三维扫描技术结合BIM 在佘山深坑酒店项目的应用

何建军 危 鼎 姚守俨 陈滨津 张 林 王 硕

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

1 项目背景

“松江辰花路二号地块”深坑酒店位于上海松江区天马山的废弃采石坑内，项目主体建筑设计于地质深坑内，依崖壁建造，总建筑面积55 058 m2，是世界上第一个在废石坑里的酒店。

松江佘山一带风景优美，自然的山脉风光是这一地区的主要地貌特征。石坑本身就是一个很具吸引力的自然资源。坑深90m，有一自然湖泊坐落于底部。

酒店主体建筑分为地上部分、地下至水面部分以及水下部分。其中地上建筑2 层(局部带一层地下室)，高度约10 m;地下至水面建筑共14 层，高度约53.6 m;水下部分建筑2 层，高度约10.4 m;建筑总高度约为74 m。

由于设计理念比较独特，设计中遇到了不少重大挑战。其中最具挑战性的问题之一是基础设计。首先，由于安全等因素，岩壁的爆破开挖无法完全实现预期的设计造型，人工机具也无法对坚硬的岩石进行局部修整。因此，只有对原始方案进行局部调整。由此涉及到多专业的协调修改。其次，方案的深化设计需要提供准确的地貌资料，采用传统测绘方法已经无法满足项目设计精度和工程进度的要求。为此，本项目首先采用了目前处理此类问题较为先进的三维激光扫描技术，在极短时间内获取坑内岩面的三维地形，在此基础上对建筑、结构、暖通等各专业开展三维协同设计，出色完成预期目标。

2 深坑地貌的三维激光扫描［1］－［3］

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，它利用向被测对象发射激光束和接收由被测物发射回的激光信号获取被测对象的空间坐标信息。上述三维坐标信息可导入AutoCAD、Revit、Rhino 等三维软件进行后续工程设计。该技术可将任何复杂的现场环境、空间物体进行扫描操作，并直接将各种大型、复杂、不规则实体或实景的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据;同时，它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作(如:测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等)。

2.1 地形扫描

三维激光扫描技术来自测绘领域，其最基本的应用之一就是地形图绘制。基于扫描的精细点云可直接生成三维地形模型，并可以自动提取等高线。实现一次测量，同时可获取三维及二维数据资料。与传统测绘手段相比，三维激光扫描具有效率高、细节丰富、成果形式多样、智能化、兼容性强等优点。

图1 佘山深坑原始地貌

图2 佘山深坑酒店效果图

本项目测绘采用了天宝TX5 三维激光扫描仪，如图3 所示。

图3 三维激光扫描仪

(1)站点选取

项目实景如图4 所示。为得到后续逼真的三维模型，在实际条件允许的情况下，要尽可能从各个角度去对实物进行扫描，因此需要合理的选择站点，每两个将进行拼接的站点之间至少要有15%以上的重合区域，且重合区域要有比较明显的特点，为后续的点云数据拼接创造条件。针对本项目实际，在坑内中心点附近及上部坑口周边各布置3 个站点，通过这6 个站点的扫描信息可以基本完整的反映深坑的基本特征，站点布置如图5 所示。

(2)扫描

为获取三维点云数据，需要对上述6 个站点进行逐一扫描。首先将三维激光扫描系统放置在所选定的位置上，通过扫描仪自带软件识别并扫描标靶、选择视景范围(即要扫描的范围)、扫描精度。完成上述工作后即可开始扫描。在扫描过程中，尽量使扫描区中无人走动，以免造成遮挡。扫描的原始数据是对应于被测物件表面空间位置的点云。

图4 施工现场

图5 站点布置

本项目深坑岩壁垂直高差超过70m，水平跨度超过200m，垂直度接近90°，采用传统测绘手段存在难度大、周期长、精度低等问题。而三维激光扫描不但提供了快捷的测绘手段，而且连同现场对象的细节特征，如颜色信息等都能准确的保存下来。上述成果完全可以带回办公室电脑中进行细化测量、设计规划、研究计算、场景仿真等进一步应用，减少野外数据采集的工作量和采集时间。

2.2 点云处理与三维建模

(1)点云拼接

由于扫描是分站进行的，因此为了得到被测对象的完整信息，需要将各站进行拼接总装，如图6 所示。采集后的点云数据通过Trimble RealWorks 软件自动选取两站中3 个以上同名控制点实行拼接，拼接完成的数据再次利用数据融合功能将重合部分的数据进行归并，以避免数据的冗余和不一致。经过点云过滤、匹配颜色、多站自动拼接，各站点云数据处于统一的坐标系中，但尚未建立与地理坐标系的位置关系，为此还需添加全局控制点。全局控制点的定位使用基站式GPS 接收机进行量测，添加控制点后，通过坐标校正将点云数据纳入统一的地理坐标系下。

(2)去噪处理

由于扫描过程中外界环境因素对扫描目标的阻挡和遮掩，如扫描过程中移动的车辆、行人树木的遮挡，及建筑物本身的反射特性不均匀，导致最终获取的扫描点云数据内可能包含不稳定的点和错误的点，这些影响将导致点云数据含有偏差。因此点云数据拼接后的预处理工作，主要是清除一些不正确的数据，获取有效数据。只有把这些错误点和含有偏差的点剔除后，才可继续进行其它操作，这个过程称作点云数据的去噪。

(3)三维建模

当前，基于点云的三维建模方法分为3 种:1)对于常规几何体，采用软件自动匹配建模;2)基于GEOMAGIC 多边形的不规则曲面建模，如图7 所示;3)人工手动建模。其中，第一种方法只适用于那些与软件中所包含的常用几何形体相一致的目标实体组件，对于不能分解为常用几何形体的目标实体组成部分则是无效的。第三种方法则需要大量的人工劳动和建模人员的经验。第二种方法是最方便也是最贴近被测物实际的方法，但由该方法建立的模型数据文件庞大，实用中常采用对不关心区域进行网格简化处理以减少对计算机资源的占用。

3 三维扫描技术与BIM 结合应用

3.1 模型整合

因为本工程依靠深坑崖壁建造而成，一反传统的建筑向天空发展的概念，酒店主体自然地“挂”在岩壁上。施工现场坑底结构形式复杂，崖壁不规则，为实现坑壁和酒店建筑的完美融合，需要在施工之前把手动创建酒店BIM 模型与扫描而得深坑模型进行整合，如图8 所示。确保建筑物结构底板标高与坑底不出现大的真空，主体结构与崖壁不出现构件碰撞。

图6 点云拼接

图7 采用GEOMAGIC 多边形网格建模的崖壁模型

图8 深坑模型与酒店BIM 模型整合

图9 坑底现状与设计承台位置对比

图10 某楼梯间建筑方案调整

3.2 标高检查与碰撞调整

在本项目中深坑崖壁的开挖采用爆破方式，这种施工方法一方面无法保证开挖成果面精确符合设计要求，另一方面，考虑到安全因素，某些范围不能继续爆破，只能对建筑方案、基础布置做出调整。爆破成果面与原始基础承台设计对比，如图9-10 所示。

尽管基础承台的调整仅是些局部调整，但实际却牵涉到建筑、暖通、给排水等其他众多专业较大范围内的联动调整。这种联动调整在传统二维图纸上的发现和表达都是十分麻烦的事情，然而在本案例中，项目团队将业主、设计院以及施工单位集合在一个会议室，面对同一个三维模型开展实时审核与设计，当场解决各专业的位置挤占、碰撞等问题，在规范许可的前提下，使各种构件、管线尽量能够整齐紧凑，最大限度地满足建筑空间要求。从而避免因各专业管线互相挤占冲突而造成的返工、延误工期，节省项目成本。

3.3 复杂岩石表面基础挡墙设计

基于扫描点云生成的三维模型可以被以任意方式进行剖切表现。水平剖切可以产生传统意义上的各层平面图，垂直方向的剖切可以输出剖面图。基于以上功能，设计人员首先对原有承台与现有岩面的相互关系进行分析，如图11 所示。

其次，本项目采用“碎石混凝土地基无桩基础设计”，通过砌筑碎石混凝土地基来找平高差较大的坑底岩面。该基础设计遵循以下原则要求:(1)保证放坡构造要求;(2)混凝土方量尽量少;(3)基础外轮廓贴近建筑外形而呈现圆弧状。根据上述要求，设计人员对初始承台设计进行调整，如图12所示。由于原设计中相邻承台间水平间距较小，为满足安全放坡构造要求，相邻承台间的垂直落差不能过大，同时还需兼顾工程混凝土用量，因此上述调整过程并非单个承台的调整，而是一个涉及多因素影响的优化过程。为此，三维设计团队基于Grasshopper 平台，以填筑碎石混凝土用量最少为目标变量，以承台标高为设计变量，以承台与岩面间距、承台之间垂直间距为限值变量，编制了相应的优化设计程序，实现计算机自动化设计之目的，优化程序界面如图所示。

在承台优化设计工作结束之后，还需对因承台标高抬升而导致建筑等其他专业的碰撞调整进行解决，此处不再赘述。

3.4 快速土方量计算

传统基于有限个勘测点的土方量计算方法的精度和效率是比较低的。原因在于:虽然勘测点本身的精度可达毫米级，但由于测点数量有限，测点间间距较大，无测点区域的数据是靠插值或拟合方法得到的，由此产生误差。此外，传统测绘方法较为耗时，且是一种接触式的测绘手段，对于人力无法到达的崖壁等区域测绘难度较大。

三维激光扫描是一种非接触式测绘方法，测绘精度高、数据量大、效率高。以本项目为例，整个深坑岩面测绘时间(包括转站)约4h，测点数量约5 亿个点，精度2mm。

图11 岩体及挡墙径向剖面

图12 承台标高优化调整

图13 爆破方量计算

图14 碎石混凝土填方量计算

利用激光扫描获得的三维地形模型进行岩石爆破方量计算和碎石混凝土基础填方量计算都是十分方便和准确的，如图13 -14 所示。

与原始地形图比较的爆破方量:37 937m3(因原始测绘数据不完整，此计算数据为估算值，计算范围-64m～-4m，酒店所在的半个坑，仅供参考)。

回填混凝土方量:约12 098m3(仅为挡土墙，不包括基础承台)。

4 总结

扫描技术对于工程现场最大的好处在于优化现场人员的工作方式，三维激光扫描技术在本工程的应用解决了如下工程问题:

(1)精简现场工作

只需在现场进行扫描工作，对比偏差与测量可在后台完成，大大减少现场测量时间和往返现场的次数;

(2)方便施工人员在现场的测量工作

可直接利用点云测量技术，完成一些费力、高危险部位的测量。测绘结果详尽、精度高;

(3)三维成果为后续细化测绘、设计规划、研究计算、场景仿真提供了基础

基于三维扫描成果的现场虚拟设计让新的设计单元与场景进行虚拟结合，极大提高了设计人员对设计结果进行审核的工作效率;

(4)完善现场工作人员的沟通方式

相关问题可以直接在图像上标示，而无需再进行纸上记录;也可直接得到扫描结果与设计模型的偏差，而无需先测量、后对照图纸、最后确认偏差;利用直观的图像、视频甚至转换后的模型与相关方进行沟通，大大缩短现场协调周期;

(5)统一的数据管理方式

经过数据采集与转换后，现场情况可以很完整地以BIM 模型、点云模型的形式在统一集成的信息平台中整合，并根据现场工程师需求开展相关管理工作。

［1］黄承亮，向娟.三维激光扫描技术应用于建筑物建模的测量方法研究［J］.城市勘测，2011(1).

［2］郑德华.ICP 算法及其在建筑物扫描点云数据配置中的应用［J］.测绘科学，2007(2):31-32.

［3］张启福，孙现申.三维激光扫描仪测量方法与前景展望［J］.北京测绘，2011(1):39-42.