基于三维激光扫描的BIM技术在地下综合管廊中的应用

马 奔

(华北水利水电大学，郑州 450046)

城市地下综合管廊近几年在城市建设中被多次提到，相关研究也随之增加，发展建设综合管廊是城市管线建设的趋势，能够有效解决城市建设和运行管理中存在的问题，节约土地资源，减少重复建设，是保障城市高效运行的重要基础设施。在城市综合管廊建设中，既要提速也要提质，但是综合管廊属于地下工程，具有施工难度大、质量验收困难等特点。三维激光扫描技术和BIM技术的引入，为我们提供新的检测手段，来保证地下综合管廊建设的质量，同时提供了后期运维管理所需的基础数据，也为后续城市地下综合管廊建设提供案例和参照。

1 研究背景

郑州航空港区双鹤湖片区综合管廊项目为中原地区最大的地下管廊工程，建筑面积约3.7×104m2，分地下车库联络道、地下综合管廊、地下商业、地下车库呈U型布局，全长6.1 km。其中，支线型管廊长3.1 km，缆线型管廊长3.0 km。支线型管廊采用两舱式设计，分设给排水舱和电力舱；缆线型管廊为一舱式，只有电缆电力舱。地下管廊的截面采用准矩形。

2 基于三维激光扫描的BIM技术

三维激光扫描是集结了光、机、电和计算机技术的高新技术，主要用于对物体空间形状、结构及颜色进行扫描，以得到物体表面的空间坐标，其特点是测量速度快、精度高、使用方便，且得到的测量结果可直接与多种软件对接。采用高速激光束扫描测量的方法，快速获取被测量对象表面的3D坐标数据被称作实景复制技术，且能满足面积大、分辨率高的要求，为快速建立物体的三维模型提供全新的技术手段[1]。该技术可有效完整地记录工程现场复杂情况，直观地反映出现场真实的施工情况，通过与设计模型对比，协助工程质量的检验。

BIM技术是一种多维应用的模型信息集成技术，可以使建设项目的所有参与方在项目从概念产生到完全拆除的整个生命周期内都能够在模型中操作信息和在信息中操作模型，具有可视化、一体化、参数化、仿真性、协调性、优化性、可出图性等特点[2]。基于三维激光扫描的BIM技术是通过把激光扫描所得的模型与创建的BIM模型进行比对、转化和协调，以此来检查工程的质量，快速准确地创建模型，避免返工，为建立准确的参数化模型提供了一个全新的思路和方法。它是建筑与信息一体化发展的前提，是建立从项目规划、设计、施工及竣工阶段的全生命周期建筑数据集成平台的基础，是建筑企业实现项目精细化、智能化、集约化重要支柱，是建筑行业向智能建造、智慧运维的必由之路。在此技术发展背景下，双鹤湖中央公园地下综合管廊及联络道在项目交付和试运行阶段过程中，利用三维激光扫描技术进行现场数据采集及BIM技术对模型的创建，对项目运营维护阶段提供科学数据保障。

3 基于三维激光扫描的BIM技术在地下综合管廊中的应用

3.1 利用三维激光扫描仪地下管廊的数据采集

地下综合管廊在建成投入使用后，因为是地下工程，检测难度大，施工质量难以把握。本次对综合管廊的信息数据采集也是对施工质量的一次检验，对管廊施工中的重点及难点部位进行数据采集，与设计模型进行对比分析。

3.1.1 研究思路

见图1。

图1 徕卡P30扫描仪流程图

3.1.2 准备工作

本次测量采用徕卡 ScanStationP30新一代超高速三维激光扫描仪，来保证测量数据的精确性及检测质量。徕卡P30仪器参数见表1。

图2 徕卡三维激光扫描仪

表1 徕卡P30三维激光扫描仪技术参数

本次测量是针对地下综合管廊部分重要节点进行测量，测量范围不大，但要求精度要高，所以徕卡P30完全能满足本次测量要求。

3.1.3 点云数据获取

依据徕卡P30三维激光扫描仪的功能特性，对建筑物进行扫描时的测量精度和测量效率均能满足要求。而且三维激光扫描仪配套的Cyclone点云数据处理软件具有点云拼接功能，因此在扫描建筑物前无需布设控制网，仅需在适当的位置设置测站，将建筑物数据采集完全即可。但是为了各测站数据能够准确拼接，采取布设标靶的方式来辅助点云模型拼接，要求一个测站点与相邻的两个测站点至少有3个或3个以上标靶重叠[3]。同时为了提高测量精度，要求测站点与被测建筑物之间的距离保持在50 m以内。针对以上要求，本文中对所选定的地下联络道出入口部位按照图3的方式设置测站，主要针对其结构柱进行数据采集，为检验其施工质量，同时也收集其沉降变形的原始数据。

选取适合的测站间距是保证扫描质量的关键，基于物体表面 3 个(及以上)已知点的配准法是工程测量上常用的方法，并保证每次扫描至少能包含3个靶标的点云信息。只要已知3个点的坐标即可完成坐标转换，实现点云配准[4]。测站间距根据廊道直径和最大入射角来确定。管廊设站见图3。

图3 管廊设站示意图

地下车库联络道设站方式和管廊不同，在交叉口处由于有11个结构柱，也是施工的难点和运维检测的重点。所以，本文将着重对联络道交叉口的扫描检测进行分析，测站设置完成后见图4。

图4 联络道三岔口站点布置图

设置扫描参数为全景扫描加拍照，自动识别标靶类型、点间距。扫描完成后，将数据传输到电脑上并将数据导入Cyclone软件中来处理。

3.2 点云数据处理

3.2.1 数据预处理

经过已定扫描仪获取的管廊点云数据中包含有噪点等无用信息，这些点云数据需进行预处理后才能使用。在扫描镜头前方少量范围内一般会产生尘土噪点，通常的处理办法是直接将其删除。其余处在地面的一些堆积物、线缆等，采用过滤的方式，保留最低点的算法将其去除。为保证后续建模的便捷性，还要对点云模型进行分割，减少各部件之间点云的连接，而导致建模的不精确。

3.2.2 站点拼接

将外业测量得到的点云数据导入Cyclone软件中进行点云数据拼接，点云数据拼接模式主要包括基于标靶的拼接、基于特征点的拼接、基于测量点的拼接以及混合拼接等方式[5]。本次扫描测量根据现场实际情况，分析被测量建筑结构的布置，为了能收集到完整的模型信息，需要多站测量，故采取布设标靶的方式来减少搬站次数，同时减少点云的拼接误差。标靶布设的要求是确保相邻的两个站点有3个以上的标靶重合，且标靶错落有致，沿着廊道轴线方向布设故采用基于标靶拼接的形式通过手动对标靶进行标记编号进行点云数据的拼接。拼接精度控制在 2 mm 以内。见图5-图7。

图5 联络道交叉口点云拼接图

图6 地下综合管廊局部点云数据

图7 点云拼接误差

3.3 模型创建

由点云处理软件来自动匹配通过激光扫描仪采集的点云数据。此法可以应用到对因建筑图纸不全或者使用时间长导致变形的建筑物，进行翻修改造时可准确获得精准的目标建筑物的信息数据，利用扫描所得点云数据逆向创建 BIM模型，通过Revit创建的模型可以进行参数化表达，为后期运行维护提供所需的基础数据。建模流程见图8。

图8 BIM逆向建模流程

三维激光扫描采集的点云数据利用Cyclone软件中自带管线自动拟合功能，适用于复杂的管线建模，再结合区域生长的点云拟合方法[6]，后期作相应的人工处理，如模型的延伸和对齐、挤压与延展、管道的拐点角度设置、异形的建模等，最终得到的 BIM 模型是直接依据真实工况创建模型，大幅提高建模的速率和模型精度。因此，在工程验收阶段也有广阔的应用前景。见图9。

图9 Cyclone点云拟合模型

3.4 成果发布

以点云模型为基础，生成线划图、测量数据等多种数据成果，均可以导出为特定格式，为其他平台提供支持。除常规的数据导出外，还可以将点云或创建好的模型发布为网页文件，发布出来的文件可以在 IE 浏览器及Leica TruView插件下实现数据浏览和测量等功能。此外，可以把点云模型和Revit模型进行对比分析。见图10。

图10 点云模型与Revit模型对比

4 结 语

三维激光扫描仪的高效、精确性、便捷等许多优点为建筑行业反求建筑体量、逆向建模提供了便捷的方法，具有较高的应用价值。利用点云模型通过逆向建模手段生成的模型也可以对其赋予信息，使之成为一个可以“生长”的 BIM 模型，进而纳入 BIM 的多维信息管理中，借助建筑模型对建筑施工进行信息化管理。

基于三维激光扫描的逆向建模、点云数据处理和海量数据协同管理与 BIM 技术有机结合，解决了现场质量跟踪监测、多方数据共享并协同工作及构件可视化碰撞检测等问题，既满足了现场施工精细化管理要求，又优化了 BIM 信息管理技术，为建立精准的数据模型提供了一个全新的思路和方法。