BIM及三维扫描技术支持下的土方工程测量研究

摘 要：探讨BIM及三维激光扫描技术在土方工程测量中的应用，详细分析三维激光扫描技术的原理、技术路线和具体应用实例，展示该技术在提升测量精度和效率方面的优势。通过对比正向施工和逆向施工的BIM模型数据，实现对基坑工程施工质量的实时监控与控制，确保施工过程中各项参数均在允许范围内，证明BIM及三维扫描技术在土方工程测量中的可行性和实用性。

关键词：BIM；三维扫描技术；土方工程；测量

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）07-0088-03

0 引言

随着土方工程项目规模的不断扩大和复杂度的增加，传统的测量方法难以满足高精度和高效率的需求。BIM及三维激光扫描技术作为现代工程测量的先进手段，逐渐被广泛应用于土方工程测量中。

本研究以广州市某大型商业综合体建设项目为例，探讨三维激光扫描技术的应用，通过对正作和逆作BIM模型数据的对比分析，实现了基坑工程施工质量的实时监控，确保了施工的安全性和精确度，为类似工程提供了参考和借鉴。

1 三维激光扫描技术优点、原理和技术路线

1.1 三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描技术的基本原理是通过激光发射器向目标物体发射激光脉冲，当激光脉冲遇到物体表面时被反射回来，由接收器接收反射信号，并记录发射和接收之间的时间差，计算出每个点到扫描仪的距离。通过扫描仪的旋转和激光束的连续发射，可以在短时间内获取大量的三维坐标点（即点云数据），这些点云数据能够精确描绘物体的表面特征。

扫描过程中，利用高精度的测距仪、角度测量仪和计算机技术，将点云数据转换为三维坐标系中的具体位置，形成高分辨率的三维模型。这一过程涉及复杂的光学测量、信号处理和数据计算等多项技术，使得三维激光扫描技术能够提供高精度的测量结果[1]。

1.2 三维激光扫描技术的技术路线

三维激光扫描技术的技术路线通常包括以下4个步骤：一是现场数据采集。即利用三维激光扫描仪对目标区域进行全方位扫描，获取高密度的点云数据。二是数据处理。即通过专业软件对点云数据进行预处理，包括噪声过滤、点云拼接和坐标转换等步骤，以提高数据质量。三是三维建模。即将处理后的点云数据转换为数字三维模型，并根据需要进行细化和优化。四是数据分析和应用。即将三维模型应用于土方工程的设计、施工和监测等各个环节，通过可视化手段辅助工程决策，优化施工方案。这一技术路线强调了数据采集的全面性、处理的精确性和应用的广泛性，是实现高效、精确土方工程测量的关键[2]。

2 应用实例

2.1 工程概况

本研究选取的广州市某大型商业综合体建设项目，项目总占地面积约为5万m2，总建筑面积达到6.5万m2。该综合体包括地下3层和地上15层，集商业、办公、酒店和停车场等多功能于一体。项目的基坑总面积约为7 944 m，设计深度约为14.14 m，总土方量约为12万m3。

2.2 具体步骤

2.2.1 前期准备工作

2.2.1.1 确定控制点

被测目标通常具有较大体积和复杂结构，因此无法在单个控制点完成所有测量，必须在多个控制点上进行测量。根据项目需求，在踏勘过程中规划出大致的扫描范围图，并根据扫描范围和扫描设备性能确定控制点的布置，即测站点的布设。在本项目中，共设置了8个测站点，其中3个位于基坑顶部四周，5个位于基坑底部[3]。

2.2.1.2 确定标靶

确保数据拼接时相邻测站之间有足够数量的公共点是十分重要的。在确定控制点后，需要合理设计两个控制点之间的公共点布局，以便后续数据处理。常见的公共点类型包括球形标靶和圆形标靶，它们通常按一定顺序排列。在本工程项目中，采用了圆形标靶作为公共点的识别对象。这些圆形标靶在相邻控制点之间充当了数据拼接的桥梁[4]。

2.2.1.3 要设定扫描仪器参数

本项目使用的设备是徕卡ScanStation P50，这是一款性能卓越的长测程三维激光扫描仪。它能够粗略估算控制点与被测对象之间的距离，从而设定合适的扫描分辨率和相关技术参数。分辨率的选择和技术参数的设置直接影响测量的精度和扫描效率。技术人员使用徕卡P50激光扫描仪可以自定义扫描分辨率，对项目重点部位进行精细扫描，从而控制点云密度[5]。详细参数如表1所示。

2.2.2 外业数据采集

2.2.2.1 要架设仪器与放置标靶

外业数据采集的第一步是架设三维激光扫描仪，并在基坑区域合理放置标靶。首先，选择基坑周围的多个位置，确保扫描仪能够覆盖整个基坑的范围，每个位置都需进行水平和垂直方向的校准，以保证扫描仪的稳定性和精度。然后根据预定的测量方案，放置反射标靶和控制点，这些标靶和控制点将作为扫描数据的基准，用于后期的数据对齐和拼接。

2.2.2.2 建立项目

在架设仪器和标靶后，需在扫描软件中建立一个新项目。项目的建立包括输入项目的基本信息，如项目名称、地点、测量日期等，并定义扫描的范围和目标。接下来，设置各个扫描站点的坐标系和标靶位置，确保每个扫描站点的点云数据能够无缝拼接。

2.2.2.3 设置扫描参数

在项目建立完成后，需根据基坑的特点和环境条件设置扫描参数，参数包括扫描分辨率、扫描范围和扫描角度等。扫描分辨率决定了点云数据的精细程度，高分辨率能够捕捉更多的细节，但会增加数据量和处理时间。扫描范围需覆盖整个基坑区域，并根据实际情况调整扫描角度，以确保所有重要区域都能被扫描到。

2.2.2.4 开始扫描

在确认所有设置无误后，启动扫描仪进行数据采集。扫描过程中，扫描仪将连续发射激光脉冲，并接收反射信号，记录每个点的三维坐标。操作人员需实时监控扫描仪的运行状态，确保扫描过程顺利进行。扫描完成后，立即检查点云数据的完整性和质量，及时发现和解决问题。为了确保数据的安全，每次扫描后应立即备份数据，防止意外丢失。

2.2.2.5 搬站扫描

当单站扫描范围无法覆盖整个基坑时，需进行搬站扫描。将扫描仪移至新位置，重新架设并对齐标靶，确保各站点数据的无缝衔接。搬站过程中需注意标靶和控制点的可见性，确保每次扫描数据能够准确拼接。搬站后的扫描需与前一站点的数据进行重叠，以确保数据的连续性和完整性。通过多站点的扫描，最终获取全基坑的高密度点云数据，为后续的三维建模和分析提供可靠的数据基础[6]。

2.2.3 点云数据处理

点云数据处理是将外业采集的原始数据整理、分析和优化，以生成高质量三维模型的关键步骤。

将点云数据导入专用软件进行预处理，包括数据去噪、裁剪和过滤，以去除杂点和无用数据。通过算法自动过滤噪声点，并手动裁剪边界模糊的点，提高数据质量。预处理后，进行点云拼接与对齐，利用标靶点和控制点，通过特征点配准算法，将不同站点的数据拼接成完整的点云模型，确保数据的连续性和精度。

对数据进行精细处理与优化，采用高级滤波和平滑技术去除多余细节和噪点，提升模型清晰度和精确度。针对重要结构和特征点，进行手动修正和优化，确保模型准确反映实际情况。对于关键部位，可能需补充扫描和数据融合，确保模型的完整性[7]。将处理后的点云数据导入BIM系统，生成可视化三维模型。处理前后的图像对比如图1所示。

2.2.4 逆向生成BIM模型

正向生成BIM模型（正作BIM模型）是在设计阶段使用Autodesk Revit软件，根据二维设计图纸创建三维模型，最终生成BIM模型。逆向生成BIM模型（逆作BIM模型）是在施工阶段使用三维激光扫描技术，生成点云数据并从中生成三维模型，经过处理后得到BIM模型。在本项目中，使用徕卡Cyclone点云极速处理软件生成.rcp文件，然后将该文件导入Autodesk Revit软件，生成三维模型并进行材质渲染，最终生成基坑工程的BIM模型。逆作BIM模型如图2所示。

3 应用分析

3.1 施工质量控制

通过对比正向施工和逆向施工的BIM模型数据，可以有效监控基坑工程的施工质量，及时发现并纠正施工中的偏差，确保旋挖灌注桩和内支撑的轴线及标高偏差在允许范围内，从而实现基坑工程施工质量的实时控制和监管。

在实际应用中，正作和逆作BIM模型的数据对比有助于揭示出细微的误差和潜在的问题，使得工程团队能够迅速采取相应的调整措施。在施工过程中，旋挖灌注桩和内支撑的每一项数据都被精确记录，并通过BIM系统进行实时监控，以确保每一个施工步骤都在严密的控制之下[8]。实际偏差与允许偏差数据如表2所示。

随着基坑施工的推进，逐步开始的内支撑更换和拆除会导致基坑的抗侧刚度发生变化，从而引起基坑内力和位移的改变。通常需要对围护结构的沉降和水平位移进行监测。在案例工程中使用三维激光扫描技术进行监控。项目在基坑四周共计设计17个点位，用于进行围护结构的位移与沉降检测，然后借助逆作BIM模型的方式得到对比数据，进而分析出围护结构的实际位移或沉降情况。

基坑施工时间越长各点位监测的数据就越大，但从数据的整体角度来看，所有沉降或位移数据皆小于5 mm，此数据证明该案例工程对基坑采取的管理措施具有良好的控制效果，能够保证整个施工期间的基坑稳定性。

4 结束语

本研究通过对广州市某大型商业综合体项目的应用实例，验证了BIM及三维激光扫描技术在土方工程测量中的有效性。结果显示，通过正作和逆作BIM模型数据的对比分析，能够实现基坑工程施工质量的实时监控和管理，确保施工过程中各项参数均在允许范围内，提高了施工的安全性和精确度。该技术的应用不仅提升了测量效率，还为工程管理和决策提供了科学依据，具有广泛的推广和应用价值。

参考文献

[1] 张念.基于无人机航测与三维激光扫描的三维地形测绘技术[J].低碳世界，2023，13（08）：64-66.

[2] 王振立，缪鹏飞，余建军.基于三维激光扫描、无人机航测的三维地形测绘技术融合研究[J].测绘与空间地理信息，2022， 45（10）：196-197+200.

[3] 吴栋浩.基于无人机航测与三维激光扫描的工程地形测绘技术研究[J].贵州地质，2022，39（03）：300-304.

[4] 朱桂君，赵健，薄冠中，等.BIM技术+三维扫描技术在高边坡工程施工监控中的实用性研究[J].江苏建筑，2022（S1）：38-41.

[5] 徐耀宗.BIM自动化与三维扫描技术对建筑更新施工方案的快速实现[J].江西建材，2022（03）：195-197.

[6] 张理想，刘俊杰，崔天义，等.BIM+三维扫描技术在施工质量控制中的应用[J].施工技术（中英文），2023，52（05）：49-52.

[7] 陈奕才，蔡庆军，蔡文浩，等.BIM+三维扫描技术在大型机场施工监测中的应用[J].施工技术（中英文），2022，51（17）：45-47.

[8] 杨晓旭.3D扫描测量与BIM技术在大型异形建筑施工中的应用[J].测绘与空间地理信息，2022，45（03）：173-175+179.