三維激光掃描與BIM技術(shù)在盾構(gòu)隧道施工中的融合應(yīng)用

葉越勝，吳 佩，陳孝哲

（1、廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州510335；2、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州510500）

0 引言

為提高軌道交通建設(shè)信息化和項目管理水平，促進(jìn)BIM 技術(shù)在軌道交通建設(shè)階段的應(yīng)用，實現(xiàn)軌道交通工程的設(shè)計與建設(shè)由粗放型向精細(xì)型轉(zhuǎn)化，開展了BIM 技術(shù)的應(yīng)用研究。通過3D 建模和信息融入的方式，將盾構(gòu)隧道的所有信息高度地集中在一個能正確體現(xiàn)隧道真實情況的BIM 模型中，提高各個階段的工作效率，節(jié)約工程成本，縮短工程工期；通過利用三維激光掃描技術(shù)，高效獲取大量的盾構(gòu)隧道實體表面三維坐標(biāo)，將BIM 模型與盾構(gòu)隧道點(diǎn)云模型進(jìn)行對比分析，即可得到實際與設(shè)計的誤差，以保證施工質(zhì)量并指導(dǎo)后續(xù)施工，是一種新型的智能化、自動化施工質(zhì)量檢測方法。

1 BIM技術(shù)特點(diǎn)

1.1 可視化

BIM 技術(shù)具有“所見即所得”的可視化的特點(diǎn)。地鐵建設(shè)過程中將涉及到大量的參數(shù)和數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)在BIM 模型的加持下能夠以非常直觀的效果展示出來。借助于BIM 技術(shù)的可視化特性，將能夠幫助地鐵建設(shè)人員從更加整體而直觀的視角去看待、考慮方案的可行性與合理性。

1.2 模擬性

BIM 技術(shù)擁有較高的模擬性。依托計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力，BIM技術(shù)具有極強(qiáng)的仿真模擬能力，在地鐵建設(shè)過程中利用BIM技術(shù)實現(xiàn)對地鐵設(shè)計或施工方案的建模分析，建模分析結(jié)果將很好地反映地鐵設(shè)計或施工方案中所存在的不足之處，對方案進(jìn)行優(yōu)化，不斷調(diào)整和重新建模分析，以期得到最合適的方案。

1.3 協(xié)調(diào)性

BIM 技術(shù)可為工程人員提供可協(xié)調(diào)工作的環(huán)境。在地鐵設(shè)計過程中，需要諸多的專業(yè)和人員進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，利用BIM 可協(xié)同工作的特點(diǎn)，可保證各專業(yè)和人員設(shè)計的同步性，以保障設(shè)計的質(zhì)量。同時地鐵工程施工涉及諸多環(huán)節(jié)，需要做好地鐵工程各個環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)，從而最大限度地保障地鐵工程的施工質(zhì)量和效率，以便建設(shè)過程能夠順利實施。

1.4 優(yōu)化性

地鐵的設(shè)計、施工、運(yùn)營過程是一個不斷完善和優(yōu)化的過程，在這過程中BIM 模型同樣需要進(jìn)行持續(xù)不斷的完善和優(yōu)化，包括幾何信息、物理信息、規(guī)則信息的更新和優(yōu)化，將各類信息與投資成本和回報進(jìn)行分析結(jié)合，依靠計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力，使得工程管理人員更容易根據(jù)自身需求找到合適的方案，因此在BIM 模型中進(jìn)行設(shè)計、施工方案的優(yōu)化，能夠帶來工期和造價等方面的效益［1］。

2 三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)（3D Laser Scanning Technology）是一種先進(jìn)的全自動、高精度立體掃描技術(shù)。利用激光測距的原理，多次往復(fù)測量大量被測物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，再將實體的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整記錄并采集到數(shù)據(jù)庫中。此外，還可結(jié)合其他儀器設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)，來進(jìn)行多站點(diǎn)的配準(zhǔn)拼接、坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云的著色、紋理的映射以及多種數(shù)據(jù)的融合等，例如控制點(diǎn)坐標(biāo)及目標(biāo)實體的高清紋理影像等。三維激光掃描技術(shù)具有高精度、非接觸、數(shù)據(jù)獲取速度快、數(shù)字化程度高、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，能夠在現(xiàn)場條件復(fù)雜、人員難以進(jìn)入的情況下，大量獲取被測物體坐標(biāo)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的測量手段中的諸多劣勢。對在建工程進(jìn)行激光掃描作業(yè)，快速獲取可反映其表面特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)一步通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的降噪、抽稀、配準(zhǔn)、拼接等處理，得到可反映施工質(zhì)量的三維點(diǎn)云模型。與反映設(shè)計意圖的BIM 模型不同的是，三維點(diǎn)云模型反映的是實際的建造效果［2］。

3 BIM模型與三維點(diǎn)云模型融合應(yīng)用技術(shù)

3.1 技術(shù)路線

以參數(shù)化的手段創(chuàng)建盾構(gòu)隧道BIM 模型，然后在施工現(xiàn)場進(jìn)行三維激光掃描作業(yè)，獲取原始的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件中對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀、降噪等預(yù)處理，得到盾構(gòu)隧道實體表面的點(diǎn)云模型。將BIM 模型與點(diǎn)云模型導(dǎo)入對比分析軟件，進(jìn)行模型對比，并以可視化的方式表達(dá)分析結(jié)果，以幫助進(jìn)行盾構(gòu)隧道的施工質(zhì)量檢驗，技術(shù)路線如圖1所示。

3.2 BIM模型構(gòu)建

BIM建模使用了Autodesk Revit 2014版本，利用Revit獨(dú)一無二的自適應(yīng)族功能搭建盾構(gòu)隧道板塊，使原本的拼接板塊、拼接襯砌環(huán)等繁瑣工作變得簡單靈活。

3.2.1 盾構(gòu)管片族庫建立

“族”是Revit 軟件中的構(gòu)件對象，其承載著該構(gòu)件所含有的參數(shù)信息，包括幾何和非幾何信息。同時Revit擁有獨(dú)一無二的自適應(yīng)族，用戶可以自定義被多個約束條件所控制的自適應(yīng)控制點(diǎn)，構(gòu)件圖形實體通過捕捉這些自適應(yīng)控制點(diǎn)而生成，即可產(chǎn)生可由約束條件控制的靈活幾何體，非常適用于盾構(gòu)隧道等線形工程。Revit 軟件中的族具有可復(fù)制、可修改及相互嵌套的特點(diǎn)，同時可以作為單獨(dú)的文件隨時調(diào)用，根據(jù)實際項目需要，通過修改尺寸、形狀、材質(zhì)或其他參數(shù)實現(xiàn)同一個族在不同項目中的復(fù)用，基于此性質(zhì)而構(gòu)建項目族庫，將族文件進(jìn)行共享，可大大提高建模效率，減少重復(fù)性工作［3］。盾構(gòu)隧道BIM 模型的管片可采用自適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族實現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)襯砌管片族如圖2所示。

圖1 整體技術(shù)路線Fig.1 Overall Technical Route

圖2 標(biāo)準(zhǔn)襯砌管片族Fig.2 Standard Shield Lining Tube Family

依據(jù)設(shè)計圖紙創(chuàng)建參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)襯砌管片族，并將一環(huán)中的6 塊管片拼接成整環(huán)，如圖3 所示。為使路線上的每環(huán)管片嚴(yán)絲合縫完成拼接，須同時創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)、右轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)和左轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)管片族Fig.3 Standard Lining Ring Tube Family

3.2.2 盾構(gòu)管片拼裝

將盾構(gòu)隧道三維線路導(dǎo)入Revit，對該線路進(jìn)行分割，使分割點(diǎn)間的距離等于盾構(gòu)管片環(huán)的寬度，將標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)管片族的參照點(diǎn)放置在各分割點(diǎn)上，實現(xiàn)隧道線路上每一環(huán)管片的拼裝，拼接結(jié)果如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)隧道管片拼接Fig.4 Shield Tunnel Segment Splicing

襯砌環(huán)管片族中的旋轉(zhuǎn)和距離參數(shù)將隨著線路的延伸不斷改變，以滿足管片錯縫安裝的要求。參數(shù)化族的使用，使建模工作量大大減少，提高了工作效率［4-5］。同時所有構(gòu)件均可添加參數(shù)的方式，集成建設(shè)過程中各階段的信息，亦能實現(xiàn)數(shù)量、體積、編碼等信息的提取和分析。

3.3 點(diǎn)云模型構(gòu)建

3.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集主要采用徠卡ScanSta?tion P20 超高速三維激光掃描儀（見圖5）來完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集工作。

圖5 超高速三維激光掃描儀Fig.5 Ultra-fast 3D Laser Scanner

三維激光掃描系統(tǒng)主要由1臺高精度的激光測距儀和1組反射棱鏡組成。激光測距儀主動發(fā)射激光進(jìn)行測距，反射棱鏡使得激光以均勻的角速度進(jìn)行掃描。通過掃描獲取點(diǎn)到測站點(diǎn)之間的斜距，再結(jié)合掃描獲取的水平角與垂直角，就可以計算出點(diǎn)與測站點(diǎn)的相對空間坐標(biāo)。假設(shè)已知測站點(diǎn)的空間坐標(biāo)，即可求出被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。

三維激光掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)由橫向掃描面內(nèi)的X、Y 軸與縱向掃描面內(nèi)的Z 軸組合構(gòu)成，其中掃描儀測得站點(diǎn)到被測點(diǎn)P 的距離定義為S，利用精密時鐘控制編碼器激光脈沖進(jìn)行角度掃描，以獲取橫向掃描角度α 和縱向掃描角度θ。

P點(diǎn)的三維坐標(biāo)計算公式：

作業(yè)流程：首先架設(shè)儀器，整平，解鎖，在掃描軟件中設(shè)定好數(shù)據(jù)庫、測站等要素，配置好掃描分辨率等參數(shù)，選擇掃描區(qū)域，然后開始進(jìn)行掃描作業(yè)。當(dāng)一個目標(biāo)物體掃描結(jié)束后，檢查掃描數(shù)據(jù)是否完整，確保采集完全部數(shù)據(jù)后才能關(guān)閉軟件及電腦，搬至下一站點(diǎn)繼續(xù)掃描工作，具體流程為數(shù)據(jù)建庫?連接掃描?掃描儀定位?掃描?數(shù)據(jù)存儲。掃描時，把全站儀架設(shè)在控制點(diǎn)上，測標(biāo)靶的坐標(biāo)，要求每個標(biāo)靶必須測2 組數(shù)據(jù)，再取中值，以保證測量標(biāo)靶坐標(biāo)的精度。在測量和掃描的過程中必須確保標(biāo)靶不被移動或碰觸等意外情況，若發(fā)生以上情況應(yīng)采取補(bǔ)救措施，以保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接精度。

3.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要由徠卡掃描儀配套軟件Cy?clone來完成。首先使用Cyclone軟件對外業(yè)掃描采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，并進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)歸一，拼接誤差越小，精度越高，一般控制在3 mm 內(nèi)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)完成拼接后，須進(jìn)行去噪處理，主要是把掃描過程中干擾的人和不相關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)清理干凈。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接要滿足精度要求，拼接完成后的數(shù)據(jù)不應(yīng)該出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。清理點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪音時，不能將掃描對象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)清除掉，并且保證噪音清理的干凈，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)表現(xiàn)得整潔、完整。

3.4 BIM模型與點(diǎn)云模型對比分析

采用Geomagic Qualify 軟件進(jìn)行模型對比分析。通過外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與設(shè)計模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以偏差值不同點(diǎn)賦予不同顏色來顯示偏差大小，例如將檢測的誤差界限設(shè)置為5 cm，5 cm 以內(nèi)的以綠色進(jìn)行表示，偏差值從小到大將從綠色向紅色過渡，即可將施工誤差以可視化的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，如圖6所示。

4 結(jié)語

圖6 BIM模型和點(diǎn)云模型對比Fig.6 Comparison of BIM Model and Point Cloud Model

通過BIM 技術(shù)和三維掃描技術(shù)，將盾構(gòu)隧道的所有信息高度地集中在一個能正確體現(xiàn)隧道真實情況的BIM 模型中，實現(xiàn)設(shè)計、施工、運(yùn)維等各個階段的信息共享。BIM 技術(shù)結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，搭建隧道現(xiàn)狀BIM模型和隧道原設(shè)計BIM模型，通過比對這2個隧道BIM模型，得出原設(shè)計與施工之間的數(shù)據(jù)偏差，評估施工質(zhì)量。在施工過程中，對隧道不斷進(jìn)行實時的、周期性的監(jiān)控，完整地記錄整個隧道施工過程的三維數(shù)據(jù)，將為隧道的分析、研究、展示提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。