纵肋叠合剪力墙三维激光扫描精度检测

廖维张， 于欣洋， 王 彬， 赵欣雨

(北京建筑大学 a.土木与交通工程学院; b.北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044)

近年来非接触式传感方法得到了关注并开始应用，但大多仍采用卷尺、靠尺等接触式测量工具，费时费力[1～3]。随着现代建筑物规模巨大化、复杂化，传统的施工质量检测方法效率低下、错误频繁等问题逐渐暴露。BIM(Building Information Modeling)作为建筑行业的一项革命性技术，它的出现为建筑施工质量检测提供了新的方法。但由于施工现场数据量大、种类多、变化快，处理起来较为麻烦，致使BIM模型容易脱离现场情况，流于展示，且模型的修改往往基于实测实量，效率低下。三维激光扫描(3D Laser Scanning)技术的应用可以显著提高数据测量的精度和效率。运用三维激光扫描技术可以快速获得建筑现场实际点云模型，并结合BIM模型，通过碰撞分析得到建筑构件及整体的施工偏差，则可高效、智能化的指导建筑施工检测，减小误差，从而提高建筑数字化，充分实现信息共享。

从政策层面看，有关部门多次发文加快推进BIM集成化应用，推动装配式建筑质量智能化检测监测技术应用。《中国建筑施工行业信息化发展报告(2015)BIM 深度应用与发展》提出了“BIM+”，即BIM集成应用，主要包括：BIM与三维激光扫描技术、BIM与GIS、BIM与虚拟仿真技术、BIM与云计算、BIM与RFID等应用[4]。《上海市装配式建筑“十四五”规划》[5]中强调结合BIM技术，应用智能化检测监测工具，推动新一代智能化检测监测工具在装配式建筑建造过程中的应用，以构件为主体，细化数字化信息，研究测量数据的实时反馈技术。目前研究进展来看，Yoon等[6]将三维激光扫描技术应用于混凝土隧道衬砌预制构件预拼接和预制结构连接件位置的变化检测。通过自定义扫描仪选取800 mm隧道进行数据采集，结合数据分析对隧道裂缝和损伤进行检测查验。Kim等[7]研究了利用BIM和三维激光扫描技术检测预制混凝土构件尺寸和表面质量的评估系统和实用方法，结果表明使用BIM和三维激光扫描的拟议方法具有对预制混凝土构件尺寸和表面质量进行自动可靠评估的潜力。龚剑等[8]研究了基于三维激光扫描的超高层建筑施工偏差数字化检验系统及方法，可用于超高层建筑施工进度、位置和尺寸偏差的检验评估。徐晓珂[9]研究了三维激光扫描技术在装配式建筑中的应用，重点探讨了三维扫描实施的工作流程以及安装精度的控制。

虽然三维激光扫描技术应用于很多领域，但其在装配式建筑当中特别是装配式建筑偏差从生产到安装整流程的研究仅有少量，且多集中在构件扫描数据算法研究中。因此，运用BIM集成三维激光扫描技术，细化操作流程，实现夹心保温纵肋空心墙生产、安装整套流程的高精度检测具有重要意义。

1 高精度装配技术原理

1.1 纵肋叠合混凝土剪力墙概述

纵肋叠合混凝土剪力墙结构的夹心保温纵肋空心墙板安装由空腔内灌注混凝土代替套筒灌浆工法，竖向节点下层墙板上部的U型纵筋与上层墙板空腔内的外露纵筋搭接连接，夹心保温纵肋空心墙板模型及连接节点示意如图1,2[10]所示。相比于套筒灌浆工艺，夹心保温纵肋空心墙板U型纵筋连接节点的安装偏差更难控制，达到毫米级。相对安装精度要提高外墙立面垂直度、构件水平位置、标高等精度控制值，基于此种情况运用三维激光扫描及BIM技术以期实现高精度安装。

1.空腔;2.纵肋;3.混凝土板;4.纵筋;5.水平筋;6.拉筋;7.保温板;8.外叶;10.保温连接件

1.下层预制构件;2.上层预制构件;3.下层墙体预留环状搭接钢筋;4.上层墙竖向钢筋;5.水平接缝

1.2 三维激光扫描与BIM应用原理

三维激光扫描通过向被测对象发射激光束和接受反射的激光信号获取被测对象的空间点坐标数据。点的集合被称为“点云”(Point Clouds)[11]。三维激光扫描获取对象每个扫描点的空间坐标后，以点云进行基本数据表达和存储。

装配式预制混凝土构件厂及施工现场环境相对复杂，存在较多不确定性因素，仅依靠BIM技术预先进行模拟分析并不能完全的反映实际生产施工质量精度，将导致BIM模型无法及时高效的指导构件生产及施工安装。BIM与三维激光扫描技术的集成，将正向构建的BIM几何模型与逆向构建的实际扫描点云模型进行对比分析。BIM模型正向指导施工提高效率，逆向三维激光扫描模型基于已建建筑物，将实际施工情况以1∶1数字模型反映到BIM模型中，从而将实际施工和设计模型之间的偏差全部显示[12]。正向逆向结合，可达到快速检测误差，精确数据分析，提高生产、安装精度的目的。

1.3 构件公差数值分析

工厂生产和构件安装过程中更多的是通过关注改进工艺来提高预制构件的合格率，未对构件尺寸偏差进行系统性的过程质量控制分析，现行规范虽然给出了构件的误差范围，但尚未对误差数据提出合理的分布理论规律。公差是指构件生产安装中规定的最大极限尺寸Xmax与最小极限尺寸Xmin的差值，即上偏差与下偏差的差值，通用表示为IT，公式为：

IT(δX)=Xmax-Xmin

(1)

在构件公差符合范围内可进行部件的替换且不影响最终装配的质量，公差的大小决定了部件间的间隙和几何配合，是构件产品加工、安装质量的重要指标，直接决定了产品性能、装配成功率、生产成本和加工工艺过程的控制。例如在构件安装过程中时有发生最后几组构件误差大安装不上的问题，通过数据采集、分析公差可实现更加准确的构件替换。预制构件的生产、安装主要对x,y,z轴三维方向(图3)误差值分析，将所有构件生产、安装中的误差数据分组，其数学分布模型可用正态分布描述。正态分布曲线是中间凸出、两端下凹对称型的钟形曲线。正态分布曲线的概率密度函数可表示为：

图3 构件三维方向坐标

-∞0

(2)

该分布主要有2个控制参数：平均值μ和标准差σ，可表示为N(μ,σ)。σ越小表明随机数据集中程度越大，分散度小；σ越大则表明数据集中程度小，分散度大。

(3)

按照公差限取δ=6σ原则(即保证99.73%的产品落在μ±3σ区间内)，符合正态分布的数据尺寸偏差上、下限应为：

Tu=μ+3σ

(4)

Tl=μ-3σ

(5)

由实际公差范围确定整体偏差结果，从而研究三维方向上误差数据的分布规律，对比公差，分析实际数据分布规律。

2 技术应用实施方案

在分析技术原理的基础上，对技术应用可行性进行研究，并结合装配式建筑构件特点，以影响因素为出发点，确立技术应用各步骤的流程及目标，确定一套在装配式建筑构件生产到安装全流程的可行性扫描方案。

2.1 误差影响因素分析

2.1.1 构件生产、安装误差

在混凝土浇筑前，应对模具、钢筋网片、预埋构件及预留孔洞等进行核查验收，并做好相应记录。同样，在装配式混凝土构件安装过程中由于大型机械吊装、斜撑支设等因素的影响，构件实际安装精度难以精确控制在毫米级。预制混凝土墙构件通过轴线控制水平位置，通过靠尺多次贴靠来检测垂直度，安装误差随着单块墙板误差逐渐累积，整个标准层安装完毕后，经常出现墙板拼缝部分过大过小的现象。基于此现象，施工前应该制定专项施工高精度检测方案，包括混凝土构件的轴线、截面、平整度及标高。

在预制构件生产、安装阶段将非必要误差控制在最小范围，有利于BIM集成三维激光扫描技术的准确实施，便于数据采集与分析，减少扫描准备工作。

2.1.2 技术实施影响因素

技术实施影响因素主要包括扫描精度影响、工作流程影响以及组织架构资源配置。

扫描精度的影响因素主要包括仪器性能指标误差、目标表面因素误差、环境因素误差、点云匹配误差几个方面。三维激光扫描技术的应用包括外业数据采集到处理点云生成对比模型，其中具体工作的开展需建立在明确的任务线之上[13]。工作流程标准化主要包括外业数据采集标准化、内页数据处理标准化、构建BIM模型标准化、模型数据导出标准化。三维激光扫描数据采集、处理及BIM模型创建等过程均要求高精度细致化的工作，需要明确各任务阶段的责任，明确同组人员的具体责任，保证外业采集阶段效率，做好分工，责任到人，如图4所示。

图4 扫描人员职责任务安排

2.2 棱镜靶标法

传统三维激光扫描通过借助靶标球、靶标纸助力点云配准、拼接，但在施工安装现场扫描时，环境更为复杂，点云拼接站点数更多，因此借助棱镜实现坐标转换及靶标参照。棱镜的工作原理实际上是光的反射定律和折射定律，光在相同介质中发生反射时，其反射角和入射角相等。如图5所示，棱镜的尾部结构为三面正交(图中A，B，C面)，其形状如图5。图中直角三角形为反射棱镜尾部结构的一个断面，其中包括一个90°角，A面和B面相互垂直。入射光R1入射到B面上，然后再反射到A面上，最后反射光R2返回，其方向与R1互逆。

图5 棱镜构造

与传统靶标纸和靶标球不同的是，棱镜精度更高，且不易受周边环境影响，减少了传统方法中靶标球或靶标纸受尘土、雨水等因素的影响，其功能条件对比如表1所示。如图6所示，在棱镜架设完且调平后，使用三维激光扫描仪器探测功能，能够自动识别棱镜所在位置，以精确坐标的方式呈现。使用棱镜提高精度，不仅体现在点云模型拼接上，更为三维激光扫描仪各站点的定位提供了精确位置。

表1 功能条件对比

图6 棱镜靶标

2.3 外业数据采集

外业扫描具体步骤主要包括仪器架设调平、参数输入设置、图像数据采集、数据校核等方面。激光扫描产生的数据是1∶1的比例，其精度值和数据处理时间将根据分辨率设置而不同[14]，因此参数的设定对点云的效果具有直接影响。而扫描参数中扫描模式和扫描时间对点云质量影响较大，扫描时间越长噪点越多，影响点云后续处理精度。扫描工作流程如图7所示。

图7 扫描工作流程

扫描范围的参数设定为360°扫描，从而避免选定角度范围扫描的数据遗漏，影响后续点云拼接，如图8所示。

图8 360°环向扫描

2.4 内业数据处理

内业数据处理主要包括点云导入、降噪、拼接、剔除、导出等步骤，最终目标是获得精确点云模型。考虑到会有细小的变动影响，三维扫描仪器将进行自动配准[15]。点云配准是将两个数据集合并为一个数据集的技术，它首先为每个数据集选择匹配点，然后以该点为标准进行必要的调整[16]。

2.4.1 点云拼接方法

预制混凝土构件的整体点云可在构件斜对角两站扫描的情况下覆盖，点云重合覆盖率高，因此可进行自动拼接，自动拼接后通过检测数据拼接精度报告分析点云模型的可用性，为提高整体精度，将误差控制在1 mm。由于借助棱镜辅助坐标转换，各站点相对坐标已明确，导入到软件中即为拼接后的点云模型，在分析误差报告满足拼接精度后可直接进行降噪、剔除无关点云等处理工作。Magnet collage软件中拼接处理操作界面如图9所示。

图9 测站拼接处理

2.4.2 点云剔除处理

通过外业扫描得到的点云数据，数据量巨大，去除无效点云数据偏差，才能够保证最终得到的点云模型中数据的可靠性[17]。点云拼接后，预选目标对象的点云，剔除无关点云，创建新模型，为点云模型导出做准备，如图10，11所示。其具体流程主要包括数据剔除和点云分割。数据剔除即对已拼接好的点云数据进行旋转、平移、缩放，切换到合适的视角，删除无用的点云数据，如道路、树木、车辆等非目标地物，对数据进行精简，提高数据处理效率；点云分割主要是通过调整视角，依次在正投影和各个侧面投影中，应用多边形切割工具，对要剔除的无用点云进行分割[18]。区域平面分割结果是一组分割的点云簇，其中每个点包含x，y，z坐标及其法向平面度和曲率平面度[19]，即导出点云模型中包含每个点的数据信息。

图10 钢筋点云剔除

图11 斜支撑点云剔除

2.5 BIM模型精度控制

装配式建筑构件模型创建前应先了解其主要控制要点，通过熟悉图纸并勘察实际环境，确定先后流程，有针对性的创建模型。BIM模型主要包括预制混凝土构件模型和现场安装标准层模型，运用Revit软件进行建模。其中单独预制混凝土构件模型要更加严格控制形状、洞口尺寸等，依据构件详图(图12)创建单个构件的模型，每个构件单独存储。标准层模型主要包括预制内、外墙，建模过程中要严格控制标高，精确控制项目基点坐标。此外，还应提前分析标准层图纸，确定最终的导入控制图。

图12 构件尺寸控制图

2.6 数据对比误差分析

点云模型和BIM模型全部处理构建完成后进行二者的叠加对比分析。通过Navisworks Manage软件将点云模型和BIM模型导入，创建选择树(Search Tree)，即项目浏览栏。由于点云扫描项目坐标和BIM模型坐标为同一数据，导入到Navisworks Manage中后，两模型自动叠加拟合，如图13，14所示。

图13 项目坐标控制

图14 Navisworks Manage叠加点云

上述工作完成后进入数据的分析处理阶段，选中选择树里的所有墙项目文件，在软件的附加功能中将叠加拟合的数据导入到Verity中进行误差对比。Verity中的操作步骤主要包括误差限值设定、报告分析设定，此处误差精确到1 mm，设定完成后进行分析并生成误差报告。

3 案例应用

3.1 项目概况

本实验项目为北京市怀柔区某装配式住宅5#楼工程，三层及以上外墙和部分内墙采用预制夹心纵肋空心墙板，为纵肋叠合混凝土剪力墙结构，外墙厚度为340(60+80+200)mm，内墙厚度为200 mm。实验研究选用标准层进行，从构件生产到施工安装，结合工程施工组织设计及T/CECS 793—2020《纵肋叠合混凝土剪力墙结构技术规程》和GB/T 51231《装配式混凝土建筑技术标准》[20]，运用BIM及三维激光扫描技术，借助拓普康GLS-2000扫描仪，实现高精度质量检测。规范T/CECS 793—2020允许偏差及检验方法如表2所示。

表2 预制构件生产、安装允许偏差 mm

3.2 扫描测站布设

3.2.1 构件扫描测站布设

由于构件存放插架间距较小，且两排并行插放，扫描覆盖难度大，在构件对角两站点布设的原则下，中间部分采用其余站点的扫描覆盖，后期经过点云处理满足点云分析使用要求。本次构件扫描布站方案如图15所示，按测站先后顺序进行扫描。

图15 构件扫描布站示意

扫描后及时使用扫描仪显示屏回看点云图像，检查有无遗漏，如图16所示。在参数设定时，仪器设定为近景模式，扫描范围为360°,每站扫描时间为2 min 57 s。

图16 构件外业扫描及点云

3.2.2 标准层扫描测站布设

预制构件安装速度快，需提前进驻现场实时掌握施工进度。扫描对象为预制内外墙构件，在上一层顶板施工完成后进行实地勘察，规划站点位置，确保预制构件安装完成后扫描点云全覆盖。结合BIM模型勘察现场环境，并使用棱镜校核探测误差，如图17所示。依据轴线引测坐标，在第一站参数输入设置时将坐标录入仪器中，并结合棱镜自动探测下一站点的坐标。

图17 参照BIM模型布站及棱镜探测扫描

标准层预制构件现场安装扫描共布设测站点8站，图18中C1和C2站点为最先架设扫描点，放置于现场两端既可采集数据又能同时最大化地校核现场误差。C3～C8测站点的布置巧妙结合了现场构件的间隙，在站点规划最少的情况下覆盖所有构件的各个角点云，提高棱镜的使用效率。全部测站点扫描完成后，现场及时检测数据的有效性。

图18 测站布置点

3.3 点云数据处理及模型建立

预制构件点云处理主要目的是通过点云导入、降噪、拼接、剔除、导出等步骤生成满足碰撞分析要求的点云模型。在实际操作过程中，针对不同构件进行单独存储。以其中某个构件为例，主要处理流程如图19所示。

图19 构件点云模型处理

装配式构件安装完成后的标准层环境更为复杂，处理前及处理后的整体点云模型如图20,21所示。其中反射率点云模型能反映出激光反射程度，颜色偏红和偏蓝分别代表正、负值，趋于绿色为反射率较高的部分，点云精度也最高。图像叠加点云模型中叠加了现场照片，点云结合实物图更清晰真实。按测站划分的点云模型处理前后代表每站覆盖点云的颜色有变化，但覆盖范围不变，可清晰的显示每一站点的覆盖范围。通过三种不同状态下的点云模型对比，可更直观比对并进行点云剔除。

图20 点云处理前

使用棱镜靶标法，每一测站的点云间存在相对坐标，但实际的扫描棱镜探测也会存在误差。表3中以测站名称命名了棱镜靶标所在位置的靶标点名，如靶标C2是棱镜放于测站C2位置时的靶标名称，即三维激光扫描仪在C1测站探测C2测站坐标。由表中数据棱镜靶标法拼接后的测站误差(Δx,Δy,Δz)三维方向上在2 mm以下，外加噪点、环境因素的误差影响，以及三维激光扫描仪2 mm@150 m的精度影响，棱镜拼接误差满足点云模型碰撞使用要求。

图21 点云处理后

表3 棱镜靶标测站拼接精度 mm

3.4 BIM模型和点云模型碰撞对比

使用Navisworks Manage软件将点云模型和BIM模型逐一叠加，构件、标准层点云和BIM模型的叠加操作界面如图22所示。图22b中最大化对其叠加部分进行了精简，只保留对比的墙构件点云和BIM模型，以提高对比识别精度。

图22 点云模型和BIM模型叠加

在verity中的显示结果以单独构件三维误差分布图和误差数据统计表方式输出。图23选取了部分生产构件的误差分析云图，其中绿色部分变形最小，蓝色部分代表负偏差，红色部分代表正偏差，红色或者蓝色越深，表明正负变形的值越大。

图23 构件生产误差分布

图24对于构件安装的误差分布因整体数据偏差量较大，结果输出时设定以绿色区域为合格，红色区域为大误差，再通过具体数据分析直观显示误差的正负值。从图中可以看到，交错的斜道为剔除部分斜支撑后留下的痕迹，在整体误差分析中对构件安装精度的分析影响较小。

图24 构件安装误差分布

3.5 基于公差理论的偏差数值分析

从具体数值来看，标准层构件安装的宽度、厚度误差大部分超出规范要求，其三维方向的误差基本服从正态分布，频数分布直方图和正态曲线如图25所示。由数据及计算分析可知，预制构件墙的宽度、厚度值基本都超出规范安装精度要求，且超出比例较大，而垂直方向多集中在规范值范围内，合格率较高。

图25 安装误差直方图

安装误差中x轴公差范围：

均值：

(6)

标准差：

(7)

=0.032 m

(8)

实际公差范围：

Tu=μ+3σ=0.102 m

(9)

Tl=μ-3σ=-0.090 m

(10)

安装误差中y，z轴计算同x轴。

如表4～6所示，标准层中所用12种规格构件的宽度、厚度生产误差从具体数值上看基本都超出规范要求。其三维方向的误差基本服从正态分布，误差正态分布规律与安装误差相似。

表4 构件安装误差对比 m

表5 构件生产误差 m

表6 构件生产误差对比 m

4 结 论

本实验采用纵肋叠合混凝土预制构件的装配式项目运用三维激光扫描技术逆向构建了构件及标准层的点云模型，并通过将点云模型与原有的BIM设计模型进行具体的偏差值分析，直观地从不同维度将构件两种模型进行对比，找出生产和安装的明显偏移量，得到构件的偏差值、下公差和上公差以及偏差数据报告，为后续生产、安装施工提供真实的数据报告，保证了后续施工的质量和效率，是完整的将三维激光扫描与BIM技术相结合并进行整套流程应用的成功案例，为其他装配式项目的三维激光扫描及高精度生产、安装施工提供了有价值的参考，据此可得到以下结论：

(1)BIM集成三维激光扫描技术是装配式预制构件生产、施工整个流程精度控制的有效技术方法，可以实现高精度的误差数据碰撞分析。

(2)夹心保温纵肋空心墙板由于自身连接节点的特点，水平方向误差较大，与实际安装情况相符，三维激光扫描可将检测误差控制在毫米级。实验建立的集成技术实施路径可为这一新型连接体系的构件从生产阶段降低水平向误差，进而提高安装精度。

(3)对于装配式纵肋叠合混凝土剪力墙这一新型连接体系，使用三维激光扫描及BIM技术能大大提高应用精度，但对于项目的实际工况标准应作严格要求，避免构件生产、施工安装不规范造成的误差，否则高精度检测应用意义不大。此外，在现阶段数字化构件生产线中，可将三维激光扫描作为构件质量检测的工序，提高精度和效率。