三维激光扫描测量技术是目前工程测量技术领域继GPS技术、RS技术、GIS技术后的又一项技术革新, 具有自动化测量数据采集和处理, 实时化点云、三维图像生成和传输, 数字化基础数据共享等功能。

BIM技术促进我国建筑产业加速进入信息化时代, 基于BIM信息模型的建筑工程项目管理信息化可有效提升项目生产效率、缩短建设工期、提高建筑工程质量, 并降低工程造价, 而BIM信息模型的参数与建筑实际工程中设计、施工及竣工使用期间的参数一致性成为项目信息化管理的关键。

相比传统测量勘测和放样, 3D扫描和BIM信息模型深度融合可有效解决参数一致性问题, 建筑施工过程中的3D扫描测量参数结果与BIM信息模型参数的对比可用于现场指导施工定位、检测工程质量、扫描还原古建筑、检测装配式构件缺陷、监测变形等^[1]。本文针对3D扫描测量+BIM技术的工作原理、工程应用及存在问题进行探讨。

1) 3D激光扫描技术通过高速激光扫描测量建立目标物体的三维坐标, 达到实景复制目的, 美国CYRA公司和法国的MENSI公司率先实现该项技术^[2]。3D激光扫描技术配合HDR高分辨率影像捕捉系统, 并采用了激光测距传感器及高精度角度传感器。三维测量原理包含量测距离、测量目标角位移、三维扫描和定向, 利用移动探测器传递信号数据, 经过后台数据处理软件计算得出所需的点云数据。目前3D激光扫描仪远程工作距离可达1000m以上, 短距离高精度3D测量应用精度可达2.5mm, 可满足建筑工程质量检测需求^[3]。

2) BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具, 全面采用参数化方式进行设计, 通过参数关联技术建立三维空间模型, 建筑工程所有基本构件相关的参数都存放于统一的数据库中, 实现了信息整合, 并可进行各种可视化分析 (空间、体积、效果图、结构、传热等分析) ^[4]。

目前3D扫描技术与BIM技术结合存在2种应用模式: (1) 数据对比应用模式在建筑施工期间通过三维激光扫描测量获得现场数据, 对比BIM信息模型设计参数, 检测施工质量, 如质量监测、缺陷检查、变形监测等 (见图1) ; (2) 逆向建模应用模式针对无设计模型或改扩建项目, 通过对建筑进行三维激光扫描, 获得现有建筑模型数据, 再根据模型数据逆向创建BIM信息模型, 如古建筑还原等 (见图2) 。

3D激光扫描与BIM技术融合可综合应用于工程质量检测、装配式建筑预制构件安装, 通过数据对比应用流程, 可检查出现场施工构件与设计图纸构件的位移差别, 达到指导结构安装、检查构件及确保装配质量的目的。

深圳机场T3航站楼是全国首次将高精度三维测量技术应用于幕墙安装施工全过程的项目^[5], 根据起始点建立首级平面控制网, 在首级控制网上进行控制点的二、三级加密。高程采用四等水准布控。实测钢结构与幕墙节点的三维坐标并提供给设计人员。提取结构特征点的三维坐标, 利用各级测量控制点, 用全站仪将三维坐标投放至设计位置以供施工使用, 确保测量和施工精度符合规范要求。

湖北某个建筑工业化项目施工全流程整合BIM技术和3D激光扫描技术成为工程亮点^[6], 首先使用BIM软件对建筑整体和各部分进行设计;PC构件厂根据BIM模型和数据生产每层对应的墙板、楼板、梁、柱、楼梯、阳台等“零件”;最后验收人员采用3D激光扫描技术对构件进行质量验收, 实时呈现构件缺陷 (见图3) 。

基坑、边坡、隧道、水坝等变形监测是质量检查、防灾减灾过程中的常规工程措施, 3D激光扫描测量精度符合工程测量精度要求, 可反映目标建筑物的三维位移, 即沉降和倾斜位移。如高空航拍、高速移动测量已应用于水坝和高速公路监测, 可满足工程观测需求 (见图4) , 在大坝、船闸、房屋、铁路、桥梁等工程变形监测中均有3D激光扫描监测的应用案例^[7,8]。

通过3D激光扫描技术对年久失修且无设计资料的古建筑及文物进行扫描获取参数, 快速准确地形成电子化记录和数字化存档信息, 利用BIM逆向建模永久保留设计图纸, 可方便后续修缮改造等工作。北京故宫、伦敦博物馆等对馆内文物已开展扫描建档工作, 并逐步形成数字化博物馆^[9,10]。

目前, 建筑、桥梁、公路改扩建工程日益增多, 针对原有设计方案创建BIM模型, 有利于设计方案比选。迪士尼中国实验中心楼 (上海) 在改建过程中, 利用天宝TX5 3D激光扫描技术获取原有建筑参数^[11], 逆向建立BIM模型发送给国外设计团队进行方案设计, 施工过程通过监控实时指导。

3D激光扫描仪器尚处于普及推广阶段, 不同厂家外业数据和内业处理系统不一致, 导入BIM建模软件存在不兼容现象, 制约其大规模推广使用, 并提高工程采购成本, 行业需出台统一的数据格式标准, 以适应大数据时代要求, 统一数据格式标准将极大推进建筑产业信息化发展。

扫描数据的准确性与操作仪器、天气、周边环境、目标距离等因素有关, 各厂家仪器性能起到较多决定因素, 实际工程扫描过程中需根据工程现场环境和扫描目标综合选择并确定相应的扫描仪器, 以提高数据准确性。

扫描数据的BIM平台数据输入通过云数据平台实时传输和应用可提高工程效率, 通过点云数据和影像数据的转换匹配颜色、噪声和无效数据过滤等预处理^[12], 特别在质量监控过程中可实现远程实时监控, 并进一步提高产业信息化程度, 保障建筑工程质量。

3D扫描测量与BIM技术的融合已逐步应用于一些建筑工程, 但仍处于初步开发应用阶段。本文介绍了3D扫描测量与BIM技术原理, 列举数据对比和逆向建模2种应用模式, 并分析其在典型工程中的应用案例及应用过程中存在的问题, 对3D扫描测量与BIM技术在建筑工程中的融合及推广应用具有一定的参考价值。