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摘要：3D激光扫描技术突破了传统测量方法的局限性，在土木工程领域开始得到应用。基于其应用技术及原理，提出了包括测量重构、质量检测、变形监测等在内的重点应用方向，并阐述了各应用方向的关键技术和难点。结合前期研究成果和国内外成功应用的案例分析，给出了3D激光扫描技术具体可行的应用内容，并对该技术在建设工程中的应用发展提出了展望，以为该技术的工程应用提供指导。
关键词：BIM 逆向建模 异形建筑 3D激光扫描 可视化
1 引言
近几年来随着建筑结构复杂程度增加，传统全站 仪测量检测方式已不能够满足施工要求，而三维激光 扫描与BIM模型相结合的新技术在建筑模型重构、质量 检测中应用越来越广泛。许多学者对三维激光扫描与 BIM相结合的研究大致可分为BIM模型重构、碰撞检测以 及对比分析。首先是基于三维激光点云数据的模型重 构，运用三维激光扫描仪，采用测站、公共点以及标靶 的方法获取点云数据，采用Cyclone、Revit、Geomagic Studio等软件实现BIM模型重构[1-3]。其次是碰撞检测，运用三维激光扫描技术获取点云数据，结合原始BIM模 型做BIM与BIM模型碰撞或BIM与点云数据碰撞，广泛应 用于建筑施工以及文物保护中。最后是对比分析，运用Revit、Geomagic Control、Cyclone、PCL等软件 实现点云数据与点云数据、点云数据与BIM模型、BIM与 BIM模型之间的匹配以及对比，分析施工以及生产过程 中存在的问题。虽然对于三维激光扫描技术与BIM技术相结合的施 工结果检测研究已有许多，但仍然存在许多不足。本文研究结合徕卡MS60全站扫描仪以及 Infinity、Cyclone、3Dmax、AutoCAD、ArcGIS等软件 实现点云数据采集与拼接、模型构建与配准、数据处理 以及异常部位提取和可视化显示，有效发现异形建筑楼
2 概述
东西湖体育中心项目主要包括1座3万座的体育场、1座8千座的体育馆、1座1000座游泳馆、1个配套的户外体育公园、若干配套商业地上建筑、地上停车场及地下停车场，总建筑面积158123.4m2，占地面积共计214038.5m2。
体育场屋盖结构采用了大开口车辐式索承结构，环梁下部设计有混凝土柱支撑。索杆体系由径向索、环向索和撑杆组成：
1、环索：6Ф110优质密封索；
2、径向索：Ф75、Ф95高钒索
类似半跨张弦梁的下弦索，共有72榀。
本项目在体育场钢结构施工过程中，拉索工程施工难度大，弧度大，要求精度高，通过3D激光扫描逆向建模与现场实际施工进行匹配。计算偏差从而确定最有效的施工方法。
3、数据处理
通过测量设备对自由曲面进行密集扫拙，可采集到数兆甚至数十兆字节 的测量点，这样大量的测量结果被形象地称为“点云”，在进行曲面重构之前，需要划“点云”数据进行相应的预处理。数据处理是逆向工程中的关键环节。它的结果将直接影后期模型重构的质量。对散乱数据进行曲面重构的难点在于如何在数据点集中，自动地得到邻近点之刚正确的拓扑连接关系。而正确的拓扑连接关系将有效地揭示散乱的数据集里面所蕴涵的原始样件表面的形状和拓扑结构。数据处理过程经常包括以下几方面的工作：①数据预处理。如噪声处理，多视拼合等。增强数据的合理性及完备性。②数据分块。整体曲面的拟合往 往较难实现，通常采用分片曲面的拼接来形成整块曲面。③数据光顺。通常 采用局部回弹法、圆率法、最小二乘法和能量法等来实现。④三角化（STL）。它直接为RPM产生切片数据和为Bezier三角曲面造型奠定基础。⑤数据优化。压缩曲面片内不必要的数据点，减少后期计算量。⑥散乱数据处理。对于具有较复杂形状的工件，测量数据中必然有一部分是无序的，须建立数据点问的拓扑关系。
4、BIM模型的检验与修正
将获得的BIM模型与我们将最初的设计BIM模型对比，来检验工程施工是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者进行分析并找出相关原因。
由此可见一个完整的基于逆向工程体系得质量检测主要包括数据获取、数据处理、BIM模型的检验与修正几个主要部分。由于逆向工程在实施过程中所涉及的内容和面临的问题多，所以是一个系统工程。依据其工作流程，这里给出了逆向工程的整体框架模型，如图
其中，数据获取是逆向工程的首要前提，也是检测合理的、准确的样件 BIM模型的重要保障。数据处理的任务是针对存在的杂点，对测量数据进行相应的处理，以满足其对测量数据质量、数量及拓扑结构的不同要求。它的结果将直接影响后期样件检验的准确性。如图
在异形建筑施工过程中，尽管有精确的施工放样工序和施工工艺，仍然不能确保所有施工结果都满足 BIM模型的设计要求，所以对异形建筑轮廓的施工结果 进行质量检测与控制显得非常关键。由于受测量条件以 及异形建筑结构影响，传统全站仪测量方法不能够准确 获得建筑轮廓信息，论文提出利用三维扫描技术对施工 楼层轮廓进行扫描建模，与BIM模型集成，再采用布尔 算法实现建筑楼层异常部位的提取，最后利用GIS可视 化技术进行异常部位的分级直观展示。实验结果表明：1）在复杂异形建筑的施工阶段，将三维激光扫描 与BIM模型进行集成可作为施工现场管理的有效技术辅 助手段。三维激光扫描与BIM模型的集成是指对BIM模型 和对应的三维扫描模型，进行模型对比或参照，从而达 到辅助快速建模、工程质量检查、工程验收等目的。
5、结束语
三 维激光扫描技术可以高效、完整地记录施工现场的复杂 情况，便于与设计BIM模型进行对比；BIM模型是一个完 备的信息模型，能够将工程项目在全生命周期中各个不同阶段的工程信息、过程和资源集成在一个模型中，方 便地被工程各参与方使用，其相关技术极大地促进了建 筑施工行业的信息化发展步伐，使得建筑行业的全生命 周期更加集成化，更好地提高工程质量和效率。因此，三维激光扫描技术是连接BIM模型和工程施工管理现场的有效纽带。
论文作者:王世杰,李丙林,乔黎春
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第25期
论文发表时间:2019/8/2
标签：模型论文; 数据论文; 激光论文; 曲面论文; 技术论文; 数据处理论文; 测量论文; 《建筑模拟》2019年第25期论文;