基于三维激光扫描及BIM技术的水库开挖工程量复核

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000)

1 概 述

水利工程填挖工程量在工程总投资中占非常大的比重，快速准确地计算出工程量是规划设计和成本控制中重要的一项工作，也是业主、设计、监理及施工单位等参建各方项目建设管理研究的重要内容。目前，工程量计算主要依赖传统的断面法、方格网法、等高线法和DTM法等测算方法，以全站仪或GPS-RTK采集方式获取区域特征位置的离散高程点，经相关计算公式测算获得工程量。这种方法受测算人员素质技能水平影响较大，不仅耗时、准确度不高，且更新效率低下。水利工程工程量测算，不仅需要快速、高精度的数据采集手段，同时还需要高效、准确和动态协调的数据处理和计算分析平台。

在工程领域，三维激光扫描技术(也称为实景复制技术)，被认为是最适用于工程测量监理和施工流程控制的重建复杂实景的三维建模技术，将传统接触式单点测点转变为远距离高精度立体扫描，具有效率高、精度高、测距远、立体真实等优点[1-2]。而BIM模型集成了施工项目的大量数据，具备点云可视化、裁切、三维建模等功能，利用内部强大逻辑运算能力，可将点云直接生成DTM(Digital Terrain Model)数字地形模型，自动计算工程量[3]。

本文采用三维激光扫描仪采集施工现场实景点云，并引入BIM三维模型计算工程量，以遵义槐子水库工程量复核实例作为研究对象，探讨两种技术结合复杂建设项目工程量的高效准确测算方法。

2 开挖工程量联合测算技术路线

基于三维激光扫描和BIM的水利工程开挖工程量联合测算主要包括数据采集、点云处理和工程量测算三个部分。其中，数据采集使用RIEGL VZ-2000三维激光扫描仪；点云处理使用Riscan pro软件实现影像与点云匹配；工程量测算基于BIM中Digital Terrain Model模块中的Analyze Volumes插件完成。水库基础开挖工程量联合测算技术路线见图1。

图1 工程量联合测算技术路线

2.1 数据采集

为客观真实地进行工程量测算复核，需结合野外实地踏勘结果，根据施工现状地形地貌，合理确定测算范围，选择确定三维激光扫描仪的测站点并埋设固定标石作为工程量测算基准点。对于一些地形复杂、扫描遮挡较大的区域，适当加密设置测站点，以便多维度协同扫描减少扫描遮挡、消除盲区。标石埋设固定后，通过架设仪器完成测站坐标数据的自动采集。RIEGL三维扫描仪内置±10°的倾斜补偿器，在进行外业操作时可自由设站，无须进行测站点整平，外业作业数据采集速率高效优质、精确可靠。

2.2 点云处理

由于外业作业中外界环境因素对扫描目标的阻挡和遮掩等影响，如移动施工机械、施工人员、支架等遮挡及实体自身存在的反射不均匀特性，以及操作人员人为操作和脚架的误差，需要对点云进行配准拼接和噪声滤波处理[3]。采用Riscan pro软件，结合测站点坐标、后视点坐标等数据将外业采集的点云数据经剔除后配准到工程坐标系中，利用多站协同计算和拼接处理，可以消除配准后点云模型可能存在的细微位置偏差。对于点云数据中施工机械、电线杆、吊索等非地形点的噪声点，通过噪声滤波器进行有效降噪滤除，最终获得优化点云数据集。

2.3 工程量计算

将点云数据导入Bentley Map平台，在Digital Terrain Model模块中提取固定特征点坐标，分析判断各点云相对精度与预设要求是否一致，在精度合格的基础上对开挖工程量进行精确计算[4]。为确保DTM数字地形模型构建精度，根据预设指定计算范围，经范围裁切以确保计算数据与工程实际匹配，提高计算准确可靠性。

3 开挖工程量联合测算实例分析

3.1 研究区概况

槐子水库位于遵义市桐梓县九坝镇境内，坝址地理坐标为东经106°43′～106°44′,北纬28°12′～28°13′，距遵义市约60km，距桐梓县城约16km。水库坝址位于桐梓河的二级支流九坝河上，发源于桐梓县九坝镇陆家大顶，河源高程1777.00m,设计供水能力522万m3/a，水库正常蓄水位1209.00m，相应库容135万m3。水库枢纽工程主要由混凝土面板堆石坝、坝底取水兼导流放空隧洞及左岸泄洪隧洞等组成，最大坝高41.50m。

施工过程中出现了施工工程量与设计清单工程量存在较大差距问题，为了准确测算施工开挖工程量，设计联合三维激光扫描和BIM技术，按照技术路线(见图1)，在指定大坝开挖影响范围内对工程量进行测算复核，为工程费用结算提供准确可靠数据依据。

3.2 作业流程

3.2.1 资料收集

收集水库项目前期工作中的控制点资料、原始地形数据、设计开挖平面图、施工收方数据等资料。

3.2.2 数据采集

采用RIEGL VZ-2000三维激光扫描仪对整个开挖范围进行点云数据采集，获得的地形点云数据在检查合格后通过测站后视方式进行拼接，并对噪声点进行剔除，对地面植被进行过滤，对现场局部隐蔽区域进行补充测量，确保获得完整的纯地形点云数据。考虑到数据负荷问题，将点云数据进行了适当抽稀处理。

3.2.3 地形模型重建

对原始地形数据和点云数据经过处理后，采用中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司基于Bentley公司Bentley Map平台开发的三维地形图成图和地形模型制作软件Map Station生成地形模型，如图2～图4所示；运用Bentley GEOPAK软件对设计开挖平面图进行翻模，并将模型导入Map Station软件，生成地形模型，见图5。

图2 原始地形模型

图3 实测点云地形模型(红色为已填筑坝体)

图4 坝基施工收方模型

图5 坝基设计开挖模型

3.2.4 工程量计算及分析

地形模型重建后运用Map Station软件中Digital Terrain Model功能模块中的Analyze Volumes插件对开挖工程量进行精确计算和对比复核[5]。由于水库坝体已基本填筑完成，因此除坝基开挖部分单独计算外，其他区域均以实测为准。在Map Station软件中以原始地形模型为基准分别计算坝基设计开挖工程量、施工收方开挖工程量及其他区域开挖工程量见图6，设计开挖与施工收方地形工程量对比见图7。

图6 基于Map Station工程量计算(底视图)(红色为施工单位收方地形模型)

图7 设计开挖与施工收方对比(顶视图)

通过设计开挖模型与施工收方模型的对比(图7中,蓝色表示设计开挖模型，红色表示施工收方地形模型)可以发现，坝基部分大多数区域设计开挖都高于施工开挖，且施工中部分区域还未开挖到位。以设计开挖模型为基准通过计算可得设计挖方11073m3，而施工单位提供工程量为43447m3，差值为32374m3，以此确定施工单位上报工程量比设计开挖量多32374m3。

4 结 论

三位激光扫描与BIM技术联合对开挖工程量进行测算，能在保证高精度情况下获得与工程实际相匹配的数字地形模型和准确开挖数据。槐子水库开挖工程量复核实例分析结果表明：三维激光扫描与BIM技术联合，可以将工程前期的原始现场资料转换为电子数据进行存档，确保项目管理全程数据具有较好的完整性、一致性和客观性，可为后续施工设计、建设管理和竣工验收提供强有力的数据保障；通过引入点云逆向生成BIM模型，能够将设计平面图和施工收方数据还原为真实的数字地形模型，与三维激光扫描地形进行融合对比，做到更精确直观地进行开挖工程地形及工程量对比；水库开挖工程量测算复核表明，施工单位上报工程量比设计开挖量多32374m3，存在严重误差。三维激光扫描与BIM技术联合，为业主进行结算和成本控制提供了详实数据依据，对工程的优化设计、投资成本与进度控制有着显著作用。