BIM+三维扫描技术在大型机场施工监测中的应用

陈奕才，蔡庆军，蔡文浩，卢建文，崔喜莹

(中国建筑第八工程局有限公司华南分公司，广东 广州 510700)

1 BIM+三维扫描技术国内外应用概况

1.1 国外发展现状

三维激光扫描技术出现于20世纪90年代中期，由激光雷达技术发展而来。利用激光测距原理，通过将激光投射到相应物体，再接收反射的激光，从而快速复建出被测目标的空间点云数据。目前，市面上三维激光扫描分为以下几种：机载激光扫描系统，主要用于大地测绘等城市级别的测绘工作；地面式激光扫描系统，也是建筑业最常用的仪器，主要用于建筑物外部、主体结构的复测工作；另外还有背包式及手持式激光扫描系统，分别应用于规划测绘及工业领域。相较而言，欧美发达国家在三维扫描技术上发展成熟，已形成一定规模，当前较为成熟的三维激光扫描仪主要有Trimble TX8和GX200，Leica Scanstation，Optech Real Work。

1.2 国内发展现状

我国在三维扫描技术上的研究应用起步较晚，随着国家大力推广和采用工业4.0技术，激光三维扫描仪也遇到了制造业数字化水平提升的时代机遇。近年来，三维激光扫描在现场勘察、地质灾害的调查、室内三维环境重建、古建筑及文物复原等领域都有着积极的应用效果，相信随着我国高端制造领域水平的提升，三维激光扫描仪有良好的应用前景。

2 工程概况

深圳机场卫星厅及其配套工程位于深圳市宝安区，占地面积16.3万m2，建筑面积约23.89万m2。本项目致力打造好管、好看、好用的精品工程，工期紧张、承包范围广、节点复杂、质量要求高、平面复杂等成为整个项目实施阶段的重难点。特别是对弧形结构行李机房系统、前期大方量土方测量、大跨屋盖结构变形及主体结构的施工质量控制、施工过程管控尤为重要。

3 三维扫描技术的应用

三维扫描技术在建设工程中的应用原理为基于点云模型特性，在现场主体结构完工后，运用三维扫描仪器分不同测站采集现场主体结构点云，运用专业软件进行点云处理，得到现场数据，并通过与BIM模型集成、点云几何数据计算等后期运用分析，得到有利于现场施工的数据模型或报告。

基于大型机场建设工程特点，针对行李系统布置、屋盖钢结构变形、大体积土方量测量、主体结构质量控制等方面展开BIM+三维扫描技术应用。

3.1 基于三维扫描的结构尺寸复核

3.1.1技术应用流程

基于三维扫描的结构尺寸复核流程如图1所示。

图1 基于三维扫描的结构尺寸复核流程

进行现场坐标点标靶定位，以便后期圆形点云及BIM模型偏差分析。根据现场情况多次采集测站点云数据，后台利用Realworks合成并整理点云数据，删除不必要的数据，根据现场标靶点及模型坐标，拼合BIM模型及点云模型。运用Realworks软件进行结构偏差分析，得出偏差报告、偏差图等，并运用点云模型进行其他应用。

3.1.2行李系统监测分析

卫星厅项目中央西地下1层为行李机房，为弧形仿清水混凝土结构。结构柱为圆形或椭圆形，采用传统方法放样测量难度大、误差大；行李机房设备众多，叠层布置机电管线穿插其中，使现场排布空间异常狭小；行李机房弧形结构众多，深化难度大，采用三维扫描技术辅助行李系统现场结构尺寸复核，测站分布如图2所示。

图2 行李系统三维扫描测站分布

通过整体三维扫描地下室，避免GPS及传统测量的累积误差，真实还原地下室完工后的状态，通过点云数据对比BIM模型，反向修改建筑结构BIM模型，使建筑结构模型与现场一致。调整机电模型，避免后期安装拆改，将点云数据提供给行李系统单位，用以检查模型与行李系统的碰撞问题，减少现场测量复核带来的工作量，解决弧线轴线及圆柱现场定位难度大的问题，从而优化管线综合设计方案，通过平面图、剖面图、轴测图提高深化设计精度，更好地指导现场施工。

3.1.3主体结构质量复核

大型机场主体结构面积大、范围广、过程实测实量难度大，本项目指廊局部区域有2层挑高，质量部门实测实量无法检测验收挑高区域，传统测量需搭设架体测量悬空柱及楼板，耗时久，且存在极大的安全隐患，为此项目通过三维扫描点云对比方式进行结构验收，避免安全隐患，高效完成实测实量工作。

通过整体扫描东北指廊，避免传统测量手段累积误差，真实还原东北指廊主体结构完成后的效果，将Revit导出.dwg格式，导入Realworks软件中，通过模型和点云对比，分析结构水平和垂直位移，通过点云匹配比对分析获取建筑物整体变形信息，得出结构与模型变形量，辅助质量部门进行结构实测实量及验收，主体结构尺寸偏差分析如图3所示。

图3 主体结构尺寸偏差分析

3.2 基于三维扫描的钢结构屋盖变形观测

3.2.1钢结构屋盖变形观测流程(见图4)

图4 基于三维扫描的钢结构屋盖变形观测流程

根据现场施工情况，选取合适站点，对钢结构进行多角度扫描；集成处理扫描的站点点云，获得新的钢结构点云模型；比对钢结构Tekla模型，分析钢结构屋盖变形情况；根据钢结构模型，运用逆向建模软件进行逆向建模，形成实体模型；提交金属屋面、玻璃幕墙的深化设计。

3.2.2钢结构屋面变形观测

大型民用机场由于使用功能要求，往往采用大跨度钢结构屋盖作为屋面结构。大跨度钢结构屋盖施工过程中的受力情况与成型后不同，需考虑结构体系变化，卸载后钢结构屋盖变形可能影响围护结构(金属屋面、玻璃幕墙)的深化设计及现场施工。为不影响金属屋面及玻璃幕墙施工，应提供金属屋面及玻璃幕墙准确的深化设计基础数据。

当钢结构屋盖安装完成并卸载后，对钢结构屋盖进行三维扫描，获取钢结构屋盖现场点云数据。由于钢结构有防火要求，钢结构下方有大量防火网，应利用特殊工具快速消除防火网，避免现场其他因素引起钢结构点云数据误差，并对比钢结构Tekla模型，根据可视化钢结构卸载后的变形状态，验证其受力体系变化。

基于钢结构点云数据偏差，重新构建钢结构BIM杆件模型，进行金属屋面及玻璃幕墙深化设计，钢结构逆向建模如图5所示。

图5 钢结构逆向建模

3.3 基于三维扫描的大体积土方量测量

3.3.1技术应用流程

大体积土方量测量流程如图6所示。现场选取合适的站点，对土堆多个角度进行扫描，利用Realworks合成并整理点云数据，删除无效的点云数据后，选择需测量的基准面，通过软件计算得到土方相对于基准面的体积。

图6 大体积土方量测量流程

3.3.2土方量测量

受场地限制，本项目土方共110万m3，引进三维激光扫描技术精确计算土方，提高效率，通过合理安排运力，消除以往面大地广测量取点的误差。

通过现场扫描合成点云，选取点云完善的区域进行处理，选取基准面，通过软件进行计算，得到点云相对于基准面的详细数据，从而得到土方量数据，避免用传统测量方法造成的网格统计误差，相比于传统测量速度更快、精度更高。

4 结语

1)通过应用三维扫描技术，减少测量人员的复测工作量，极大地提高工作效率，将扫描后实体结构真实反映在模型中，有利于快速对比分析，实现各单位高效决策，真正体现BIM技术的优势。

2)对于异形体建筑，BIM+三维扫描技术的优势已逐步体现，在结合多个软件的交互应用方面，可实时有效地分析是否满足设计要求，更直观高效地确定整体布局形式。目前存在的局限性是各软件互通处理时间较久、文件较大。

3)实践表明，三维激光扫描技术适用于大型航站楼复杂结构、复杂环境下大型工程的质量精准分析，对其他各专业有极大帮助，但存在互通性差的问题。