基于BIM的点云数据智能验收

李少旭

摘要：建筑物施工前，可依据蓝图创建BIM模型，形成建筑物标杆，建筑施工完成后，利用FARO三维扫描仪采集点云数据，利用SCENE软件处理点云数据，并在PolyWorks软件中同步比对BIM模型数据与SCENE点云数据，得出建筑物缺陷位置及精确的缺陷尺寸，完成建筑物智能验收。

关键词：BIM模型;三维扫描仪;点云数据;智能验收

随着城市化进程的加快及施工工艺的快速发展，建筑物竣工验收绿色化也迎来了新的挑战。现阶段，工程建设项目审批制度改革及“多测合一”工作推进，竣工验收时限缩短，验收质量要求更高[1]。基于工程高要求的施工精度、严格的质量要求，需要信息化的三维扫描+BIM新型验收方式。三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，是一种新型全自动高精度立体扫描技术，可以深入到任何复杂的现场环境中进行扫描操作[2]。三维扫描技术能实时拾取实体模型的空间坐标并形成点云数据，通过与BIM模型的对比分析，及时了解现场施工情况，对存在定位偏差、变形过大的构件及时采取补救措施。

在施工过程中涉及大量安装作业，必须对其实体质量进行精准高效地检测，传统的竣工验收测量已无法满足现代城市管理的要求[3]。BIM技术和三维扫描技术在国内的推广应用，为建筑的验收提供了新的检测手段。可在不影响施工进度情况下准确监测建筑施工情况，通过BIM技术和三维扫描技术相结合，可以形成全新的三维非接触检测手段。

1、点云数据采集原理

为保证三维扫描点云数据质量，研究中采用FARO Laser Scanner Focus设备进行扫描工作。Focus是一款高速三维激光扫描仪，能够在几分钟内为复杂的环境和几何图形制作出细节丰富的三维图像。该扫描仪主要包括激光发射器、激光反射镜、激光自适应聚焦控制单元、光机点自动传感转置等。工作方式为非接触式，通过发射高速激光获取到物体表面的距离、角度和反射强度，并转化为可读取的点云数据。工作时，将红外线激光束射到旋转光学镜的中心，该光学镜将使激光光束在围绕扫描环境垂直旋转的方向上产生偏差，之后，将周围对象的散射光反射回扫描仪。在测量距离时，三维扫描仪采用相位偏移技术，通过该技术，扫描仪可持续向外投射不同波长的红外光，当接触到对象后，会反射回到扫描仪。通过测量红外线光波的相位偏移，即可准确判断扫描仪到对象的距离，使用角度编码器测量Focus的镜像旋转和水平旋转，可以计算各点的x、y、z坐标，并对这些角度进行编码及记录。Focus通过测量接收到的激光光束的强度确定捕获的表面的反射性，浅色表面反射的发射光部分比深色表面的更多，该反射性用于向各个点分配一个对应值。随后单点测量重复执行，每秒最多可执行百万次，最终结果可以获得一个点云，即扫描仪环境的一个三维数据组，每个点云可以由数百万个扫描点组成。

2、点云数据采集实施

使用三维激光扫描仪进行点云数据采集，主要分为以下两个步骤：

①仪器固定及参数预设置

将扫描仪的上半部分安装到三脚架底座沿顺时针方向旋转螺母，在有风条件下，使用重物使三脚架平稳固定，固定完成后使用自动调平功能进行调平。执行扫描项目前，使用SCENE软件来设置SD卡（包含项目相关信息和设置）。这些数据信息随后可以传输给扫描仪。

②点云数据现场采集

建筑物由于其周围环境的复杂性，使得数据采集无法通过一个测站获取一栋建筑物的整体信息[4]。扫描前，应考虑到工作环境以及测站之间的点位可见度布置好测点数目和位置，确定每一站的扫描范围和重合度，一般两站点重合度达到百分之二十为宜。另外，采集的每个项目和子项目在创建时都会获得唯一的内部标识号，在SCENE的后期处理过程中将扫描组合到扫描群集将根据此标识号来进行，而不是基于项目名称。扫描的默认区域为垂直方向从-60°到90°，水平方向从0°到360°。采集点云数据时，室内设置采集距离为10m，室外为20m。前期如只采集数据，可关闭彩色扫描模式，使采集数据的时间更短，后期对采集到的黑白点云进行渲染，可在内业数据处理部分进行着色。

3、BIM数据导入与点云数据比对分析

在数据采集时，由于人为、周围环境等其他干扰因素的影响，采集的点云数据不可避免的存在异常点云（噪点），这些点的存在对精度造成了较大影响，因此必须进行降噪处理，研究中，利用SCENE软件处理点云数据降噪，降噪前，模型会显示为红色，降噪后，可进行绿色显示。

将建筑施工前依据蓝图创建BIM模型做为建筑物标杆，导入Polyworks软件，观察BIM模型在各处与点云数据模型各位置的偏差，并导出精确偏差，即可实现建筑物智能验收。用点对点的方式进行对齐，利用软件的分析菜单中的点坐标命令，分别检核点云模型和参考模型的坐标，并利用“精确移动”命令将点云数据和BIM参考模型精确对齐。对齐的参照点每层不少于3个，同时，收敛目标的迭代次数不宜超过50。点云和模型对齐后，使用“3D比较”功能对点云数据与BIM模型的一致性进行检查，检查结果可输出3D图形及文字报告。能直观地反映出误差对建筑的影响，得出建筑物缺陷位置及精确的缺陷尺寸，系统地表示建筑物整体质量。

4、智能验收应用

鹿港壹号院项目中，园区建筑分别采用全装配预制混凝土、装配式混凝土复合墙、轻钢结构住宅、预制混凝土空心模剪力墙、预制轻混凝土承重凹槽大板等不同的新型建筑结构体系技术。本次基于BIM的点云数据智能验收应用在6种不同体系后，通过点数据云与BIM模型比对分析发现六个建筑物共计206处未满足精度要求的施工点，其中52处需进行形变后重施工，104处需要进行微调，50处影响不大可不做调整。智能验收为工程提供了完整、准确、永久的数字档案，施工单位以点云文件为基础来保存竣工三维模型，供各参建方进行无纸化验收。

5、结束语

三维扫描采集点云数据的智能验收方式，改善了现场工作人员的工作方式，计算空间信息和对比偏差等工作均移至内业处理，不仅精简了现场的数据采集工作，同时，大幅减少了费力和高危险部位的测量作业，有效提高了檢测的精准度，这是一种全数检查方式，可以有效避免抽样检测的局限性。针对三维扫描的技术方法、技术精度、技术可行性等方面的研究具有实际的应用意义。

参考文献

[1]尚金光，张小波，陈超，李成.三维激光扫描点云及其全景技术在“多测合一”中的应用.[J].城市勘测，2020（2）：57-61.

[2]柯维杰，冯成武.三维激光扫描技术在城市建筑竣工测量中的应用研究.[J].科技咨询，2017，15（33）：62-63.

[3]徐炳前，马力.三维激光扫描在竣工验收中的应用[J].城市勘测，2018（5）：129-131.

[4]吴静，靳奉祥，王健，等.基于三维激光扫描数据的建筑物三维建模[J].测绘工程，2007，16（5）：57-60.

基金项目：本论文为2020年石家庄市科学技术研究与发展计划项目“基于BIM的点云数据智能验收”的最终研究成果。项目编号：201230831。

石家庄职业技术学院建筑工程系 河北 石家庄 050081