(jì)之間的差異，本文提出了通過(guò)三維激光掃描來(lái)進(jìn)行建筑工程質(zhì)量檢測(cè)的思路，并給出了一整套數(shù)據(jù)處理和模型對(duì)比的方法。通過(guò)將掃描得出的現(xiàn)場(chǎng)施工三維點(diǎn)云模型與設(shè)計(jì)用BIM模型進(jìn)行對(duì)比，得到實(shí)際施工的誤差，從而為后續(xù)的工程建設(shè)和深化設(shè)計(jì)提出指導(dǎo)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，該方法具備可操作性，對(duì)比結(jié)果可靠，能夠直觀地向使用者反映現(xiàn)階段施工質(zhì)量。

相較于傳統(tǒng)的三維激光掃描儀，如FARO、Trimble等自帶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，本文研發(fā)軟件的創(chuàng)新點(diǎn)在于：拓展了傳統(tǒng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件的功能，不只拘泥于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單后處理功能，更包括了點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM模型的對(duì)比功能，能夠?yàn)槭┕み^(guò)程提供更為實(shí)際的指導(dǎo)作用。

在后續(xù)的研究中，筆者將進(jìn)一步提升軟件的易用性，并對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算進(jìn)行更加深入的研究。