三維激光掃描技術(shù)在地鐵車站土建竣工交付建筑信息模型中的應(yīng)用*

李 鵬 朱家德 張佳麗 張劍豪 田 蓉 甘英聰

(1.太原軌道交通集團(tuán)有限公司，030002，太原；2.同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，200092，上海；3.太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程經(jīng)濟(jì)系，030027，太原；4.上海城建信息科技有限公司，200131，上海∥第一作者，高級工程師)

三維激光掃描技術(shù)是整個三維數(shù)據(jù)獲取和重構(gòu)技術(shù)體系中的最新技術(shù)，實現(xiàn)了從實體進(jìn)行直接、快速、逆向獲取三維數(shù)據(jù)，以及對模型的重新構(gòu)建[1]。BIM(建筑信息模型)是通過BIM技術(shù)使用數(shù)位化方法建造的準(zhǔn)確建筑物虛擬模型[2]。將BIM和所對應(yīng)的三維激光掃描模型進(jìn)行對比、轉(zhuǎn)化、協(xié)調(diào)，可達(dá)到輔助工程質(zhì)量檢查、快速建模、減少返工等目的[3]。

本文總結(jié)的太原市軌道交通2號線(以下簡為“2號線”)項目中三維激光掃描技術(shù)與BIM結(jié)合的經(jīng)驗，可為后續(xù)同類車站BIM土建主體結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建提供參考。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

三維激光掃描技術(shù)又稱為實景復(fù)制技術(shù)?；谠摷夹g(shù)，應(yīng)用無合作目標(biāo)激光測距儀與角度測量系統(tǒng)組合的自動化快速測量系統(tǒng)，能對復(fù)雜現(xiàn)場和空間被測物體進(jìn)行快速掃描測量,從而直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距和反射強(qiáng)度[4]。三維激光掃描儀可自動存儲并計算獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)過計算機(jī)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，再結(jié)合CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)軟件等進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，可快速重構(gòu)出被測物體的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。

三維激光掃描技術(shù)在獲得與現(xiàn)場施工實際保持高度一致的竣工模型過程中有著巨大的優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在：①三維激光掃描獲得的土建及機(jī)電構(gòu)件的空間輪廓模型在導(dǎo)入相應(yīng)BIM軟件后，可與基于施工圖創(chuàng)建的模型進(jìn)行比對，具有可視化、易操作的優(yōu)勢;②三維激光掃描依據(jù)成千上萬激光測距點(diǎn)，可獲得每個構(gòu)件表面的高精度測量數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確性極高；③三維激光掃描的數(shù)據(jù)由計算機(jī)進(jìn)行處理，能最大程度地減少對施工現(xiàn)場的負(fù)面影響。

BIM以建筑工程項目的各項相關(guān)數(shù)據(jù)信息作為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，通過數(shù)字信息技術(shù)來仿真建筑物的真實信息[4],具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)。

三維激光掃描儀掃描施工現(xiàn)場所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，即可生成能反映施工現(xiàn)場的點(diǎn)云模型。將點(diǎn)云模型與依據(jù)施工圖建立的施工圖BIM進(jìn)行對比，可及時發(fā)現(xiàn)二者差別，從而輔助決策。

1.2 應(yīng)用思路

基于三維激光掃描技術(shù)的點(diǎn)云模型能直觀反映出真實的施工情況，為工程檢驗工作提供幫助。在施工過程中：對于與施工圖BIM一致的點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)，可直接進(jìn)行電子化記錄與數(shù)字化存檔，便于后續(xù)施工使用；對施工現(xiàn)場已經(jīng)完成且無法修改的施工內(nèi)容，點(diǎn)云模型能快速提取現(xiàn)場施工變更信息，反饋給相關(guān)主體，幫助其及時對竣工交付模型信息進(jìn)行一致性調(diào)整。

通過實踐三維激光掃描與BIM技術(shù)結(jié)合的探索應(yīng)用，總結(jié)出三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)在施工階段以及竣工交付階段的結(jié)合應(yīng)用思路，真正實現(xiàn)三維模型的所見(建)即所得。

2 某站的竣工交付BIM

點(diǎn)云模型創(chuàng)建及其應(yīng)用與土建竣工交付模型的流程如圖1所示。

圖1 點(diǎn)云模型創(chuàng)建及應(yīng)用與土建竣工交付模型的流程

2.1 項目背景

本文選擇2號線一期工程某站作為掃描的目標(biāo)站。目標(biāo)站長約314 m，其標(biāo)準(zhǔn)段寬24.3 m，為換乘站。由于BIM技術(shù)較晚應(yīng)用于2號線，故施工圖BIM與現(xiàn)場實際情況存在一定的差異，既不能作為土建竣工交付的模型，也無法準(zhǔn)確指導(dǎo)機(jī)電設(shè)備的安裝施工。對此，采用三維激光掃描技術(shù)，根據(jù)工程現(xiàn)場情況建立點(diǎn)云模型。

點(diǎn)云模型與施工圖BIM比對，主要核查該車站柱、梁、板、墻、樓梯等現(xiàn)場構(gòu)件以及各層結(jié)構(gòu)板開孔情況。因此，三維激光掃描的主要內(nèi)容為：各層樓板預(yù)留孔洞、混凝土上下翻梁及加腋梁、柱位、墻體定位。掃描后最終形成完整的車站主體結(jié)構(gòu)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。目標(biāo)站掃描所用儀器如表1所示。

表1 目標(biāo)站掃描所用儀器

由于掃描精度要求較高，故使用精度較高的Trimble三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

掃描工作過程一般包括掃描計劃定制、外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理三個環(huán)節(jié)。掃描工作完成后，還需根據(jù)掃描成果提出針對性的解決方案。

2.2 掃描計劃定制

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的流程如圖2所示，包括現(xiàn)場勘查、點(diǎn)云和標(biāo)靶的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)等步驟。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集流程

明確掃描任務(wù)后，首先必須去現(xiàn)場進(jìn)行實地考察，確定掃描的基本要素，對掃描困難區(qū)域進(jìn)行處理。其次需要進(jìn)行實地掃描，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)的要求確定儀器架站的位置,進(jìn)行現(xiàn)場掃描記錄。

2.3 外業(yè)測量

2.3.1 架站布設(shè)

根據(jù)項目所需，應(yīng)架站在現(xiàn)場通視條件較好位置進(jìn)行掃描作業(yè)。掃描前，現(xiàn)場必須提前布置好建筑坐標(biāo)系，對平面坐標(biāo)與高程統(tǒng)一管理。

掃描現(xiàn)場采用自由設(shè)站方式，兩站之間需保持連續(xù)。目標(biāo)站現(xiàn)場實地掃描共架設(shè)198座測站，其中站廳層設(shè)45座，設(shè)備層設(shè)74座，站臺層設(shè)79座。目標(biāo)站的站臺層測站分布如圖3所示。

圖3 目標(biāo)站的站臺層掃描儀器架站分布

2.3.2 掃描方案

根據(jù)設(shè)計的要求，現(xiàn)場測站的掃描儀器采用2 mm@25 m的點(diǎn)云分辨率進(jìn)行全景掃描作業(yè)，并利用標(biāo)靶或點(diǎn)云進(jìn)行拼接。拼接誤差控制在2 mm以內(nèi)。

2.3.3 外業(yè)測量操作流程

現(xiàn)場掃描工作獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是整個三維場景構(gòu)建與可視化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對構(gòu)建模型的質(zhì)量有著不可忽視的影響[5]。車站掃描面積較大，因此需要多個測站的掃描數(shù)據(jù)拼接起來構(gòu)成完整的模型。在三維激光掃描儀周圍設(shè)置標(biāo)靶，作為后期點(diǎn)云拼接中的連接點(diǎn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中的控制點(diǎn)。完成掃描后，將所有測站掃描的點(diǎn)云拼接到同一模型中。外業(yè)測量的操作流程如圖4所示。

圖4 外業(yè)測量操作流程

2.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、降噪等。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理需通過專業(yè)的點(diǎn)云處理軟件。該項目采用Trimble RealWorks點(diǎn)云處理平臺完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理。

1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。首先，原始數(shù)據(jù)通過掃描儀機(jī)身的SD卡(Secure Digital Card)進(jìn)行拷貝；然后，將數(shù)據(jù)以FLS格式導(dǎo)入RealWorks軟件；最后，提取點(diǎn)云，即可查看各測站采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。只有先把不同測站的掃描數(shù)據(jù)校準(zhǔn)到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)下，才能進(jìn)行點(diǎn)云模型的重建及數(shù)據(jù)分析[6]，這個過程稱作“點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接”。目前主要有標(biāo)靶拼接、特征點(diǎn)拼接、已知點(diǎn)拼接、點(diǎn)云拼接等方式。目標(biāo)站采用了標(biāo)靶拼接和點(diǎn)云拼接的混合拼接方式。圖5是由站臺層點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接后形成的目標(biāo)站點(diǎn)云模型。

圖5 拼接后站臺層點(diǎn)云模型

3)點(diǎn)云模型與施工圖BIM比對。完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接形成點(diǎn)云模型后，需要與BIM模型進(jìn)行比對?；谙嗤乃交c(diǎn)及高程的情況下，比對目標(biāo)站點(diǎn)云模型與施工圖BIM存在的不一致點(diǎn)。

2.5 點(diǎn)云模型的技術(shù)難點(diǎn)與比對結(jié)果

受環(huán)境、方案設(shè)計及軟件處理的影響，目標(biāo)站的點(diǎn)云模型創(chuàng)建及對比遇到以下難點(diǎn)：

1)現(xiàn)場擺放的施工材料多，某些測站不通視，導(dǎo)致點(diǎn)云殘缺；站臺層部分位置存在積水，無法架設(shè)測站。

2)精度質(zhì)量控制跨度過長，難以控制精度；施工材料過多導(dǎo)致噪點(diǎn)過多，不僅后期去噪點(diǎn)工作量巨大，而且影響了最終點(diǎn)云模型的完整度。

3)儀器自身精度誤差雖僅為2 mm，但受現(xiàn)場施工振動影響，實際掃描測量誤差達(dá)10～30 mm，影響了最終點(diǎn)云模型的精度。

經(jīng)比對統(tǒng)計，點(diǎn)云模型與施工圖BIM的結(jié)構(gòu)偏差共存在68處，統(tǒng)計結(jié)果界面見圖6。

圖6 目標(biāo)站的結(jié)構(gòu)偏差比對結(jié)果統(tǒng)計界面

2.6 處理方案

對于成果分析比對結(jié)果中需進(jìn)行一致性處理的數(shù)據(jù)，有6種處理方案。

1)依據(jù)最新圖紙完善模型。依據(jù)相應(yīng)的圖紙資料補(bǔ)充完善模型。

2)收集變更資料。以三維激光掃描模型為依據(jù)，及時獲取變更資料，并根據(jù)變更資料修正模型。

3)根據(jù)現(xiàn)場踏勘照片、踏勘記錄修正。針對發(fā)生偏差問題，對現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，拍攝相關(guān)照片及收集資料，并根據(jù)收集資料修改模型。

4)根據(jù)點(diǎn)云掃描成果修正。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為rcp格式并導(dǎo)入Revit軟件中，再根據(jù)掃描定位點(diǎn)與依據(jù)竣工圖紙創(chuàng)建的Revit竣工交付模型(以下簡稱“Revit模型”)進(jìn)行對位。完成對位后，根據(jù)點(diǎn)云模型與Revit模型匹配程度進(jìn)行對位工作，并修改Revit模型，使之與現(xiàn)場保持一致。圖7是站臺層點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM模型比對界面。

圖7 站臺層點(diǎn)云模型與Revit模型比對界面

5)跟蹤現(xiàn)場解決方案修正。首先，將現(xiàn)場踏勘資料及點(diǎn)云掃描資料形成專題檔案記錄；然后，分析并確定相關(guān)主體偏差的原因；之后，根據(jù)偏差原因再次進(jìn)行模型修改，最終形成與現(xiàn)場一致的BIM。

6)無需處理部分。偏差≤20 mm的孔洞屬于允許誤差范圍內(nèi)，無需對模型進(jìn)行二次修改。

Revit模型的修正情況統(tǒng)計見表2。

表2 目標(biāo)站竣工交付模型修正情況

由模型修正情況可知，施工階段應(yīng)優(yōu)化管理流程，及時為施工現(xiàn)場提供完整的施工圖紙，減少圖紙變更產(chǎn)生的影響，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場資料管理和質(zhì)量管理，減少施工誤差。

3 土建交付BIM的成果

基于三維激光掃描技術(shù)的土建竣工交付BIM保證了與工程現(xiàn)場的一致性，提高了交付模型的質(zhì)量，能提供準(zhǔn)確的工程信息來輔助驗收部門驗收。通過三維激光掃描，可較為完整地掌握各處的施工偏差及完工形態(tài)。

1)通過比對發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)站的柱位及墻位施工偏差不大，均在可控范圍內(nèi)。

2)現(xiàn)場開孔為主要核查對象,通過三維激光掃描發(fā)現(xiàn)目標(biāo)站施工現(xiàn)場存在開孔位置偏差較大現(xiàn)象。經(jīng)分析，其主要原因為設(shè)計圖紙及設(shè)計變更問題。因此，應(yīng)該優(yōu)化施工現(xiàn)場資料管理，加強(qiáng)施工質(zhì)量管理。

3)目標(biāo)站的外業(yè)測量耗時1周，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理耗時2周，與傳統(tǒng)測量相比，其大大縮減了測量的時間，且測量范圍全面、準(zhǔn)確度高，大大縮短了數(shù)字化竣工交付的周期以及提高了竣工交付質(zhì)量。

目標(biāo)站的三維激光掃描成果滿足了現(xiàn)場復(fù)核工作的需求，其數(shù)字化竣工交付的BIM能支持地鐵的百年運(yùn)維工作。

4 結(jié)語

城市軌道交通項目規(guī)模大，參與方多，圖紙變更頻繁，其協(xié)同調(diào)整和同步溝通非常困難。三維激光掃描應(yīng)用于土建竣工交付BIM構(gòu)建中，能保證竣工交付模型與工程現(xiàn)場的一致性，便于機(jī)電設(shè)備的高精度安裝。

三維激光掃描技術(shù)對施工現(xiàn)場環(huán)境要求較高，點(diǎn)云模型與BIM模型比對存在技術(shù)處理難點(diǎn)。這是影響竣工交付BIM準(zhǔn)確性的重要技術(shù)因素。城市軌道交通項目如在BIM建模中遇到項目設(shè)計及變更資料不完整、梳理收集工作有難度的情況，可基于三維激光掃描技術(shù)和BIM技術(shù)來創(chuàng)建準(zhǔn)確的竣工交付模型，為地鐵的百年運(yùn)營提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。