三维激光扫描技术在钢结构建筑验收中的应用

李 少 旭

(石家庄职业技术学院 建筑工程系，河北 石家庄 050081)

钢结构建筑与混凝土建筑相比，强度更高，抗震性更好，且钢材能重复利用，可大大减少建筑垃圾，也更加绿色环保，因而被广泛应用于工业建筑和民用建筑中.钢结构建筑由于在施工过程中涉及大量的安装作业，因此必须对其质量进行精准控制，如钢构件的平整度、垂直度、轴线偏移度等，这些都是钢结构工程质量控制的重点.行业内经常采取抽样检测的方法，如用2 m靠尺、托板等工具对钢结构工程的质量进行检测，但这种方法精准性较差，有一定的局限性.

三维激光扫描技术通过发射激光获取建筑物的三维数据[1].利用三维激光扫描技术，可在不影响施工进度的情况下，准确地监测建筑物的施工情况[2].建筑信息模型(BIM)是建筑学、工程学及土木工程的新工具，是一种应用于工程设计、建造、管理中的数据化工具.通过BIM技术可以依据施工蓝图(正式的设计文件，即依据流程出具的设计施工图)进行建模.将采用三维激光扫描技术采集到的数据与按蓝图建模的BIM模型数据进行对比，可得到实际尺寸与设计尺寸的差值，为工程顺利验收提供数据支持.

“鹿港壹号院”项目位于河北省辛集市田家庄开发区(衡井线48.7 km处)，总建筑面积约10 000 m2，是由河北雪龙机械制造有限公司投资，清华大学建筑设计研究院规划设计的绿色建筑园区.此项目的钢结构住宅中，钢管柱与H型钢梁节点采用套筒式连接，这就对安装精度提出了较高的要求，如构件尺寸精度要达到毫米级，而目前大部分人工作业施工精度在厘米级，一旦施工精度不够，后期的频繁调整会影响工程整体的施工进度.同时，钢结构工程为隐梁体系，无吊顶，结构还兼具装饰功能，因此，钢结构施工完成后的外观也是人们关注的重点.石家庄职业技术学院与“鹿港壹号院”项目的投资方为长期校企合作单位，双方希望通过此项目，利用BIM技术和三维激光扫描技术，突破抽样检测的局限性，探索出适合钢结构工程的新型验收方式.

1 三维激光扫描技术原理及特点

1.1 原理

三维激光扫描技术作为一项高新技术，是继GPS空间定位系统后的又一项测绘技术新突破，具有速度快、精度高、非接触等特点，是一种快速测量手段，可在建筑物表面模拟合成上百万的点云(pointcloud，意思为无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果)数据，扫描时每秒可记录数千的点云数据.完成点云数据采集后，将采集到的数据与按蓝图建模的BIM模型数据进行对比，即可反映建筑物实际尺寸(采集的点云数据模型)和建筑物设计尺寸(BIM数据模型)的全部差值，实现建筑物整体质量验收.

三维激光扫描技术利用激光测距原理，通过记录被测物体表面大量的密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据.采集的数据通常用于三维重建计算，并在虚拟世界中创建真实物体的数字模型.

1.2 特点

(1)获取点云数据的速度快，效率高.

(2)获取的点云数据能真实地还原建筑物的所有特征，数据精度高，且便于量取.

(3)工作时间和环境不受限制，可随时进行数据采集.

(4)采集到的点云数据简单易懂，且与AutoCAD，ReCap等多种常用软件有接口.

2 三维激光扫描技术的应用

三维激光扫描技术的点云数据采集依靠的是三维激光扫描仪.为确保三维扫描及检测质量，本文采用FARO Laser Scanner Focus进行扫描，它是一款高速三维激光扫描仪，主要由激光发射器、激光反射镜、激光自适应聚焦控制单元、光机点自动传感装置等组成[3].它以激光为光源,采用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取物体表面的三维信息[4].它能够在几分钟内为复杂的环境和几何图形制作出由数百万个点云组成的三维图像，精度可达0.01 mm.

2.1 外业数据获取

本文通过对图1所示钢结构住宅(支撑系统已拆除，楼面进行了清理，没有杂物干扰扫描工作)的检测来分析如何获取外业数据.

图1 清扫后的待检测钢结构住宅

2.1.1 扫描仪固定及调平

将扫描仪的上半部分安装到三脚架底座上，沿顺时针方向旋转螺母，确保扭紧螺母并锁定.安装完成后，从三脚架上抬起扫描仪看其是否被正确锁定到位.固定后，使用自动调平功能进行调平.

2.1.2 现场布点

城市建筑物周围环境复杂，不可能在一个测点就获得一栋建筑物的整体信息.根据三维激光扫描仪的仪器特性,在扫描时，建筑物表面法向变化较频繁的区域必须多次更换视点[5].因此，在扫描前，应考虑工作环境及测点的点位可见度，确定测点的数目、位置、扫描范围和重合度，以避免出现扫描盲区.一般以两个测点的重合度达到20%为宜.基于平面特征点的标靶配准策略在解决配准误差传播问题上有较高的稳定性，因此本文采用基于平面特征点的标靶配准策略.在扫描作业时,为了不影响配准效果，标靶布设的跨度不宜太大[6]，而本文设置的扫描点间距均不大于5 m.

在扫描前，对“鹿港壹号院”项目进行了现场勘察，确定了最佳扫描路线.为了保证点云数据的完整性，在目标建筑物内外共设置了44个测点，如图2所示.

图2 设置的目标建筑物测点

2.1.3 数据采集

在进行数据采集时，应将与主体结构无关的杂物清理干净，以防止其干扰检测工作.设置扫描参数为360°×300°扫描，点间距为3 cm.扫描数据输出设置为“FLS”格式.在采集点云数据时，室内设置的采集距离一般为10 m，室外为20 m.如果只采集数据，则可以关闭彩色扫描模式，缩短数据采集时间；后期如果需要对采集到的黑白点云数据进行渲染，可在内业数据处理时进行着色.本文在进行数据采集时选择彩色扫描，即在扫描过程中兼顾渲染功能，这样可减少内业数据处理的工作量.数据采集过程中，每个项目和子项目在创建时都会获得唯一的内部标识号.这些标识号即为扫描仪内置数据拼接软件SCENE拼接数据的依据.SCENE 的拼接根据标识号进行，而不是基于项目名称.在使用多个扫描仪处理同一个扫描项目时，必须创建主项目，并将其传输到扫描仪.因此，不要在每个扫描仪上单独创建或编辑属于同一个扫描项目的子项目.这是因为即使单独创建的项目和子项目具有相同的名称，它们也会获得不同的标识号，会被SCENE视为不同的项目.

2.2 内业数据分析

采用Polyworks专业点云内业数据处理软件进行内业数据分析，通过该软件对采集到的点云数据进行去噪、拼接和比对，并生成图文并茂的比对文档.

2.2.1 点云数据的处理与对齐

在数据采集过程中, 由于人为、周围环境等因素会导致采集的点云数据存在噪声, 而噪声会影响后期处理的精度.此外，点云数据中还可能包含异常点, 这些点也会对精度造成较大的影响, 因此必须进行去噪处理[7].点云数据去噪后，在Polyworks软件中会显示为红色，此时可进行点云数据的对齐、比对工作.去噪后的点云文件保存为“.asc”格式.去噪后的点云数据以“米”为对象单位，导入到与BIM数据模型相同的参考坐标系中，得到的模型如图3所示.

用点对点的方式进行数据对齐.利用软件“分析”菜单中的“点坐标”命令，分别检核点云模型和参考模型的坐标，并利用“工具”菜单中的“精确移动”命令将点云数据和BIM参考模型精确对齐.对齐的参照点每层不少于3个，相邻点的最大距离不超过4 m，偏移的角度控制在45°以内，收敛目标的迭代次数不宜超过50次.进行初始配准后的两个模型位置大致重合后,再利用ICP(Iterative Closest Point的简写)算法进行精确配准, 以达到后续模型变形所需的精度.ICP算法通过迭代的方式对变换矩阵进行优化,每一次迭代都寻找目标最近点, 使点云数据模型更靠近BIM数据模型[8].Polyworks软件集成了ICP算法，可在设置对齐命令后进行自动迭代，并达到最优化对齐.将BIM数据模型与点云数据模型对齐后的总模型如4图所示.

图4 点云数据模型和BIM数据模型对齐后的总模型

2.2.2 点云数据模型与BIM数据模型比对

点云数据模型与BIM数据模型对齐后，使用“分析”菜单下的“3D 比较”功能，对点云数据模型与BIM数据模型的一致性进行检查，并输出3D图形及文字报告.总模型偏差值的3D展示见图5.

图5 总模型偏差值的3D展示

通过总模型偏差值的3D展示，可以直观地反映出建筑物实际尺寸和设计尺寸的全部差值.尤其在净高测量、截面测量方面，点云数据可以通过直接进行点与点的位置测量得到，优势较为明显.通过点云数据与BIM模型的比对分析发现，本项目有46处不能满足精度要求的施工点，其中12处必须进行重新施工；20处需要进行微调；14处影响不大，可不调整.该工程20处需要微调构件的数据截图见图6.

图6 分析得出的20处需要微调构件的数据偏差截图

经检测，图7(a)中画圈位置的梁存在形变.进一步测量发现，该梁靠近电梯方向立柱1067 mm处，顶梁向x轴负方向偏移了39.29 mm，如图7(b)所示.

图7 钢结构住宅二层梁偏差值的3D展示

二楼卫生间位置有部分混凝土楼板出现漏筋现象，见图8(a)，该处由于混凝土离析、缺浆或安装时碰撞导致钢筋裸露.对点云数据和BIM模型数据进行分析后，精确计算得出折线尺寸为151.15 mm，360.27 mm和272.23 mm，如图8(b)所示.

图8 二层局部漏筋位置的3D展示

2.3 三维扫描点云数据档案的形成

目前,工程质量检测部门的工程验收资料仅局限于图纸和档案类资料.通过对建筑物进行全方位的三维激光扫描，获取建筑物的点云数据，结合 BIM 技术，将CAD图纸升级为三维可视化BIM模型，经Polyworks软件处理后，不但能为工程项目的施工测量及数字化存档管理提供新的途径，而且能为后续管理提供完整、准确、永久的数字档案.施工单位以点云文件为基础保存竣工三维模型，可供各参建方进行无纸化验收使用.

3 结语

本项目利用三维激光扫描技术，在钢结构住宅安装完成后进行全区域构件扫描，得到了钢结构竣工验收时所有的点云数据模型.通过将点云数据模型与 BIM数据模型在Polyworks软件中进行智能比对，可得到各构件的偏差值，经核验，数据偏差与第三方检测结果一致.三维激光扫描技术的应用，使构件安装的尺寸精度达到了毫米级，全部位检测有效地避免了漏检带来的施工作业返工.检测后，对存在定位偏差、变形过大的构件及时采取了补救措施，不但稳定性满足了需求，更兼具了美观的效果，得到了各方的一致好评.三维激光扫描技术必将因出色的测量精度和高效的测量效率在建筑竣工验收中得到广泛的应用.