三维激光扫描与BIM技术在道路工程质量检验中的应用

陈孝哲

（广东省建设工程质量安全检测总站有限公司 广州510500）

0 引言

BIM 技术是一种应用于建筑工程领域的信息化技术，其利用计算机强大的计算能力，将建筑工程以三维可视化模型的形态展示，同时承载着建设各个阶段中形成的数据信息［1］。在竣工验收阶段，以竣工图纸为参照，创建能够反映设计意图的设计BIM 模型，以三维激光扫描技术获取能够反映真实现场的点云模型，将BIM 模型与点云模型进行对比分析，即可得到实际与设计的误差，使施工质量检验工作智能化和自动化，从而保证施工质量［2］。

1 三维激光扫描

1.1 基本原理

三维激光扫描仪的利用激光测距的原理，记录目标点P 与扫描仪仪器中心（坐标原点）的斜距S，同时通过精密时钟控制编码器测得每个激光脉冲横向扫描角度α（水平角）和纵向扫描角度β（垂直角）。仪器自定义坐标系统的坐标原点位于仪器中心，Y 轴由仪器自身扫描脉冲方向确定，Z轴为竖直向上，由直角坐标系确定坐标系的X 轴［3］，如图1 所示。由极坐标系公式可计算得采样点三维空间坐标P（Xp、Yp、Zp），计算公式如下：

图1 采样点坐标计算原理示意图Fig.1 Calculation Principle of Sampling Point Coordinates

1.2 三维扫描作业

外业采用后方交会转站的连续扫描模式以提高扫描精度，该方法获得的点云无需内业拼接，具有更高的精度，同时以已知点为控制点坐标，实现点云数据自动配准［4］。以某道路工程为例，其扫描站点布置如图2 所示，三维扫描外业共进行了14 次设站扫描，后视点4 个，已知点5 个，依次在各测站对人行道路面、车行道路面及挡土墙外立面进行三维扫描，共获得3 658 万个点云数据，其中包括远处的道路、建筑、绿植以及车辆等，原始点云如图3⒜所示。

图2 扫描站布置示意图Fig.2 Layout of Scanning Station

1.3 点云数据处理

采用Trimble Business Center 对扫描结果进行处理。提取道路和挡墙表面数据，需对点云进行去噪处理。其步骤为：①手动删除检测范围以外的大部分点云，包括远处的建筑、绿植；②设置设计面到扫描点的距离d，计算所有扫描点与设计面的垂距，根据距离将距离大于d的点剔除；③利用滤波器进行离散点去除，输入临近点的个数及到临近点的距离，计算所有临近点平均距离，若平均距离不在设置的范围内，则该点为离散点，并将其剔除；④经离散点去噪后仍可能会存在噪点点云，可采用手工提出或图像识别等方法进行进一步去噪［5］。去噪和删除无关点云后的有效点云如图3⒝所示。

2 道路设计BIM模型

以参数化的手段创建道路设计BIM 模型［6］，依据竣工图提取设计路线平纵数据及标准横断面，进行三维道路设计BIM 模型的创建［7］，道路路线平纵断面绘制如图4所示，参数化横断面模板如图5所示，道路三维实体模型如图6所示。

图4 道路路线平纵断面Fig.4 Horizontal and Vertical Sections of the Route

图5 参数化横断面模板Fig.5 Parametric Cross Section Template

图6 道路设计BIM模型Fig.6 BIM Model of Road Design

提取车行道及人行道路面表面和挡土墙外立面表面，所有表面均为三维曲面模型，如图7 所示，以此表面模型为设计基准面模型，与实测三维扫描点云数据相结合，进行模型对比分析［8］。

图7 三维表面模型Fig.7 3D Surface Model

3 模型对比分析

采用Geomagic Qualify 软件进行模型对比分析。通过设计模型数据与外业采集的点云数据进行比较，以偏差值不同点赋予不同颜色来显示偏差大小，即可将施工误差以可视化的方式进行呈现。

3.1 车行道及人行道

将提取的道路三维BIM 模型车行道及人行道表面与三维扫描点云数据结合，提取各点与道路设计表面的垂直距离，图中负数代表实测值低于设计值，以青（蓝）色表示，颜色越深表明偏差值越大，得到模型对比云图，如图8、图9所示。

图8 车行道模型对比云图Fig.8 Roadway Model Comparison Cloud Map

图9 人行道模型对比云图Fig.9 Sidewalk Model Contrast Cloud Map

3.2 挡土墙外立面

将提取的道路三维BIM 模型挡土墙外立面表面与三维扫描点云数据结合，提取各点与挡土墙设计表面的三维垂直距离，图10中正数代表实测表面位于设计表面外侧，以红（黄）色表示，负数代表实测表面位于设计表面内侧，以蓝（青）色表示，颜色越深表明偏差值越大，依据《公路工程质量检验评定标准JTG F80/1—2017》［9］，悬臂式和扶壁式挡土墙水平位置实测允许偏差为≤30 mm，在合格标准内的值以绿色标识，得到模型对比云图，如图10所示。

4 结语

图10 挡土墙模型对比云图Fig.10 Comparison of Retaining Wall Models

针对建筑工程施工验收阶段，道路工程施工与设计之间的差异，本文提出了以三维激光扫描技术来进行施工质量检验的方法。搭建道路设计BIM 模型和道路现状点云模型，通过比对模型，得出施工与设计之间的数据偏差，并将对比分析结果可视化，经实践验证，该方法可操作性强、分析结果可靠，可用于评估现状施工质量［10］。