BIM 与3D 扫描技术在世界杯体育场项目的综合应用研究

张 健

中国铁建国际集团有限公司，北京 100039

BIM 技术早期由建筑行业提出，后逐渐拓展到工程建设全领域[1]。近年来，随着3D 扫描技术的不断发展，高精度3D 扫描仪不仅在工业制造、古迹保护、法医鉴定等领域广泛运用，也在建筑领域中得到了逐步推广[2]。总体来看，虽然BIM 技术和3D 扫描技术的研究与应用已经在国内取得了一定发展，但目前仍旧缺乏能将两者相互结合的成功案例。文章基于2022 年卡塔尔世界杯主场馆卢赛尔体育场的项目特点及建造模式，构建了一套BIM 技术与3D 扫描技术应用于海外大型体育场项目的方法路径，为今后世界杯体育场项目的建设积累了宝贵经验。

1 项目简介

卢赛尔体育场为世界杯主场馆，位于卡塔尔首都多哈，将承担2022 年世界杯开幕式、半决赛、决赛和闭幕式等重大赛事活动[3]。项目占地面积100 万m2，建筑面积18 万m2，观众容量92500名，是世界上规模最大和最先进的体育场之一。该项目由中国企业采用设计施工总承包模式承建，合同总额50 亿元，是中国企业首次承建的世界杯体育场，也是中国在海外承建的规模最大的专业体育场。项目效果如图1所示。

图1 卢赛尔体育场效果图

2 卢赛尔体育场项目BIM 技术应用

2.1 BIM 技术应用概述

作为超大型国际工程，该项目的BIM 技术应用与国内工程相比有其特殊性。（1）应用模式方面。该项目投入BIM 资金近1 亿元，实现了100%正向设计，制定了明确的建模标准，由473 个分专业模型进行出图、计量以及设计成果的交付和审查。（2）应用阶段方面。该项目涵盖规划设计阶段、施工建造阶段、赛时运营阶段、赛后改建阶段的项目全生命周期。（3）应用深度方面。该项目招标阶段提供了模型发展等级LOD200 的方案设计模型（SD），总承包商在中标后对设计进行优化，形成LOD250 的优化方案设计模型（RSD），之后由总承包商的设计分包建立LOD300的施工图模型（IFC），再由总承包商的施工分包建立LOD400 的深化设计模型（SD），最终的竣工模型（As-Build）将达到LOD500。

2.2 国际化BIM 数据共享体系

该项目各参与方的BIM 团队分布于世界各地，故建立高效的数据共享网络非常重要。在建模时，分别利用Revit工作集、Revit 外部衔接和公共数据环境（CDE），实现单个模型内部、同专业不同模型间及不同专业间的协同设计。综合运用Drop Box、Share Point、Project Wise 和Revit Server 等网络平台解决远程数据共享问题，利用本地服务器（Local Network Server）解决项目部本地数据存储与传输问题，构建覆盖全球的全方位数据共享解决方案。

2.3 国际化BIM 软件平台体系

BIM 技术的运用要配备足够的硬件设备，更重要的是要针对不同的需求选择合适的软件平台[4]。结合各软件平台的特点，该项目选用了30 余款国际主流的建模软件、专业分析软件和BIM 平台。以Autodesk 的系列产品为主，主要建模软件为Revit、Midas 和Tekla，模型整合软件为NavisWorks，施工现场BIM 软件为BIM 360 Field，文档共享平台为Project Wise。此外，还包括3D 激光扫描数据处理软件SCENE 和Recap 等。

2.4 国际化BIM 标准规范体系

海外项目的特点决定了该项目必须采用国际化的BIM标准规范。结合业主的要求，该项目采用了成熟的英标与美标，主要包括美国和加拿大建筑规范协会的Master Format 2014 和CSI Uniformat 2010、 美 国BIM Forum的Level of Development 2014、Building SMART 的IFC 2×3 以及英国皇家特许测量师学会的NRM2 等。

3 卢赛尔体育场项目3D 扫描技术应用

3.1 3D 扫描技术应用概述

该项目选用FAROS350 高精度3D 激光扫描仪，在施工精度控制、进度监控、模型生成、工程计量和竣工记录等领域进行创新应用，对加快项目进度、提高施工质量和降低项目成本起到了关键作用。

3.2 地形测绘和堆料体积计算

运用3D 扫描技术对大场区地形进行快速测绘，获取任意点的坐标数据，其效率远超全站仪等传统测量工具。同时，通过对砂石等堆料进行扫描，再通过软件进行分析后可自动计算体积，大幅度提高了工程量计算的效率和准确性。3D 扫描用于计算堆料体积如图2 所示。

图2 堆料扫描点云图

3.3 施工进度监控与工程竣工数字化移交

利用3D 扫描技术可以对整个施工现场进行进度监控和过程的记录，而且扫描数据合成后，可以在软件中浏览任意扫描仪架设位置的点云图像和高清影像。。项目竣工后，项目部将对整个项目进行全面扫描，并将扫描数据进行整合后创建整个项目的数字化交付物，为业主之后的运营维护、设备管理和空间管理等提供基础数据，这将有助于减少建筑的全生命周期成本。大场区3D 扫描点云用于施工进度监控图如图3 所示。

图3 大场区3D 扫描点云用于施工进度监控图

3.4 钢结构虚拟预拼装

在钢结构整体安装或各构件的焊接过程中，项目部将未完成构件的点云数据在已完成构件的点云数据中进行虚拟预拼装，检查是否存在冲突或碰撞。通过虚拟预拼装可提前发现和解决拼装过程中的困难和问题，提高拼装质量并加快拼装进度。

4 BIM 技术与3D 扫描技术的结合应用

4.1 钢结构卸载监测

该项目创造性地将高精度3D 扫描技术用于卸载过程监测，根据结构特点及监测要求，快速对卸载前后整个体育场的三维空间进行重构，利用Navisworks 将3D 扫描点云与BIM 模型进行可视化比对，得到卸载前后任意节点的位移量，再选取重点部位与理论位移量进行对比后可迅速而准确地判断是否超限。利用3D 扫描技术进行卸载监测所用到的主要硬件为扫描仪和电脑，软件主要为SCENE、Midas、Revit 和Navisworks。

4.2 施工精度控制

在进行体育场“V”形支撑柱和受压环梁等大型钢结构的安装前，通过对已安装构件进行扫描，再将获得的实际扫描数据与设计模型数据进行对比，即可对施工误差进行有效控制，还可据此对待安装构件进行实时调整。同时，项目部利用3D 扫描仪在钢结构焊接精度控制、预制看台板吊装精度控制以及现浇钢筋混凝土结构施工精度控制等方面进行了广泛的运用。

5 结束语

随着中国企业“走出去”的加快以及现代化体育场建筑的不断发展，BIM 技术与3D 扫描技术将在该类项目中得到越来越广泛的应用。卢赛尔体育场项目对两者相互结合进行综合应用的探索和实践，不仅为项目实施创造了巨大价值，更填补了我国在这个领域的空白，为今后同类项目的顺利实施提供了宝贵经验。