三维激光扫描技术在工程全寿命周期中的应用

2022-02-25崔建荣鲍金晶高海健

四川水泥 2022年2期

崔建荣鲍金晶孙进高海健

（1.南通华荣建设有限公司，江苏南通 226002；2.南通理工学院，江苏南通 226002）

0 引言

建筑工程施工过程中，经常需要确定实际构件、墙体、楼层的尺寸、位置、标高、角度、距离等参数，传统上采用水准仪、经纬仪、全站仪等仪器设备进行测量、施工放样及校验等工作，后将GPS-RTK等测量技术引入到工程施工测量中，极大提高了施工测量的速度和精度，促进了施工技术的进步。

随着社会科技经济发展，测量技术手段也日新月异。近年来，三维激光扫描技术作为一种非接触式主动测量系统，能够快速地获取被测目标大量的点云三维空间数据，因而在道路交通、水利工程、文物修复、医疗卫生等不同领域得到了广泛应用。

一些学者[1-7]也对三维扫描技术在建筑工程中的应用进行研究，但这些工作大多从单一需求出发，提出的应用方向比较局限，本文通过综合分析，比较系统地深入探索三维测量技术在建筑工程全寿命周期的应用途径，并在具体工程中进行局部验证。

1 三维扫描技术原理

三维激光扫描技术突破了传统的单点测量方法，能够提供扫描物体表面的三维点云数据。其主要工作方式有三种[8]：

（1）脉冲测距法。通过测量发射和接受激光脉冲信号的时间差得到仪器中心至目标点距离。

（2）相位干涉法。利用光学干涉原理，通过测定调制光信号在被测距离上往返传播所产生的相位差间接测定往返时间，从而计算仪器中心至目标点距离。

（3）三角法。通过立体相机与结构化光源所获得的两条光线信息，利用三角形几何关系求得测量仪器中心至目标点距离。

本文使用的FARO Focus 3D 350扫描仪是一种相位干涉法三维激光扫描仪，测距精度可达毫米级，采样速率最高可达976000点／秒，扫描仪集成GPS接收器，使扫描与后处理相互关联，快速拼接，具有测量速度快、精度高等特点。

2 三维扫描技术应用探索

从项目管理角度，建设工程全寿命周期管理通常包括：工程决策期的开发管理（DM）、实施期的项目管理（PM）和使用期的运维管理（FM）。因此，本文从决策、实施和使用三个阶段分别讨论三维扫描技术的应用（如图1）。

图1 建设工程全寿命周期阶段划分

2.1 工程决策阶段

三维扫描技术在工程决策阶段主要应用于场地测量，如对拟建区域地形、道路、河道、土坡、深坑等进行测绘，为建设方项目规划、投资及可行性研究提供初步依据。同时，这些基础地理信息可在工程实施阶段为设计单位提供比较准确的地形现状图，便于设计人员在准确掌握拟建场地的地形条件基础上进行设计，并为建设方开展“三通一平”等前期工作方案制定提供数据支撑。

在现今时代，信息技术已经不再是新鲜事情。现如今我国的小学教学课堂已经普遍应用了电教媒体，其优点在于能够以形象、灵活、生动的方式将教学内容展示给学生。在小学语文教学中运用电教媒体，不仅能够优化教学课堂，还能够有效拓宽学生的学习视野，从而改变教学课堂气氛。在传统教学中，学生接触最多的是黑板、教材等，而电教媒体的运用，给学生提供了生动、活跃的图像，以及在其中悦耳的音乐等，能够让学生对学习充满兴趣，从而有效提高小学语文教学效率和质量。

2.2 工程实施阶段

工程实施阶段是三维扫描技术应用的主要阶段，除上文已经介绍的基于三维扫描测绘数据进行场地平整和建筑设计外，还可用于以下几个方面：

（1）定位放线校验。为保证定位放线的准确性，施工过程中，可采用三维扫描技术及时跟进测量，对定位放线进行校验，及时发现线位偏差，如墙体砌筑，放线后可设置一些特征点位进行三维扫描测量，校验放线位置的准确性，能够确保严格按照图纸尺寸施工，尽量减少施工测量误差。

（2）施工电子档案。目前工程施工档案资料主要包括图纸、图片、视频和文档，三维扫描技术提供了一种全新的电子档案形式，对于一些关键的施工工序，如钢筋绑扎等隐蔽工程，在混凝土浇筑前进行三维扫描，可准确记录钢筋的布置，导出精确的钢筋直径、长度、距离等数据，集图纸、图片、文档等功能于一体，具有良好的可追溯性，为后续质量验收、运维管理提供有效的、准确的、永久的数字档案。

（3）工程质量验收。利用三维扫描技术进行工程质量验收可以概括为两个方面：①施工过程质量验收。仍以墙体砌筑为例，砌筑过程中可定期进行三维扫描，快速高效地获得墙体三维信息，从而加强施工过程控制，及时发现施工过程中存在的问题，保证施工质量。②工程竣工验收。工程竣工后进行三维扫描，可以直观的判断施工表观质量的好坏。通过对点云数据处理分析，能够非常方便得到房屋尺寸、楼层标高、垂直度、平整度等指标，相比于采用传统抽测的质量验收方法，三维扫描技术可以提供已完工程任意点数据，优势是显而易见的。

（4）建筑变形监测。建设工程变形监测主要是对建筑物上点位移和形状变换进行长期的测量，得到其变化情况，判断可能出现的破坏并进行预防。采用三维激光扫描技术对建筑物进行变形监测，可在被测目标上确定若干特征点，在特征点位置设置标靶球，在保证一定扫描距离和点云密度的条件下，数据处理结果完全能够满足变形监测的要求。

（5）安装与装饰施工优化。由于施工误差的存在，主体结构完工后实际尺寸往往与设计尺寸不一致，有时误差还比较大，这对后期的管线和设备安装，以及装饰装修工程非常不利，甚至直接导致管线、设备等无法安装。因此，主体结构完工后进行三维扫描，并在现场三维实测数据基础上对管线、设备和装饰装修工程进行设计优化，能够更好的让设计成果得到落实，加快施工进度，避免不必要的损失。如在国家体育场、中央电视台等工程建设施工中，由于建筑结构较为复杂、造型独特，因此需要开展大量的高空与吊装作业，应用三维扫描技术可以快速、精确的获取各项工程测量数据，为具体施工活动提供参照[9]。

2.3 工程使用阶段

在工程使用阶段，三维激光扫描技术主要应用于逆向建模与运维系统结合和加固改造设计。

目前建设工程运营和维修的基础是完整的竣工图纸，但二维的竣工图不能很好的展现实际状况，而且往往竣工图与工程实际数据存在一定差异。采用三维激光扫描技术进行工程逆向建模，并在实测三维数据基础上生成VR全景，能让运维人员更加身临其境感受到实景化的体验，将来还能将实测模型与运维系统相结合，甚至能远程操控机器人进行工程运维管理。

2.3.2 加固改造设计

对于加固改造或改扩建工程，通过三维激光扫描技术可以十分方便的获得现有建筑、管线等位置及尺寸信息，为设计人员全面了解现有建筑实际情况及后续设计提供准确数据。

3 应用案例

某图书馆项目，占地3748.47m2，总建筑面积36988.88m2，地上19层、地下1层，裙楼高23.75m，主楼高86.20m。项目以创省优“扬子杯”为质量控制目标，结合整个项目的特点，通过强化多专业协同、深化设计、多维管理、精确测量的方式提升项目品质。下文重点介绍部分三维扫描技术应用。

3.1 施工电子档案

在施工过程中，利用施工作业休息空档，在施工现场进行快速三维扫描外业工作，扫描数据在室内进行拼接处理，从而获得施工现场的当天实时三维模型（如图2），后期可以通过三维点云模型在线分享，与BIM模型（如图3）进行比对，业主方、监理方、施工方可以进行现场构件的实时检查和数字工地的信息存档。

图2 图书馆在建实时三维彩色点云模型

图3 图书馆BIM模型

再如对某连梁的钢筋绑扎情况进行三维扫描（如图4），记录钢筋实际位置、间距、直径、接长等信息，能够快速判断钢筋绑扎是否满足设计图纸（如图5）要求，并生成准确的施工过程电子档案。

图4 某连梁三维点云数据

图5 某连梁平法配筋图

3.2 工程质量验收

传统的外观质量检测是人工采用靠尺或目测观察进行“计数检验”，很难准确地定量。采用三维扫描技术获得构件表观点云数据，构建三维点云模型，进行外观质量分析，可以全面检测，方便快捷。项目采用三维扫描获得点云数据，在法如点云拼接软件SCENE中进行拼接和降噪处理，将处理好的BIM模型和点云模型导入法如点云后处理软件As-Built中进行对齐、拟合分析，通过图形识别等手段分析建筑墙体平整度、垂直度和外观缺陷等参数，从而获得整个构件部位的外观质量数据。

例如某墙面平整度检测，传统靠尺抽样检查，平整度实测偏差为5mm（如图6）；根据三维点云数据分析（如图7～图8），墙面平整度整体平均误差是2.3mm，局部较大误差为7mm，最大误差是15mm。点云分析数据结果相比传统检测结果，在信息获取上要更快捷、更全面、更智能，数据的准确性也更高，因此可以大幅提高施工效率和施工质量。