论文 | 合肥市科技馆（新馆）幕墙工程浅析三维激光扫描 BIM技术结合应用
作者：中建东方装饰有限公司 周甲伟、张舟舟、陈景燕、穆鹏荣 摘 要： 合肥科技馆新馆造型复杂，所使用的材料昂贵，对施工平整度、变形控制、精度控制及防渗漏措施和材料的损耗率都有极高要求，因此对建筑结构的偏差要做全面反尺，使用传统的全站仪测量工期长，作业效率低，危险系数高，且覆盖程度低。因此我们采用三维激光扫描的方式对建筑进行扫描来分析结构偏差，结合BIM技术方向建模。
合肥市科技馆新馆（自然博物馆）位于合肥高新区石莲南路与彩虹路交口西侧，王咀湖公园范围内，总占地面积约70亩，总建筑面积约5万平方米，其中地上四层，总建筑面积3万平方米，地下一层，总建筑面积2万平方米，其中人防区面积2150平方米。作为合肥市未来的一处新地标建筑，科技馆新馆以“人-科技-自然”为主题，在设计方面突出生态与人工的结合，形成从自然中生长出的建筑形态，打造成一个开放的城市客厅，联系城市、自然与科技馆的内部空间。该工程是合肥市基本公共文化设施布局中的重点标志性建设项目，是合肥市打造“大湖名城、创新高地”、建设长三角世界级城市群副中心城市的重要基础性设施，是科普事业的重要组成部分。其逐层穿插的阶梯状造型，给人以不断攀登科学高峰的向上力量，被誉为“智慧盒子” 本工程结构形式复杂、层高高、超限构件多；包括混凝土结构、劲性结构、网架结构、桁架结构、预应力结构。其中24m大跨度钢结构楼盖、33m大跨度采光顶钢桁架、39m大跨度焊接球节点正交正放四角锥钢网架、17.5m超长悬挑劲性梁等安装难度大；3.1万㎡外立面多系统幕墙形式，包括竖隐横明半隐框玻璃幕墙、阳极氧化复合铝板幕墙、GRC板幕墙、泡沫铝板吊顶等形式，平立面造型复杂多变，平整度、变形控制、精度控制及防渗漏措施要求高；东西两侧斜度为24.5度的种植斜屋面，对结构斜面浇捣成型、防水保温施工质量以及种植屋面各构造层的防水措施要求高。 玻璃配置：10+12Ar+10mm中空钢化超白LOW-E玻璃，带暖边 基层结构：幕墙立柱及横梁采用钢管，钢材材质为Q235B，表面热浸镀锌处理 基层结构：幕墙立柱及横梁采用钢管，钢材材质为Q235B，表面热浸镀锌处理 基层结构：主支撑龙骨为钢结构，由主体结构负责；采光顶次龙骨采用铝合金型材，材质为6063A-T6，表面氟碳喷涂处理 面板：8+12Ar+8+1.52pvb+8中空钢化夹胶玻璃（带暖边） 基层结构：龙骨采用65系列断热铝合金型材，窗受力构件型材壁厚不小于1.4mm，材质为6063A-T6，表面氟碳喷涂处理 面板：8+12Ar+8中空钢化ow-e超白玻璃（带暖边） 基层结构：支撑龙骨采用H型钢，钢材材质为Q235B，表面热浸镀锌处理 面板：1.0mm厚65/300型A3004铝镁锰合金直立锁边屋面板 基层结构：幕墙立柱及横梁采用钢管，钢材材质为Q235B，表面氟碳喷涂处理；龙骨基座采用铝型材，表面粉末喷涂处理 面板：TP8+1.52SGP+ 3.2VDI（电致变色玻璃）+12Ar+TP8超白钢化中空双银玻璃（带暖边） 基层结构：幕墙立柱及横梁采用钢管，钢材材质为Q235B，表面氟碳喷涂处理；龙骨基座采用铝型材，表面粉末喷涂处理 面板：10+12Ar+10mm中空钢化超白LOW-E防火玻璃，耐火1.5小时 基层结构：支撑龙骨采用矩形钢管，表面氟碳处理。采用隐框结构形式，与采光顶系统相同，雨蓬上方设置铝合金遮阳格栅 面板：10+1.52PVB+10钢化夹胶玻璃，10+12Ar+10+1.52PVB+10中空钢化夹胶low-e玻璃(带暖边） 基层结构：采用不锈钢夹板点支撑幕墙系统;采用30mm厚钢板，材质Q235B，表面氟碳喷涂处理 面板：10+12Ar+10暖边中空钢化双银low-e超白玻璃 基层结构：支撑结构采用钢材，可视表面氟碳喷涂处理，非外露位置表面热镀锌处理 面板：采用厚度不小于25.4mm厚泡沫铝板。泡沫铝板厚度、密度、气泡率等应根据测试确定 三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它的出现促进了传统测量方式向更加现代、更加便利的方向发展。三维激光扫描技术的主要优势在于其具有高密度、高分辨率、高精度数据以及使用简便等特点。 利用三维激光扫描技术，可以轻松采集各种小型或者大型的、复杂的、标准或非标准场景的高精度、高密度三维点云数据，进而快速重构出目标场景的真三维模型。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。三维激光扫描技术原理三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。 三维激光扫描技术的主要特点如下： ①非接触性测量方式。三维激光扫描技术是通过记录激光信号往返被测物体的时间获得仪器与被测物体间的距离，间接计算出被测物体的三维空间数据，避免了因接触或对被测物体表面进行处理造成的破坏，同时为人力难以企及的情况提供了更安全可靠的测量方式，因此在文物保护与修复领域广泛应用。 ②采样率高。随着三维激光扫描系统集成技术的不断发展和更新，目前扫描仪的采样率可达数万点/秒至数百万点/秒，减少了有效工作时长，方便数据更新。 ③高精度、高分辨率。三维激光扫描设备提供不同密度的数据采集方式，采样密度间隔MIN 1mm，其单点定位精度MAX可达 2mm，保留了传统监测仪器的高精度。 ④数据化采集方式兼容性好。三维激光扫描设备获取的被测对象的空间数据以数字信号进存储和管理，具有全数字特征，方便与其他软件进行数据交换与共享。 ⑤主动性、动态性、实时性和直观性。三维激光扫描技术通过主动向被测物体发射激光信号并记录激光回波的时间达到采集物体数据信息的目的，因此不受扫描环境的约束如温度、气压、光线的影响等，工作效率高。扫描完成即可显示采集的点云数据，方便操作人员现场查看，如有遗漏可及时进行补扫。 ⑥可配合外置相机、GPS 系统使用。与其他设备的结合扩大了三维扫描仪的使用范围，并使获得的信息更加丰富、准确。搭配 GPS 系统，不仅可以提高单点定位精度，且使用更加灵活，大大扩展了应用范围。 ⑦结构紧凑、防护性强。目前常用的扫描设备结构设计紧凑使得整体小巧灵活方便使用，且防水防潮，环境适应能力强，更利于野外测量。 合肥科技馆新馆造型复杂，所使用的材料昂贵，对施工安装难度和材料的损耗率都有极高要求，因此对建筑结构的偏差要做全面反尺，使用传统的全站仪测量工期长，作业效率低，危险系数高，且覆盖程度低。三维激光扫描技术利用高速激光扫描测量，可大面积、高分辨率、快速地获取物体表面各个点的数据信息，1：1还原建筑模型，因此我们采用三维激光扫描的方式对建筑进行扫描来分析结构偏差。 本次使用的TrimbleTX8三维激光扫描仪为地面式激光扫描系统，每秒钟扫描的点高达百万个，每测站只需观测两分钟，降低了劳动强度，不仅保障了测量人员的安全，而且提升施工质量。 现提供建筑物质量、进度及成本的信息;施工过程中可视化的模拟及管理;无纸化之加工及制造;利用模型做施工规划评估;提高施工图说的细致程度，减少建造过程管理问题。 探后，在特征点设置标靶。按照规划好的扫描路线，使TrimbleTX8 三维激光扫描仪进行扫描，做到扫描无死角无遗漏，扫描过程中为保证后期配准的精度，要保证相邻站间至少有40%的重合部分。确保获取完整的点云数据。最终得到约20G大小的点云数据。 由于扫描过程中外界环境因素对扫描目标的阻挡和遮掩，如移动的车辆、行人树木的遮挡，及实体本身的反射特性不均匀，需要对点云经行过滤，剔除点云数据内含有的不稳定点和错误点。处理出需要的结构边线，点云左右控制30以内。 使用控制点配准，将点云配准到控制网坐标系下；靶标缺失的点云，利用公共区域寻找同名点对其进行两两配准，当同名点对不能找到时，利用人工配准法。后两种方法均为两两配准，为了将所有点云转换到统一的控制网坐标系下与控制点配准法得到点云配在一起，两两配准时要求其中一站必须为已经配到控制网坐标系下的点云。 外业采集的数据导入至软件时会根据坐标点自动拼接，但由于人为操作和角架的误差，一些点云接合处不太理想，这时需要进行手动拼接，对一些无坐标补扫面的拼接也需手动处理。手动拼接时对点云应适当压缩，选择突出、尖角、不同平面的特征点，以降低操作误差。如采用1cm激光间隔扫描时拼接后的误差在3mm以下较为理想。 （1）雨棚及吊顶墙面多重曲面，不同标高的多重转折面完成面在地面的放线定位，很难准确定位； （2）不同曲面标高控制平面的放线数据传统方式无法准确提取； 1）在本项目，我司将配合总承包单位，严格按照业主编制的招标文件中“外立面装饰工程BIM技术技术应用要求”成立专门的BIM小组，利用三维激光扫描技术建立BIM设计模型进行深化、利用BIM技术指导现场施工，和下料工作。项目幕墙BIM应用贯穿施工全阶段。项目在深化设计前开展三维激光扫描工作，校核前期施工误差，作为深化设计基准。 通过Rhino(Grasshopper)整体建模：以实体模型为依据，三维云点和理论模型贴合对比；在保证原设计效果的前提下，通过结构和点云的对比偏差，最后完成对表皮完成面的定位轮廓，面板分格确保出材率最优化；以及完成对转接件，龙骨尺寸下单的精准控制； 传统的施工方案模拟，多为在现场进行工序样板施工，在确定质量标准的同时，对施工方案的可行性和合理性进行验证，为大面积施工开展奠定基础。工序样板的施工虽然对明确质量标准的作用和意义较大，但对施工方案的模拟和验证的价值不大，且存在一定浪费时间和成本的隐患。利用三维模型的模拟，可缩短方案验证的时间，并且可以减少节约样板成本。 项目对重难点部分进行可视化模拟与分析，将施工工序模型化、动漫化，动态演示每道工序的施工方法、控制要点、检验标准，直观展示重要样板的工序步骤，进行直观形象的交底，提高技术交底的质量。 通过三维激光扫描技术，以非接触式高速激光测量方式,来获取合肥科技馆项目的几何图形数据和影像数据,最终通过后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理分析,转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或者建立结构复杂,不规则场景的三维可视化模型,既省时又省力,同时点云还可输出多种不同的数据格式,做为空间数据库的数据源和满足不同应用的需要。三维激光扫描技术可以将现实场景1：1以点云形式呈现在计算机中， 使用经过碰撞检查和修改后之施工图，提高工程准确度，节省项目成本。提供建筑物质量、进度及成本的信息;施工过程中可视化的模拟及管理;无纸化之加工及制造;利用模型做施工规划评估;提高施工图说的细致程度，减少建造过程管理问题。
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