三维激光扫描技术结合BIM技术在建设工程中的应用

王 静

(郑州工业应用技术学院建筑工程学院,河南 新郑 451150)

《中国建筑施工行业信息化发展报告(2015)BIM深度应用与发展》提出了以BIM技术为核心,与云计算、大数据、虚拟现实技术、物联网等先进信息化技术集成应用,三维激光扫描技术亦是九大集成应用之一,二者结合显著提升了工程建设领域的信息化水平。

1 三维激光扫描技术与BIM技术

1.1 三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology),又称“实景复制技术”,通过自动控制技术,对任何复杂的现场环境、空间物体按照事先设置的分辨率(相当于采样间隔)进行连续的数据采集和处理,以其非接触性、免棱镜、高速率、实时性强、数字化程度高、扩展性强等优点,成为直接获取目标高精度三维数据信息,实现三维可视化的重要手段。其应用涉及地形测量、变形监测、古建筑改造、灾害预警、场景虚拟等方面。

1.2 建筑信息模型(BIM技术) 概述

建筑信息模型(BIM技术),其中,B代表Building——广义地代表了各类土木工程建设项目,包括各种建筑和市政公用工程；I代表 Information——不仅指“信息”的传递,还应包括信息在建筑全寿命周期中各单位、各流程间的“互用”和“集成”；M代表Modeling——包括静态的“Model”,动态的“Modeling”和相应的管理“Management”。建筑信息模型是包含了创建与管理设施物理与功能特性的数字化表达的过程。过程中产生的一系列建筑信息模型作为共享的知识资源,在设施从早期概念阶段到设计、施工、运营及最终的拆除全生命周期过程中的决策提供支持[1]。

2 三维激光扫描技术与BIM技术结合应用

BIM技术,既是模型结果,更是过程和各方的协同。然而在工程实施阶段,作为项目指导和虚拟施工的建筑信息模型,往往忽视了现场实施多变的复杂因素,无法准确地指导现场施工,如何使之应用于现场管理,对项目实施的推进更加地有效,必然需要一定的技术手段作为辅助。三维扫描技术能够成为有效连接BIM模型和工程现场的桥梁。

三维激光扫描技术与BIM技术结合在建设工程中的应用主要表现在以下方面：原始现场资料存档；现场数据快速逆向建模；施工质量对比；工程进度跟踪、质量检测；运维管理。

2.1 原始现场资料存档

三维激光扫描技术无疑是实测实量数据采集的有效方式。能够确保扫描精度,完整、客观的采集选定的工程部位或关键部位,作为电子资料进行存档。

2.2 现场数据快速逆向建模

目前,建筑市场上使用BIM技术的主要是一些超大型、工程复杂、施工难度大的建筑项目以及政府项目。随着政策推进,BIM技术愈加成熟,模型库进一步完善,行业标准进一步建立,其应用程度和广度越来越大,BIM技术越来越多的被建设项目的各阶段的各参与方所接受和采用,但是在实际工作中,受到成本控制、市场运作及工程操作固有流程等因素的影响,往往是各阶段分别应用,当某一阶段有应用需求时,没有前期的BIM工作作为支持,就需要借助三维激光扫描技术对现有建筑实体进行扫描,进行逆向建模。

对于复杂环境深基坑项目,基础设计和围护结构设计需要详细、准确的地貌资料为前提,传统的测绘方法由于采用离散单点采集三维坐标的方法,存在测点有限、测量精度较低、周期长、效率低等缺点,无法满足设计精度和工程进度的要求。

三维激光扫描技术通过选取合理的站点、位置和数量、确定扫描路线,避免遮挡和干扰,确保足够的有明显特征的重合区域,多角度对实物扫描获取点云数据,继而使用软件对点云数据进行预处理,包括去噪处理、获取有效数据,进行点云数据拼接,坐标校正将点云数据转入到地理坐标中,采用适当的方法进行三维建模,为后续工程设计规划,创建建筑信息模型提供了良好的基础。

2.3 施工质量对比

BIM技术为项目全生命周期的决策提供依据,但由于项目在建造过程中情况复杂,设计变更以及施工过程问题导致实际施工与设计BIM模型产生偏差,对反映施工效果收益甚微。在此背景下,采用三维扫描技术获取的点云数据,经过软件处理后,转化为BIM模型数据,具有现实指导意义和实际使用价值,然后与设计的BIM模型、CAD模型进行精度对比,发现施工现场数字模型与设计模型间的偏差,确保在施工过程中细节的可靠性和准确性,用以确认工程情况,改变了传统的施工现场误差复核模式,减少由于施工工艺、操作不当等原因造成的延误工程进度、材料和人工成本的浪费、安全隐患等结果,使设计模型更符合现场实际工况。

在异形结构、复杂造型大范围幕墙安装工程中,传统的幕墙安装方法需采用全站仪、水准仪、激光垂准仪等对建筑物进行整体测量,掌握结构尺寸的偏差,并且按照单位幕墙设置垂直、水平方向的控制线,并确保标高、轴线的统一和唯一性,需反复检验、核实。耗时多,效率低。采用三维激光扫描获取的数据,进行整理和分析,进行现场实际结构洞口尺寸复核及土建结构误差分析,为幕墙深化设计提供准确数据,然后整合幕墙BIM深化设计模型与三维扫描模型,再次复核验证幕墙深化设计的准确性,用以引导施工,确保工程质量。

2.4 工程进度跟踪、质量检测

传统的工程进度跟踪、质量检测是采用抽样捡测的方法,对于投资规模大、参与方多、施工运行管理难度大、建设目标要求高的超大型工程项目,耗时多,效率低。而三维扫描技术和BIM技术结合的方式是全数检查,避免了抽样检查的随机性,保证数据的客观真实,提高了质量检测的效率。对于监理人员来说,优化了工作方式：一些高危险、费时的测量工作可通过扫描完成,降低了工作量及难度；在施工现场完成必要的扫描工作,可在后台继续进行对比偏差和测量,直观地了解工程整体质量；改变了与项目参与各方的沟通方式,以直观的图像、视频代替文字、数据资料。由此,三维扫描技术结合BIM技术有利于推动工程领域质量管理、工程验收的创新,使得质量管理逐步向精细化、信息化方向发展。目前,三维激光扫描技术与BIM技术结合在钢结构构件加工质量检测、公共建筑的桩基质量检测、复杂曲面结构内装质量检测、大型建筑项目墙、梁、板等主要结构施工精度检测中得到了广泛应用。

2.5 运维管理

建筑项目经过规划、设计和施工阶段,投资大量资金和时间后,建筑的预期效益在运转阶段实现。而在运维阶段内,维护成本,修缮费用,改建成本等所占的费用比例达到建筑物全生命周期费用比例的80%以上。若从经济角度考虑,最大限度地降低这部分成本尤为必要。基于BIM技术应用现状,对于结构复杂、功能多样的建筑,三维激光扫描技术为BIM模型的创建、搭建一体化的运维平台提供了技术支撑,科学管理建筑的空间、设备、资产等,有效预防可能发生的灾害,降低运营维护成本。

3 结论

三维激光扫描技术与BIM技术的集成应用,其成果显著提升了工程建设领域的信息化水平,破解了很多传统方法无法解决的问题,随着三维激光扫描技术与BIM技术的日益成熟,更多的结合应用领域还亟待进一步的发掘。