BIM技术结合三维扫描在国家速滑馆工程质量管理中的应用*

李占东，张 勐，叶 旭，赵杰琼，张博伟，左晶晶，李 涛

(北京住总第四开发建设有限公司，北京 100026)

0 引言

随着BIM(building information modelling)技术的发展，我国建筑业信息化水平得到大幅提升。BIM技术结合大数据、云计算、物联网以及GIS等信息技术的集成应用，也促使建筑业从过去的粗放式发展逐步向精益化、智能化转变。在勘察设计阶段，BIM技术能实现快速数值模拟、空间分析和可视化表达，并辅助进行设计方案的性能和功能模拟分析及优化，极大提升了勘察设计质量和效率。然而在施工阶段，BIM技术仍存在管控滞后的问题，在工程质量全过程动态管理方面的应用仍存在不足。因此，三维激光扫描技术(3D laser scanning technology，也称实景复制技术)应运而生。当前，三维扫描技术多应用于古建筑与文化遗产保护、工程施工土方开挖测量、室内设备设施扫描建模、逆向施工、桥梁等大型构筑物的沉降监测以及旧改项目改造等，在施工质量控制等方面也发挥着重要作用。本文以国家速滑馆工程为例，分析BIM技术结合三维扫描在质量管理中的应用，分析该项综合技术的优势，并为今后的技术实施提出应用建议。

1 工程概况

国家速滑馆项目采用全专业BIM深化设计，充分结合数字化仿真、物联网等信息技术，进行装配式预制和现场拼装，是建筑业信息化及智能化发展的有益探索。国家速滑馆建筑面积约9.7万m2，地下2层、地上3层。其中，工程地下1、地下2层主体结构主要技术指标如下(见图1)：东西车库地下2层，约4.6万m2；功能房间共计507个，其中机房112个；地下环廊长1 052m，通风电缆管沟长488m，全馆风系统管道共计约5万m2；水系统主管道约2 000m、支管道4 000m，消防系统管道约5.7万m；智能建筑含39个子系统，线槽约5.5万m、穿线管20万m；布线总量200万m、机柜400台；各系统设备(含元器件)安装合计总量4万台。

图1 国家速滑馆工程地下1，2层示意

2 工程特点与难点

国家速滑馆工程受到社会各界的高度关注，在工程管理、工程进度、质量、安全以及信息化都面临很高要求，工程本身的专业技术难度大、智能化标准高、系统复杂也为工程实施带来许多挑战。因此，工程建设、设计及施工等相关单位需积极应用基于BIM的信息化技术，提高建设效率，保证各项工程目标的顺利实现。

1)社会关注度高，工期要求紧张

国家速滑馆是北京冬奥会的重要比赛场馆之一，国家对该工程高度重视，社会各界对此新建场馆的期待也很高。同时，工程的工期要求非常紧张，在短时间内完成高标准的工程建设对工程管理水平有着极高要求。

2)施工难度大，复杂程度高

国家速滑馆工程地下1层、地下2层环廊内管线密集，整体空间狭窄，管线综合调整难度大，弧形部位施工复杂程度高。管线综合模型需根据实际施工中的问题进行不断深化调整，以满足实际施工要求。

3)专业相互交叉，协调难度大

工程主体结构以及建筑装饰装修等各专业相互交叉。为避免各专业冲突和碰撞，需要采用更高效、精确的信息技术手段解决排布问题，优化施工管理。同时，该工程系统繁多，各专业子系统建模、模型审核和整合工作量巨大。因此，工程建设需要充分发挥基于BIM及信息化技术的各专业协调管理作用。

3 BIM技术结合三维扫描的实施

为有效解决上述问题，充分利用信息化及智能化建造技术，国家速滑馆工程积极探索三维扫描结合BIM技术的相关应用。通过联动AutoCAD，Revit，Rhino等三维软件，可以高效且准确地采集建筑物相关信息，并得到数字化模型。应用三维扫描技术的主要工作内容包括控制网布设、三维扫描、数据预处理、三维比较及数据统计，其应用流程如图2所示。

图2 三维扫描技术应用流程

3.1 三维信息模型的建立

利用Autodesk Revit 软件根据施工图纸对国家速滑馆及其附属设施进行三维模型的建立，建立结构、建筑、装修、机电等全专业模型，模型精度控制在LOD400。从原有策划的LOD350精度提升至LOD400精度，目的是为了使所建立的模型与深化设计后的图纸完全相符，为后续模型应用奠定基础。

在模型的建立过程中，采用基于云服务器的Revit协同建模方法。原有的Revit协同建模方法是基于物理服务器，通过各个工程师的计算机与物理服务器连接，通过中心文件实现协同建模，即多个工程师在同一时间段共同对同一个项目的模型进行建立，以此提高建模效率。但是该方法需要购置物理服务器，购置成本、运行成本偏高。通过技术创新和不断尝试，使“基于云服务器的Revit协同建模方法”得以实现，这样不但能很好地实现传统方法的功能，同时可以节约成本。

3.2 控制网布设

在现场勘探之后，使用Trimble S9全站仪进行控制网布设。该全站仪具备可视化技术、自动搜索和跟踪棱镜、实时设备管理、精确定点以及超强协同作业等功能。其扫描速度可达15点/s，扫描范围在1～250m。为确保数据安全，该仪器采用安全性双层密码保护，有效降低仪器被盗风险。

3.3 三维扫描

使用Trimble TX8，TX6三维激光扫描仪，其测量距离范围分别为0.6～340m，0.6～120m，在100m距离范围内测距误差2mm。其中，Trimble TX8在高精度模式下的2～80m范围内，测距误差仅为1mm，扫描速度可达1 000 000点/s。内置全景相机可进行颜色采集，获取纹理信息不低于1 000万像素，获取速度快，采集时间不超过2min。通过在工程现场布置标靶球，利用标靶点对每个扫描测站的数据进行拼接，形成初始的工程点云数据。

3.4 数据预处理

由于初始的点云数据包含许多冗余数据，为了使建模更加准确，进行数据预处理十分关键。运用Trimble Realworks软件进行扫描数据后处理，该软件具备地形采样、地面平整度检测、地形测量、点云自动分类、点云数据输入、基于点云建模以及点云自动着色等功能。软件可与AutoCAD，Recap以及SketchUp等无缝对接和集成，实现实时交互建模。经过数据处理的点云数据还可以应用在测绘计量、仿真模拟以及虚拟现实等工作中。三维扫描生成的点云模型如图3所示。

图3 速滑馆工程原始点云模型

3.5 三维比较及数据统计

Geomagic Control软件能够对数字参考模型和实际制造工件进行快速、准确和图形化的对比，在样件检测、生产检测和供应商质量管理方面有诸多应用。通过该软件，可将工程实体扫描数据与BIM模型比较，通过生成三维彩色偏差图模型来反映误差情况。并且自动生成详细的检测报告，包含检测数据、多重视图、注释和结果，导出的数据可应用于趋势分析和统计过程控制。由Geomagic Control生成的三维数据对比报告可知，评估偏差的最大临界值、最大名义值、最小名义值以及最小临界值。并且得到有关工程的最大上偏差、最大下偏差、平均偏差以及标准偏差，快速发现超出最大、最小临界值的工程点。

进一步可对点云模型与图纸的匹配度进行核查。包括垂直空间、水平尺寸、相对位置、是否有对象多余或缺失等问题。通过扫描点云数据与BIM模型误差报告的大数据分析，能准确捕捉主体结构中质量偏差的关键部位，形成色谱图，具体偏差数值由软件根据对比情况自动生成，并可以设定筛选区间，将0～100mm,100～200mm,200～300mm,300mm及以上四类区间分别显示，以便根据不同程度的偏差针对性选择整改措施(见图4)。

图4 三维扫描模型与BIM模型结合

3.6 进行质量管理PDCA循环

在获取相关偏差数据后，针对不同程度的偏差制定差异化纠偏措施。对100～300mm偏差制订了相关整改计划。并借助“质量巡检系统”进行整改信息在相关人员之间的传递。

3.6.1制定整改计划(P)

1)准备工作 ①首先应明确混凝土垂直度、平整度偏差不合格的部位及偏差大小，并标记清晰；②准备好施工过程中使用的吊篮、架子、铁锤、电锤、吊锤、墨斗；③技术员对工人进行施工技术、安全交底；④施工员负责对工人进行技术指导和检查监督工作；⑤要求待修补处的混凝土强度达到设计强度的100%后，才能进行修补工作；⑥提前准备修补需要的材料，如河砂、水泥、瓜米石、钢丝网、钢筋、植筋胶，模板等。

2)整改方法 ①垂直度偏差10～20mm的墙体处理措施 根据色谱图提供的数据找出偏差点→剔凿正偏差点部位后打磨平整(冲洗干净负偏差部位，采用高强度等级砂浆修补平整)→报项目部质检部检查至合格→报监理单位复核。②垂直度偏差20～30mm的墙体处理措施 根据色谱图提供的数据找出偏差点→剔凿正偏差点部位后打磨平整(负偏差部位冲洗干净后满挂钢丝网，然后采用高强度等级砂浆修补平整)→项目质检部检查至合格→报监理单位复核。③垂直度偏差30mm以上的墙体处理措施 根据色谱图提供的数据找出偏差点→剔凿正偏差点的部位后打磨平整(负偏差的部位必须植筋设置φ4钢筋网片后支模加固，浇筑细石混凝土修补平整)→项目质检部检查至合格→报监理单位复核。④平整度偏差在9mm以上的墙体的处理措施 根据色谱图提供的数据找出偏差点→剔凿正偏差点部位后打磨平整(负偏差部位冲洗干净，采用高强度等级砂浆修补平整)→项目质检部检查至合格→报监理单位复核。

3.6.2进行偏差处理(D)

通过BIM模型提供的位置以及色谱图提供的偏差数据，精确确定质量偏差存在的位置以及偏差程度，对质量问题进行整改，并将整改信息通过质量巡检系统发送至质量检查人员，质量检查人员收到巡检系统的提醒后再做下一步处理。处理过程严格按照整改计划进行，并注意以下问题：①处理后必须保证结构实体满足规范要求；②剔凿时如有墙体钢筋外露时，严禁切割钢筋，对外露钢筋刷水泥浆结合层后再行修补。

3.6.3检查(C)

质量检查人员收到质量巡检系统的提醒后，对整改部位进行检查。在对所有整改部位检查完毕后，重新对整改部位集中区域进行三维扫描，生成新的点云模型，与BIM模型进行重新整合，生成新的色谱图，从而导出整改过后的偏差数据。通过分析整改前后的数据确定整改情况。

3.6.4处置(A)

对于色谱图中仍然出现的正负偏差采取有效措施及时进行整改。通过以上程序实现基于BIM技术和三维扫描数据的质量管理，形成管理闭环。

3.7 提升机电安装质量

此外，还可将点云模型与机电模型整合对比，分析机电深化设计的正确性，分析施工过程中是否存在误差(见图5)。通过点云数据开展碰撞检查更具有真实性，避免因现场偏差造成下道工序无法安装的情况。

图5 点云模型与机电模型整合对比

4 BIM结合三维扫描的技术优势

4.1 提高数据精度、精简测量工作

三维扫描测绘数据精度很高，得到的数字化模型为细化测绘、设计规划、研究计算、场景仿真提供基础。并且，采用非接触面测量方式在施工现场对建筑物进行三维扫描，可方便测量人员缩短现场工作时间，减少往返现场次数。摒弃传统以钢尺、图纸作业为主的繁琐测量方式，极大地提高测量工作效率。

4.2 提升建模效率、实现智能分析

对于建模及图纸对照工作，基于点云数据的自动化数字建模相比传统测量、绘图及建模更准确高效，图纸对照也更加智能化。扫描结果与基于BIM的设计模型相互关联，还可直接由软件分析得到偏差，能明显提升工作准确性。通过导出现场数字化实景，设计单位可将新的设计单元与已有场景进行虚拟结合，使设计及设计审核等工作更加可靠。此外，数字化的影像资料(图像、视频等)还有利于各相关单位间的信息沟通，使复杂的工程图纸更直观易懂。

4.3 全面质量检查、加强质量控制

施工过程中，阶段性地对已完工工程进行三维扫描，能够快速获取精确的建筑结构模型。针对质量检查的内容和要求，通过三维扫描技术生成的结构实体点云模型与利用BIM技术制作的三维模型进行对比，可以高效地发现工程结构实体存在平整度、垂直度等质量偏差，以及相对精确的偏差程度。在传统的实测实量管理过程中，工程管理人员仅仅是对整个工程的某几个抽样位置进行偏差程度检查，并且是事后检查。而BIM技术结合三维扫描则是对整个工程的所有位置进行检查，并且可以在任意时间进行，也不受工程管理人员技术能力的限制，将检查误差降到最低，以最客观的数据展示工程实体质量问题。在竣工验收过程中，可对竣工验收工程进行三维扫描，获得准确的建筑数字模型，绘制建筑竣工图纸，进行建筑竣工资料管理。

4.4 缩短建设工期、节约建造成本

结合BIM的三维扫描技术有利于优化管线和设备综合排布，提升观感质量，有效利用建筑空间，方便施工；有利于提前发现并解决施工中的问题，有针对性地深化方案，避免碰撞、增强协调、减少拆改，确保机电安装工程质量，从而减少由返工造成的不良影响，节约工期和成本。

5 结语

通过分析国家速滑馆工程应用BIM技术结合三维扫描进行质量管理的案例，可以发现当前该项综合技术具有很大的发展前景。三维扫描结合BIM技术可在工程质量管理方面提升管理效率和管理水平，同时也为质量管理提供实现信息化的解决方案，推动质量管理从经验型管理逐步走向数据型管理。未来，基于BIM的三维扫描技术还有进一步的发展空间，实现基于信息技术的工程全过程质量管理。