[摘要]通过介绍全站扫描仪的工作原理，以及基于案例介绍其现阶段在大场景下三维激光扫描的应用、基于BIM模型的高精度放样、基于BIM技术在深化设计与加工制造一体化精准建造三个应用方向，并根据徕卡MS60配备的自动目标照准功能，结合BIM技术对其在预制构件吊装或顶升的运动轨迹和变形控制的实时监测进行探讨。
[关键词]全站扫描仪；BIM技术；激光扫描；放样
近年来，随着建筑业对BIM技术的愈发重视，大型施工企业的BIM团队建设与项目应用越来越受到重视，应用BIM技术的可视化、易模拟、可管理的特点，越来越多的施工企业可基于建设方或设计方提供的BIM模型，开展一系列如深化设计、工程概算、进度模拟等工作，尤其在传统房建工程项目，使用BIM技术优化机电管综，仅这一项应用就可为参建各方带来缩短工期、降低成本、提高质量的效果。然而现阶段在如隧道、桥梁、道路、大型场馆等城市建设的重要工程中，由于存在着大量的异形构件，同时还必须结合复杂的施工方法与工艺，导致BIM技术很难在这些市政工程的施工过程发挥出其等同于在房建工程中的作用。在将BIM数据与施工现场结合的症结上，徕卡MS60全站扫描仪如同一把制作精良的手术刀，通过高效准确地获取现场实际数据，基于BIM数据的对比分析，可以有效消除BIM在设计施工两个环节数据断层的症结，从而提高施工效率与质量。
1全站扫描仪的工作原理
全站扫描仪是将自动测量机器人和三维激光扫描仪等多项技术集成于一身的新型测量设备。自动测量机器人是通过自动检索、识别照准跟踪待测对象，获取坐标并自动测量角度与距离的新型全站仪。自动测量机器人在传统全站仪的基础上，集成了影像传感元件、步进电机及一系列传感器。包括距离角度传感器及湿度温度气压传感器，前者直接得到测量值，后者监测环境信息进而修正测量数据。三维激光扫描仪基于脉冲式地面三维激光扫描成像原理，即通过脉冲发射激光到经过物体反射回扫描仪的时间差，计算获得待测点的相对坐标。同时三维激光扫描技术可实现短时间大量获取被测对象的坐标信息进而形成点云，并通过图像及激光反射强度获得点云的颜色信息。实现空间三维信息的高精度数字化复制。美国瓦萨学院艺术史教授安德鲁•塔隆，在2015年利用三维激光扫描仪对世界文化遗产巴黎圣母院进行了完全扫描，使得在2019年毁于大火的巴黎圣母院，可以永远存在于数字世界中，并且为了其复刻重建提供了可能。
2全站扫描仪的现有应用方向
2.1大场景下三维激光扫描的应用
传统三维激光扫描仪受限于扫描距离和扫描精度的限制，往往需要大量半人工的方式来完成点云的拼接工作，这种拼接技术目前正逐步进化为借助计算机视觉及图像处理的原理，通过拼接与补偿算法实现三维点云的拼接。虽然自动化程度在不断提高，但是不可避免的，这种方式在大场景下的扫描拼接累积误差会不断放大。而全站扫描仪采用的是全站仪式的设站定向方法，通过控制点简化后续拼接工作，利用平差后成果进行设站，从而降低大场景下的误差提高成果精度。这种设站的方式尤其适合于施工现场，除了可以更好地保护测量控制点，也能避免扫面作业实施的阶段变化发生的施工现场变化，导致图像拼接意外错误的发生。这种应用方式常见于在公路、桥梁、铁路、隧道、大坝等建设中。武汉大学许子扬等应用徕卡MS60全站扫描仪于隧道断面自动化检测。[1]首先使用全站扫描仪完成隧道点云数据采集，两次处理点云数据，包括预处理：数据格式转换、点云精简压缩、去噪与分割；后处理：提取中轴线、拟合断面轮廓线与断面轮廓，进而实现高质量地完成了隧道断面提取。使用全站扫描仪进行隧道断面检测自动化，可快速对隧道多个断面完成分析，这是常规的单点法无法企及的作业效率。
2.2基于BIM模型的高精度放样
徕卡MS60全站扫描仪可集成BIM模型使用，其典型应用即通过模型导入仪器中，通过全站扫描仪测量放样或激光扫描等方式获得现场数据，随后实现将点云建模数据和原设计模型的对比分析，并提供完整的现场作业报告。基于BIM模型，不仅实现了放样可视化，通过激光对棱镜的自动搜索和高精度测量，保证了施工现场的放样效率和质量。这种放样的具体使用流程分为数据预处理、提取放样点、数据导入测量机器人、设站和放样合计五个步骤。数据预处理需要对BIM模型进行预处理，将Revit模型或Tekla模型中，保留待放样的模型部分，导出DXF格式，通过徕卡自带的软件Infinity选择合适的放样点，输出XML格式，并将两者导入MS60全站扫描仪中，随后在现场完成设站和放样工作。重庆交通大学黄恒等对重庆仙桃数据谷项目进行了基于MS60的BIM施工放样精度研究，得出了使用MS60全站扫描仪进行BIM放样的精度，较传统全站仪TS802N的精度提高了一倍的结论。
2.3基于BIM的深化设计与加工制造一体化精准建造技术
上海机施曾在2018年国家会展中心场馆功能提升工程大型改造项目中，应用激光扫描仪实现数字化精准建造。即通过三维扫描对国展能源中心外立面扫描，短时间内完整采集了现有变电所、主站房和蓄冷水罐的外立面信息。通过与其对比分析，逆向建模，调整外包钢结构BIM模型的建筑结构定位，优化与现有机电设备的空间避让关系，辅助判断结构支撑体系的落地点位的合理性。最后将优化后的钢结构模型指导工厂进行生产，并运用激光扫描技术对构件的加工状态进行扫描分析，确保符合现场加工要求。
3全站扫描仪下一步应用方向
徕卡MS60全站扫描仪可完成三维实景扫描，并可基于BIM模型实现静态检测对比（如结构变形分析、碰撞检测分析等），现场高精度放样等工作。基于其配备的长距离蓝牙模块，可实现单人同时完成放样与测量。这种方式不仅操作上更简单，降低了现场测量作业强度，在更高的自动化程度带来测量效率和质量上提升的同时，工程的整体质量也得到了进一步保证。在此基础上，实现“数字化精准建造”升级版，是大型市政工程的下一步应用方向。徕卡MS60全站扫描仪具备ATRplus全自动目标照准功能，即可以对目标实现自动检索、照准、锁定与跟踪。对于采用钢结构或混凝土预制装配技术的项目而言，这意味着结合了BIM技术的全站扫描仪，在设计阶段可以数字化完整复刻现场实景提供测绘信息，在构件的生产制造阶段辅助控制其加工质量，也可以在施工过程，尤其是对构件在吊装过程或顶升过程中的高精度定位，实现了对构件整体的运动轨迹以及构件运动中的变形分析等数据的实时监测，由这些数据产生的安装数据实时修正系统，将有助于实现更安全的吊装或顶升施工作业，结合虚拟现实技术，也许这些施工作业未来将走向智能化和无人化。
【参考文献】
[1]许子扬，邹进贵.基于MS60全站扫描仪的隧道断面自动化检测[J].测绘通报，2018(S1)：144-148.
[2]黄恒，刘国栋，冉东，等.基于MS60的BIM施工放样精度研究[J].重庆建筑，2018(08)：34-36.
作者:马良 单位:上海市机械施工集团有限公司