李占東，張 勐，葉 旭，趙杰瓊，張博偉，左晶晶，李 濤

(北京住總第四開發(fā)建設(shè)有限公司，北京 100026)

0 引言

隨著BIM(building information modelling)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)建筑業(yè)信息化水平得到大幅提升。BIM技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)以及GIS等信息技術(shù)的集成應(yīng)用，也促使建筑業(yè)從過去的粗放式發(fā)展逐步向精益化、智能化轉(zhuǎn)變。在勘察設(shè)計(jì)階段，BIM技術(shù)能實(shí)現(xiàn)快速數(shù)值模擬、空間分析和可視化表達(dá)，并輔助進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的性能和功能模擬分析及優(yōu)化，極大提升了勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。然而在施工階段，BIM技術(shù)仍存在管控滯后的問題，在工程質(zhì)量全過程動(dòng)態(tài)管理方面的應(yīng)用仍存在不足。因此，三維激光掃描技術(shù)(3D laser scanning technology，也稱實(shí)景復(fù)制技術(shù))應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前，三維掃描技術(shù)多應(yīng)用于古建筑與文化遺產(chǎn)保護(hù)、工程施工土方開挖測(cè)量、室內(nèi)設(shè)備設(shè)施掃描建模、逆向施工、橋梁等大型構(gòu)筑物的沉降監(jiān)測(cè)以及舊改項(xiàng)目改造等，在施工質(zhì)量控制等方面也發(fā)揮著重要作用。本文以國(guó)家速滑館工程為例，分析BIM技術(shù)結(jié)合三維掃描在質(zhì)量管理中的應(yīng)用，分析該項(xiàng)綜合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并為今后的技術(shù)實(shí)施提出應(yīng)用建議。

1 工程概況

國(guó)家速滑館項(xiàng)目采用全專業(yè)BIM深化設(shè)計(jì)，充分結(jié)合數(shù)字化仿真、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，進(jìn)行裝配式預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)拼裝，是建筑業(yè)信息化及智能化發(fā)展的有益探索。國(guó)家速滑館建筑面積約9.7萬(wàn)m2，地下2層、地上3層。其中，工程地下1、地下2層主體結(jié)構(gòu)主要技術(shù)指標(biāo)如下(見圖1)：東西車庫(kù)地下2層，約4.6萬(wàn)m2；功能房間共計(jì)507個(gè)，其中機(jī)房112個(gè)；地下環(huán)廊長(zhǎng)1 052m，通風(fēng)電纜管溝長(zhǎng)488m，全館風(fēng)系統(tǒng)管道共計(jì)約5萬(wàn)m2；水系統(tǒng)主管道約2 000m、支管道4 000m，消防系統(tǒng)管道約5.7萬(wàn)m；智能建筑含39個(gè)子系統(tǒng)，線槽約5.5萬(wàn)m、穿線管20萬(wàn)m；布線總量200萬(wàn)m、機(jī)柜400臺(tái)；各系統(tǒng)設(shè)備(含元器件)安裝合計(jì)總量4萬(wàn)臺(tái)。

圖1 國(guó)家速滑館工程地下1，2層示意

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

國(guó)家速滑館工程受到社會(huì)各界的高度關(guān)注，在工程管理、工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全以及信息化都面臨很高要求，工程本身的專業(yè)技術(shù)難度大、智能化標(biāo)準(zhǔn)高、系統(tǒng)復(fù)雜也為工程實(shí)施帶來(lái)許多挑戰(zhàn)。因此，工程建設(shè)、設(shè)計(jì)及施工等相關(guān)單位需積極應(yīng)用基于BIM的信息化技術(shù)，提高建設(shè)效率，保證各項(xiàng)工程目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

1)社會(huì)關(guān)注度高，工期要求緊張

國(guó)家速滑館是北京冬奧會(huì)的重要比賽場(chǎng)館之一，國(guó)家對(duì)該工程高度重視，社會(huì)各界對(duì)此新建場(chǎng)館的期待也很高。同時(shí)，工程的工期要求非常緊張，在短時(shí)間內(nèi)完成高標(biāo)準(zhǔn)的工程建設(shè)對(duì)工程管理水平有著極高要求。

2)施工難度大，復(fù)雜程度高

國(guó)家速滑館工程地下1層、地下2層環(huán)廊內(nèi)管線密集，整體空間狹窄，管線綜合調(diào)整難度大，弧形部位施工復(fù)雜程度高。管線綜合模型需根據(jù)實(shí)際施工中的問題進(jìn)行不斷深化調(diào)整，以滿足實(shí)際施工要求。

3)專業(yè)相互交叉，協(xié)調(diào)難度大

工程主體結(jié)構(gòu)以及建筑裝飾裝修等各專業(yè)相互交叉。為避免各專業(yè)沖突和碰撞，需要采用更高效、精確的信息技術(shù)手段解決排布問題，優(yōu)化施工管理。同時(shí)，該工程系統(tǒng)繁多，各專業(yè)子系統(tǒng)建模、模型審核和整合工作量巨大。因此，工程建設(shè)需要充分發(fā)揮基于BIM及信息化技術(shù)的各專業(yè)協(xié)調(diào)管理作用。

3 BIM技術(shù)結(jié)合三維掃描的實(shí)施

為有效解決上述問題，充分利用信息化及智能化建造技術(shù)，國(guó)家速滑館工程積極探索三維掃描結(jié)合BIM技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用。通過聯(lián)動(dòng)AutoCAD，Revit，Rhino等三維軟件，可以高效且準(zhǔn)確地采集建筑物相關(guān)信息，并得到數(shù)字化模型。應(yīng)用三維掃描技術(shù)的主要工作內(nèi)容包括控制網(wǎng)布設(shè)、三維掃描、數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維比較及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其應(yīng)用流程如圖2所示。

圖2 三維掃描技術(shù)應(yīng)用流程

3.1 三維信息模型的建立

利用Autodesk Revit 軟件根據(jù)施工圖紙對(duì)國(guó)家速滑館及其附屬設(shè)施進(jìn)行三維模型的建立，建立結(jié)構(gòu)、建筑、裝修、機(jī)電等全專業(yè)模型，模型精度控制在LOD400。從原有策劃的LOD350精度提升至LOD400精度，目的是為了使所建立的模型與深化設(shè)計(jì)后的圖紙完全相符，為后續(xù)模型應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

在模型的建立過程中，采用基于云服務(wù)器的Revit協(xié)同建模方法。原有的Revit協(xié)同建模方法是基于物理服務(wù)器，通過各個(gè)工程師的計(jì)算機(jī)與物理服務(wù)器連接，通過中心文件實(shí)現(xiàn)協(xié)同建模，即多個(gè)工程師在同一時(shí)間段共同對(duì)同一個(gè)項(xiàng)目的模型進(jìn)行建立，以此提高建模效率。但是該方法需要購(gòu)置物理服務(wù)器，購(gòu)置成本、運(yùn)行成本偏高。通過技術(shù)創(chuàng)新和不斷嘗試，使“基于云服務(wù)器的Revit協(xié)同建模方法”得以實(shí)現(xiàn)，這樣不但能很好地實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法的功能，同時(shí)可以節(jié)約成本。

3.2 控制網(wǎng)布設(shè)

在現(xiàn)場(chǎng)勘探之后，使用Trimble S9全站儀進(jìn)行控制網(wǎng)布設(shè)。該全站儀具備可視化技術(shù)、自動(dòng)搜索和跟蹤棱鏡、實(shí)時(shí)設(shè)備管理、精確定點(diǎn)以及超強(qiáng)協(xié)同作業(yè)等功能。其掃描速度可達(dá)15點(diǎn)/s，掃描范圍在1～250m。為確保數(shù)據(jù)安全，該儀器采用安全性雙層密碼保護(hù)，有效降低儀器被盜風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 三維掃描

使用Trimble TX8，TX6三維激光掃描儀，其測(cè)量距離范圍分別為0.6～340m，0.6～120m，在100m距離范圍內(nèi)測(cè)距誤差2mm。其中，Trimble TX8在高精度模式下的2～80m范圍內(nèi)，測(cè)距誤差僅為1mm，掃描速度可達(dá)1 000 000點(diǎn)/s。內(nèi)置全景相機(jī)可進(jìn)行顏色采集，獲取紋理信息不低于1 000萬(wàn)像素，獲取速度快，采集時(shí)間不超過2min。通過在工程現(xiàn)場(chǎng)布置標(biāo)靶球，利用標(biāo)靶點(diǎn)對(duì)每個(gè)掃描測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，形成初始的工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于初始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含許多冗余數(shù)據(jù)，為了使建模更加準(zhǔn)確，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理十分關(guān)鍵。運(yùn)用Trimble Realworks軟件進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)后處理，該軟件具備地形采樣、地面平整度檢測(cè)、地形測(cè)量、點(diǎn)云自動(dòng)分類、點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入、基于點(diǎn)云建模以及點(diǎn)云自動(dòng)著色等功能。軟件可與AutoCAD，Recap以及SketchUp等無(wú)縫對(duì)接和集成，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互建模。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可以應(yīng)用在測(cè)繪計(jì)量、仿真模擬以及虛擬現(xiàn)實(shí)等工作中。三維掃描生成的點(diǎn)云模型如圖3所示。

圖3 速滑館工程原始點(diǎn)云模型

3.5 三維比較及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

Geomagic Control軟件能夠?qū)?shù)字參考模型和實(shí)際制造工件進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和圖形化的對(duì)比，在樣件檢測(cè)、生產(chǎn)檢測(cè)和供應(yīng)商質(zhì)量管理方面有諸多應(yīng)用。通過該軟件，可將工程實(shí)體掃描數(shù)據(jù)與BIM模型比較，通過生成三維彩色偏差圖模型來(lái)反映誤差情況。并且自動(dòng)生成詳細(xì)的檢測(cè)報(bào)告，包含檢測(cè)數(shù)據(jù)、多重視圖、注釋和結(jié)果，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)可應(yīng)用于趨勢(shì)分析和統(tǒng)計(jì)過程控制。由Geomagic Control生成的三維數(shù)據(jù)對(duì)比報(bào)告可知，評(píng)估偏差的最大臨界值、最大名義值、最小名義值以及最小臨界值。并且得到有關(guān)工程的最大上偏差、最大下偏差、平均偏差以及標(biāo)準(zhǔn)偏差，快速發(fā)現(xiàn)超出最大、最小臨界值的工程點(diǎn)。

進(jìn)一步可對(duì)點(diǎn)云模型與圖紙的匹配度進(jìn)行核查。包括垂直空間、水平尺寸、相對(duì)位置、是否有對(duì)象多余或缺失等問題。通過掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM模型誤差報(bào)告的大數(shù)據(jù)分析，能準(zhǔn)確捕捉主體結(jié)構(gòu)中質(zhì)量偏差的關(guān)鍵部位，形成色譜圖，具體偏差數(shù)值由軟件根據(jù)對(duì)比情況自動(dòng)生成，并可以設(shè)定篩選區(qū)間，將0～100mm,100～200mm,200～300mm,300mm及以上四類區(qū)間分別顯示，以便根據(jù)不同程度的偏差針對(duì)性選擇整改措施(見圖4)。

圖4 三維掃描模型與BIM模型結(jié)合

3.6 進(jìn)行質(zhì)量管理PDCA循環(huán)

在獲取相關(guān)偏差數(shù)據(jù)后，針對(duì)不同程度的偏差制定差異化糾偏措施。對(duì)100～300mm偏差制訂了相關(guān)整改計(jì)劃。并借助“質(zhì)量巡檢系統(tǒng)”進(jìn)行整改信息在相關(guān)人員之間的傳遞。

3.6.1制定整改計(jì)劃(P)

1)準(zhǔn)備工作 ①首先應(yīng)明確混凝土垂直度、平整度偏差不合格的部位及偏差大小，并標(biāo)記清晰；②準(zhǔn)備好施工過程中使用的吊籃、架子、鐵錘、電錘、吊錘、墨斗；③技術(shù)員對(duì)工人進(jìn)行施工技術(shù)、安全交底；④施工員負(fù)責(zé)對(duì)工人進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和檢查監(jiān)督工作；⑤要求待修補(bǔ)處的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后，才能進(jìn)行修補(bǔ)工作；⑥提前準(zhǔn)備修補(bǔ)需要的材料，如河砂、水泥、瓜米石、鋼絲網(wǎng)、鋼筋、植筋膠，模板等。

2)整改方法 ①垂直度偏差10～20mm的墻體處理措施 根據(jù)色譜圖提供的數(shù)據(jù)找出偏差點(diǎn)→剔鑿正偏差點(diǎn)部位后打磨平整(沖洗干凈負(fù)偏差部位，采用高強(qiáng)度等級(jí)砂漿修補(bǔ)平整)→報(bào)項(xiàng)目部質(zhì)檢部檢查至合格→報(bào)監(jiān)理單位復(fù)核。②垂直度偏差20～30mm的墻體處理措施 根據(jù)色譜圖提供的數(shù)據(jù)找出偏差點(diǎn)→剔鑿正偏差點(diǎn)部位后打磨平整(負(fù)偏差部位沖洗干凈后滿掛鋼絲網(wǎng)，然后采用高強(qiáng)度等級(jí)砂漿修補(bǔ)平整)→項(xiàng)目質(zhì)檢部檢查至合格→報(bào)監(jiān)理單位復(fù)核。③垂直度偏差30mm以上的墻體處理措施 根據(jù)色譜圖提供的數(shù)據(jù)找出偏差點(diǎn)→剔鑿正偏差點(diǎn)的部位后打磨平整(負(fù)偏差的部位必須植筋設(shè)置φ4鋼筋網(wǎng)片后支模加固，澆筑細(xì)石混凝土修補(bǔ)平整)→項(xiàng)目質(zhì)檢部檢查至合格→報(bào)監(jiān)理單位復(fù)核。④平整度偏差在9mm以上的墻體的處理措施 根據(jù)色譜圖提供的數(shù)據(jù)找出偏差點(diǎn)→剔鑿正偏差點(diǎn)部位后打磨平整(負(fù)偏差部位沖洗干凈，采用高強(qiáng)度等級(jí)砂漿修補(bǔ)平整)→項(xiàng)目質(zhì)檢部檢查至合格→報(bào)監(jiān)理單位復(fù)核。

3.6.2進(jìn)行偏差處理(D)

通過BIM模型提供的位置以及色譜圖提供的偏差數(shù)據(jù)，精確確定質(zhì)量偏差存在的位置以及偏差程度，對(duì)質(zhì)量問題進(jìn)行整改，并將整改信息通過質(zhì)量巡檢系統(tǒng)發(fā)送至質(zhì)量檢查人員，質(zhì)量檢查人員收到巡檢系統(tǒng)的提醒后再做下一步處理。處理過程嚴(yán)格按照整改計(jì)劃進(jìn)行，并注意以下問題：①處理后必須保證結(jié)構(gòu)實(shí)體滿足規(guī)范要求；②剔鑿時(shí)如有墻體鋼筋外露時(shí)，嚴(yán)禁切割鋼筋，對(duì)外露鋼筋刷水泥漿結(jié)合層后再行修補(bǔ)。

3.6.3檢查(C)

質(zhì)量檢查人員收到質(zhì)量巡檢系統(tǒng)的提醒后，對(duì)整改部位進(jìn)行檢查。在對(duì)所有整改部位檢查完畢后，重新對(duì)整改部位集中區(qū)域進(jìn)行三維掃描，生成新的點(diǎn)云模型，與BIM模型進(jìn)行重新整合，生成新的色譜圖，從而導(dǎo)出整改過后的偏差數(shù)據(jù)。通過分析整改前后的數(shù)據(jù)確定整改情況。

3.6.4處置(A)

對(duì)于色譜圖中仍然出現(xiàn)的正負(fù)偏差采取有效措施及時(shí)進(jìn)行整改。通過以上程序?qū)崿F(xiàn)基于BIM技術(shù)和三維掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量管理，形成管理閉環(huán)。

3.7 提升機(jī)電安裝質(zhì)量

此外，還可將點(diǎn)云模型與機(jī)電模型整合對(duì)比，分析機(jī)電深化設(shè)計(jì)的正確性，分析施工過程中是否存在誤差(見圖5)。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)開展碰撞檢查更具有真實(shí)性，避免因現(xiàn)場(chǎng)偏差造成下道工序無(wú)法安裝的情況。

圖5 點(diǎn)云模型與機(jī)電模型整合對(duì)比

4 BIM結(jié)合三維掃描的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

4.1 提高數(shù)據(jù)精度、精簡(jiǎn)測(cè)量工作

三維掃描測(cè)繪數(shù)據(jù)精度很高，得到的數(shù)字化模型為細(xì)化測(cè)繪、設(shè)計(jì)規(guī)劃、研究計(jì)算、場(chǎng)景仿真提供基礎(chǔ)。并且，采用非接觸面測(cè)量方式在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)建筑物進(jìn)行三維掃描，可方便測(cè)量人員縮短現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間，減少往返現(xiàn)場(chǎng)次數(shù)。摒棄傳統(tǒng)以鋼尺、圖紙作業(yè)為主的繁瑣測(cè)量方式，極大地提高測(cè)量工作效率。

4.2 提升建模效率、實(shí)現(xiàn)智能分析

對(duì)于建模及圖紙對(duì)照工作，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)化數(shù)字建模相比傳統(tǒng)測(cè)量、繪圖及建模更準(zhǔn)確高效，圖紙對(duì)照也更加智能化。掃描結(jié)果與基于BIM的設(shè)計(jì)模型相互關(guān)聯(lián)，還可直接由軟件分析得到偏差，能明顯提升工作準(zhǔn)確性。通過導(dǎo)出現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化實(shí)景，設(shè)計(jì)單位可將新的設(shè)計(jì)單元與已有場(chǎng)景進(jìn)行虛擬結(jié)合，使設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)審核等工作更加可靠。此外，數(shù)字化的影像資料(圖像、視頻等)還有利于各相關(guān)單位間的信息溝通，使復(fù)雜的工程圖紙更直觀易懂。

4.3 全面質(zhì)量檢查、加強(qiáng)質(zhì)量控制

施工過程中，階段性地對(duì)已完工工程進(jìn)行三維掃描，能夠快速獲取精確的建筑結(jié)構(gòu)模型。針對(duì)質(zhì)量檢查的內(nèi)容和要求，通過三維掃描技術(shù)生成的結(jié)構(gòu)實(shí)體點(diǎn)云模型與利用BIM技術(shù)制作的三維模型進(jìn)行對(duì)比，可以高效地發(fā)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)實(shí)體存在平整度、垂直度等質(zhì)量偏差，以及相對(duì)精確的偏差程度。在傳統(tǒng)的實(shí)測(cè)實(shí)量管理過程中，工程管理人員僅僅是對(duì)整個(gè)工程的某幾個(gè)抽樣位置進(jìn)行偏差程度檢查，并且是事后檢查。而BIM技術(shù)結(jié)合三維掃描則是對(duì)整個(gè)工程的所有位置進(jìn)行檢查，并且可以在任意時(shí)間進(jìn)行，也不受工程管理人員技術(shù)能力的限制，將檢查誤差降到最低，以最客觀的數(shù)據(jù)展示工程實(shí)體質(zhì)量問題。在竣工驗(yàn)收過程中，可對(duì)竣工驗(yàn)收工程進(jìn)行三維掃描，獲得準(zhǔn)確的建筑數(shù)字模型，繪制建筑竣工圖紙，進(jìn)行建筑竣工資料管理。

4.4 縮短建設(shè)工期、節(jié)約建造成本

結(jié)合BIM的三維掃描技術(shù)有利于優(yōu)化管線和設(shè)備綜合排布，提升觀感質(zhì)量，有效利用建筑空間，方便施工；有利于提前發(fā)現(xiàn)并解決施工中的問題，有針對(duì)性地深化方案，避免碰撞、增強(qiáng)協(xié)調(diào)、減少拆改，確保機(jī)電安裝工程質(zhì)量，從而減少由返工造成的不良影響，節(jié)約工期和成本。

5 結(jié)語(yǔ)

通過分析國(guó)家速滑館工程應(yīng)用BIM技術(shù)結(jié)合三維掃描進(jìn)行質(zhì)量管理的案例，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前該項(xiàng)綜合技術(shù)具有很大的發(fā)展前景。三維掃描結(jié)合BIM技術(shù)可在工程質(zhì)量管理方面提升管理效率和管理水平，同時(shí)也為質(zhì)量管理提供實(shí)現(xiàn)信息化的解決方案，推動(dòng)質(zhì)量管理從經(jīng)驗(yàn)型管理逐步走向數(shù)據(jù)型管理。未來(lái)，基于BIM的三維掃描技術(shù)還有進(jìn)一步的發(fā)展空間，實(shí)現(xiàn)基于信息技術(shù)的工程全過程質(zhì)量管理。