中国·红岛国际会议展览中心项目位于青岛市红岛经济区, 总占地面积29万m², 建设内容包括展馆及部分配套会议、酒店、办公和商业设施, 总建筑面积约48.8万m², 地上约35.7万m², 地下约13.1万m², 工程效果如图1所示。

酒店工程由框架-剪力墙结构裙房和框架-筒体结构主楼组成。地下3层, 建筑面积23 484m²;地上6层裙房和15层主楼, 建筑面积47 277m²。

中国·红岛国际会议展览中心工程体量大、施工难度高和涉及的专业广, 由5个单体结构连为一体, 南北长500m、东西长480m。利用BIM技术可以在实际施工前对各个单体结构进行三维可视化模拟。具体优势表现为可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性^[1]。特别是通过BIM技术对钢筋及管线合理排布、进行施工模拟安装, 解决超高大空间复杂管线安装作业难题^[2], 确保了安装有序开展, 同时积极拓展结合应用三维扫描仪技术^[3]提升综合应用能力, 节约时间、降低成本、促进现场生产管理。

为了提高外业三维数据采集和内业数据处理效率精度, 需事先选取合理的数据获取和处理方式。首先, 利用FARO三维激光扫描仪^[4]对酒店主楼进行扫描获取点云数据;然后, 将点云数据导入Scene软件进行预处理, 再导入Geomagic Studio软件中进行三维点云模型的构建;最后, 把Revit模型与三维点云模型对齐并进行3D检测分析。主要技术路线如图2所示。

根据现场勘察的情况及扫描方案制定扫描控制网, 测站尽可能选在通视条件好的地方, 扩大扫描面积。本次扫描酒店主楼面积大约在800m²左右 (2, 3层为错层) , 一共设定了18个测站, 站与站之间扫描重叠区域在30%以上, 采用逐站布设的方法。利用全站仪联测施工坐标系与扫描坐标系, 保证内业数据处理点云配准精度, 如图3所示。

为了能更好满足坐标转换和点云拼接的精度要求, 在2个连续扫描站之间的公共区域放置FARO Focus 3D X330配套的5个靶球, 靶球与测站的距离控制在15m以内且尽量接近于正三角形分布, 靶球之间设有一定的高差。在内业数据处理时, 由于靶球的发射率高, 以靶球中心位置为配准点进行点云拼接。

在进行三维扫描前将扫描区内附近的工作人员撤到扫描范围以外, 扫描时尽量扫描目标物的正面, 避开遮挡物。在扫描完1站后, 查看扫描结果是否正常, 参考球是否在测量范围之内, 是否有过往的行人或障碍物遮挡被测区域。仪器搬动至下一站, 以推进方式摆放相应标靶, 重复上述移站步骤, 完成扫描工作。

外业数据采集结束后, 扫描仪应用的关键还是要看内业点云数据处理。Scene软件是FARO Focus3D X330三维激光扫描仪自带的点云初步处理软件, 在保持点云数据真实性的同时能快速实现点云的拼接、自动或手动去除噪声点和管理点云数据^[5]。将扫描的点云数据导入Scene软件中进行控制拼接和靶球拼接, 如图4所示。

三维扫描技术逐渐走向成熟, 获取的点云精度得到了一定提高, 但点云数据也相当庞大, 增加了后处理的工作量。由美国Geomagic公司推出的Geomagic Studio软件是一款强大的点云处理软件, 能保证点云数据在不失真的情况下减小点云数据量, 可以重建满足要求的三维实体模型。

将Scene软件初步处理的点云转换成“dxf”格式导入Geomagic Studio软件进行三维点云模型的构建。首先, 将18个测站的点云数据转换合并统一到同一坐标系;然后, 进行点删除体外孤点、非连接项、降噪、采样简化和着色。这样既能保证点云数据的完整性, 又能得到拼接位置的准确性。点云数据处理前后如图5, 6所示。

Geomagic Studio软件具有强大的三维检测功能, 可通过点云数据模型与Revit模型之间快速直观地进行比较分析并生成3D数字化检测报告。首先, 在特征模式下, 提取Revit模型和三维点云模型的特征点进行粗略对齐;然后, 基于特征模式进行最佳拟合对齐, 如图7所示;最后, 进行3D检测分析。

通过BIM模型的可视化来控制结构实体表观质量, 不仅要求点云模型的精确度高, 而且检测分析的硬件配置要求也高, 在一定程度上限制了三维扫描仪的推广应用。本文主要是在保证点云模型精确度的前提下, 将最佳拟合对齐后模型分割成剪力墙和结构柱两部分进行对比分析。

通过Geomagic Studio软件中的3D分析色谱图及检测分析报告, 可以形象的反映出结构构件的真实情况。以第1层 ( (3) - (18) ~ (3) - (19) 轴交○3-B~ (1) /○3-E之间) 剪力墙和结构柱为例, 将对齐的点云模型和Revit模型进行3D检测分析, 通过色谱段及文本注释可以直观明了地看出两模型之间的偏差。3D色谱如图8所示。

最后, 在检测分析报告中, 偏差分布、标准差分布和直方图能详细准确反映出结构构件的偏差, 为结构构件表观质量的检测改进提供依据。如表1~6及图9~10所示。

1) 剪力墙和结构柱点云分布在-10~10mm占点云总数的90%以上, 平均偏差在-5mm~5mm, RSM估计 (即有效值) 在4~7mm, 均符合规范要求。

2) 剪力墙和结构柱点云标准差 (标准差即是由拟合残差计算出的中误差) 在3~7mm, 有95%以上的点云分布在-2×标准差~2×标准差, 符合正太分布规律且偏差在工程质量可控范围之内。

3) 在剪力墙和结构柱xy平面上, 构件底部暖色调色谱段偏多, 正向偏差分布较为明显, 这是由于混凝土浇筑时跑浆或胀模导致。

中国·红岛国际会议展览中心项目对施工质量要求极高, 需全面、准确、真实地反映出工程整体水平, 本文将三维激光扫描技术与BIM技术结合应用到施工现场, 能够无接触、高密度、高精度、快速获取目标结构物的信息, 大大提高了检测工作效率, 同时检测结果也为后续相关验收及施工改进提供有力依据, 更便于实时监控和调整整个施工过程。