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三维激光扫描仪在施工的应用

发表时间：2020/1/7 来源：《建筑学研究前沿》2019年20期作者：吕柏行张凡刘岩

[导读] 现阶段，施工项目的体量不断扩大，单体建筑结构复杂度也越来越高。

中国建筑土木建设有限公司北京 100070
        摘要：现阶段，施工项目的体量不断扩大，单体建筑结构复杂度也越来越高。在工程施工过程中，通过应用三维激光扫描仪，实现无接触的施工测量，颠覆了传统的测量方式。同时，基于高精度高密度的点云，开放应用于施工各个管理过程，助力施工项目提质增效。
        关键词：三维激光扫描、施工、点云、监测


1.背景
        三维激光扫描具有实时性、主动性、适应性等优势，其测量无需和被测物体接触，可在复杂的施工环境下应用。三维激光扫描是基于面的数据采集方式，获得的原始数据为高密度的点云数据，亦可和GPS等结合实现更强、更多的应用。
        传统的工程测量方法（GPS测量、水准仪等）均是基于单点的测量，测量效率较低。现阶段，施工项目的复杂度和体量越来越高，大空间、异形结构、装配式等建筑不断产生，传统施工测量在一定程度上无法满足高精度测量的要求。三维激光扫描仪作为一种先进的全自动高精度立体扫描设备，其创新应用将弥补传统施工测量的弊病，使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。
        2.三维激光扫描仪在施工的应用
        2.1 应用概述
        借助三维激光扫描仪的低成本与高机动性，对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。用软件来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型，通过将设计模型与实体的点云模型相比对，对施工偏差信息进行分析。
        地面三维激光扫描仪在施工测量中的应用，主要包含施工测绘、逆向建模、监测与监测、钢构件加工与安装、现场管理等应用，应用流程见图2.1-1。

        图2.1-1 三维激光扫描仪应用流程
        2.2 施工测量中的应用
        1）地形图测绘
        对于施工环境比较复杂的项目，通过传统测绘手段难以测量部分工点，而三维激光扫描仪可通过无接触方式，测绘地物、地貌等信息，测量距离可达500m。将扫描仪处理生成的点云文件，导出到CASS等软件中，形成高精度的地形图成果。对地处林区、山岭重丘区、农田的项目进行扫描，输出带有三维地理信息数据的地形图是优化方案、深化设计及BIM应用的基础，对后期项目管理十分重要。
        2）土方量计算
        传统施工计算土方量是由测量人员采集土方特征点计算所得，所能获得的特征点数量少，计算出来的网格间距较大。采用激光扫描仪可高效地扫描出近亿个点，构建基准面后剔除地物生成DEM模型，可降低野外工作强度并且提升土方量计算精度。

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        3）道路竣工测量
        使用三维激光扫描仪进行道路样图测绘，获取高精度点云后进行坐标系转换，从点云中按固定小间隔提取所需特征点的三维坐标，最后生成等高线，完成道路样图的绘制。所形成的道路样图能真实反映详尽的高程变化规律，通过拟合曲面与设计道路曲面对比判断道路的沉降。
        2.3 逆向建模应用
        通过三维激光扫描仪测量物件表面并获取点云数据，利用SketchUp 2019或3Dsmax软件逆向建模，基于点云构建三角网或实体模型。利用点云数据亦可绘制形状规则物体的剖面，可用于大型工装设备、工器具零件、预支装配构件等逆向建模。
        2.4 监测与检测应用
        1）隧道断面检测
        利用三维激光扫描仪测量隧道开挖断面、二衬、仰拱等，仅需5~10分钟就能完成一次检测，可有效解决常规量测技术工作难度大，测量时间相对较长，检测过程中换站频繁的问题，不干扰施工、操作简便。同时将设计BIM模型与实际施工扫描点云进行拟合，能有效地控制隧道开挖轮廓、初支变形情况及确保二次衬砌的厚度，及时调整开挖工法及支护参数，为隧道施工提供科学依据，确保隧道顺利贯通。
        2）结构健康监测
        桥梁、钢结构等在长期的动、静荷载和自然老化作用下，结构的累计损伤会影响到实体的表观变形，其几何形态变化及发展趋势是桥梁结构、钢结构安全预警的关键指标与依据。相对于传统的桥梁变形检测手段，三维激光扫描技术不需要事前埋设监测设备．不需要接触测量物体，能够全自动快速清晰地获取被扫描物体整体或局部连续的密集点数据，提高了结构健康监测的便捷性和准确性。
        3）基坑监测
        随着地下空间的开发利用，项目施工过程中常涉及深基坑开挖、防护等施工内容，对于某些距离道路较近的基坑，可能会受到动荷载（施工机械、材料运输机械、罐车）扰动的影响，易造成安全隐患。在基坑开挖后，利用三维激光扫描仪固定扫描时间、仪器及人员，实时拟合分析基坑动态变化，保证基坑作业安全。
        2.5 钢构件加工与安装应用
        钢构件具有杆件数量多、构件结构复杂等特点，对构件间接口的制作精度要求高，尤其是异形或曲面结构，有时仅靠控制单体构件精度无法满足现场安装要求，利用三维激光扫描仪可有效解决钢构件加工与安装难题。
        1）钢构件加工精度的检验：利用三维激光扫描仪采集目标点云数据，提取标靶坐标，对钢构件端口尺寸、左右两边、上下弦各端口相对应的角点距离进行对比，并与设计BIM模型对比分析，检验出构件加工情况。
        2）构件模拟预拼装精度分析：对现场正在预拼的梁构件进行扫描、配准，使用Tekla软件进行三维建模，并在电脑终端进行数字化预拼装，合理模拟钢结构拼装工序，指导现场施工。
        2.6 现场管理应用
        利用三维激光扫描仪拍摄现场实景，可生成建筑正射影像、360°全景，可按时间节点有效记录施工过程信息，留足过程管理影像资料，辅助现场安全文明施工管理。
        3.总结
        随着科学技术的发展，各种技术因素对建筑行业的各个环节产生了各种积极的影响，三维激光扫描仪的应用将推动传统测量方式的改革，其应用以满足现场工作为基础，打造企业的自主应用与创新能力，推动项目管理智慧化方向发展。
        参考文献
        [1]刘志伟.三维激光扫描技术在桥梁变形检测中的应用.交通世界，2016（2）：72-73.
        [2]周印奎.建筑施工测量控制技术质量与管理研究.城市地理，2017（10X）：183-183.
        [3]胡洋，杨小伟，宫帅.基于3维激光扫描的3维模型重建.测绘与空间地理信息，2012，35（10）：167-169.
        作者简介：吕柏行，中国建筑土木建设有限公司，助理工程师。地址：北京市丰台区南四环西路188号（十六区）11号楼，邮编：100070。