摘要：某大型锥形造型建筑深化设计信息获取难度大，各种专业软件信息难以交互，为此提出了一种三维扫描结合BIM技术协调交互的应用方法。通过激光扫描主体结构，生成相关模型后与主结构模型、次结构模型相互配合，解决了设计和安装中专业配合的难题，圆满完成了深化设计和施工任务。在实际应用中，采用统一的转换软件，数据的采集和传递更加高效，使各个专业的模型应用效率得以提高。
关键词：激光扫描；BIM技术；多专业协同；数据交互
基于BIM技术，采用激光三维扫描[1]，分析构造信息与专业信息的协同交互，使构造信息更准确、更直观，这对项目异形结构制作及外立面的顺利安装非常重要。
1工程概况
某大型项目的锥形造型建筑高27.9m，主体为钢结构框架，钢结构框架跨度25m，自下而上以不同直径的间断布置的圆形曲管作为FRP(纤维强化塑料)造型支撑，FRP为双曲面扇形，共计六大块，最大宽12m、最小宽1.6m，与玻璃幕墙间断布置，板块之间为窗框系统（见图1）。
2工程重难点
此结构外部GFRC（玻璃纤维混凝土）为双曲面板，对精度要求高，如采用传统的二维模式难以表达清楚；主结构的安装误差直接影响GFRC的外形效果质量，如使用传统全站仪+经纬仪的测量方式难以采集到全面的数据，在实施GFRC过程中很容易发生安装误差和加工误差。为此，在主体钢结构施工完成后，用激光扫描机生成结构的扫描模型，然后整合扫描模型、面板模型、次结构龙骨模型，充分协调后再进行GFRC设计和加工，并以协调后的模型作为指导现场各专业施工的参考。
3施工工艺流程
3.1协同方式阐述
本协同方案分别建立各专业模型，其中面板和龙骨由犀牛软件进行深化设计和建模，钢结构主体由TAKLA软件进行深化设计和建模，犀牛和TAKLA之间的协同由REVIT软件完成。施工要点如下：（1）扫描现场已经安装的钢结构构件。根据获得的构件三维扫描数据，建立三维模型，将三维模型转换成BIM模型数据，与设计的模型进行比对，寻找钢结构构件与设计模型的不同点，检测构件是否满足设计要求。（2）根据扫描模型和设计模型的比对结果，对面板模型进行调整，防止与主体结构相互碰撞。（3）根据协调完善的面板模型，建立次结构龙骨支撑结构模型。整合主体钢结构模型，对面板模型和龙骨次结构模型进行空间上的协调，如有需要，进一步调整龙骨和次结构模型。（4）根据调整后的协调模型，完成异形面板的切割下料。每个板块不仅有生产编号，还有唯一的安装编号，编号与模型中板块的位置和编号一一对应。（5）根据协调模型的结果，指导现场施工。
3.2激光扫描技术
3.2.1技术特点
三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度点云立体扫描技术，利用三维激光扫描仪获取目标物表面各点的空间坐标，然后由获得的测量数据构造出目标物的三维模型。与传统全站仪测量独立的点不同，激光扫描技术测量的是一个一个点拟合而成的面，与BIM技术结合可以形成等比例的建筑模型，且能够进行模拟分析与优化，便于后期施工参考。
3.2.2技术应用流程
施工现场三维扫描过程共设4个测站点。在对立面进行扫描时，仪器的分辨率设置为50m处的扫描分辨率为20mm。按照测站距离目标最远35m计算，内部扫描距离较近，可设置50m处的扫描分辨率为10mm。在测站点设置完成后，需要在各个位置方向放置同名点，即粘贴反射物。采集过程分为4个步骤：（1）粘贴反射体。本次扫描中站点较少，可以采用公共反射体的方式进行拼接，反射体分布要均匀，包括方向上的均匀和层次上的错落。每个站点的有效发射体个数不少于3个，在条件允许的情况下尽可能多地设置反射体，这将有助于减小数据拼接的误差。本次扫描选择贴合在各个钢结构弧形梁上各点，同时保证每根弧形钢梁上都有反射点。（2）连接设备。根据扫描仪的地址，配置笔记本电脑的无线网络。这需要应用三维激光扫描仪附带的软件创建工作文件。（3）扫描仪参数设置。参数包括采样间距、采样密度、扫描时间、扫描次数、水平起始和停止角度、垂直角度、分辨率、显示方式等。（4）数据采集。对第1个测站进行粗扫，如果结果显示符合要求，再设置高精度分辨率进行精扫。按照这样的方法，依次对站点1到站点4进行扫描，最终获取三维立体数据（见图2）。扫描过程中还需要注意捕捉反射体。外业采集过程中由于扫描仪及其他因素，不可避免存在噪声点，而噪声点对建立三维模型影响较大。因此在进行点云数据处理之前要降低或消除噪声，和目标无关的部分可视为噪声一并除去。另外，要想和其他专业的模型进行交互，还需要将扫描模型和深化模型进行整合，整合过程中应采用统一的坐标体系。
3.3GFRC面板的制作
面板建模由三维软件犀牛完成。它不受曲面的复杂度、阶数及尺寸的限制，也支持多边形网格和点云，可以和扫描的点云RCP模型方便地对接。在点云模型写入犀牛后，根据主体结构位置，建立面板模型，面板模型和主体钢结构模型交互检查的重点在于检测表皮和结构之间是否会出现碰撞，同时复核结构是否出现了影响到面板造型的偏差。根据复核结果，对面板进行局部微调或调整主体结构。再对面板进行切割分块。为了安装和加工的方便，板材需要尽可能少且形状一致，这样节省成本也方便现场安装。为此，每上下2层弧形梁用2块对称的面板进行拟合。考虑到GFRC面板之间为玻璃窗系统，在模型中加入玻璃嵌板模型，对面板和玻璃的收口位置进行校核。
3.4GFRC面板次结构龙骨的建模
根据协调后的面板模型和主体结构模型，进行次结构龙骨的设计和建模。根据面板的弧度和分割线，可以准确匹配出和面板造型吻合的龙骨。龙骨的建模跟随面板，由犀牛软件完成（见图3）。龙骨和钢结构主体之间采用转接件焊接连接。次结构龙骨模型建立之后的交互复核有2点注意：一是布置龙骨时，要考虑在满足GFRC强度需求的前提下避开和主体结构、玻璃支撑结构的碰撞；二是合理布置龙骨转接件的生根落点便于现场施工和调节。
3.5软件数据的交互模式
除了GFRC模型、钢结构模型、点云模型外，本项目还有机电模型等其他专业模型。它们都以REVIT为中心进行建模和交互，因此将REVIT作为数据存储和交互的中心。交互的详细方式如下：①点云数据和REVIT的交互。在REVIT界面中选择“插入”，点击“点云”即可。②REVIT、TAKLA、犀牛的模型数据交互。TAKLA和犀牛输出IFC文件，REVIT通过链接与输出的IFC文件进行模型整合。TAKLA输出IFC进行交互时容易出现2个问题：一是TAKLA输出的IFC在与REVIT绑定时出现空间位置不匹配；二是IFC导入REVIT时，容易出现构件的丢失。对于以上情况，解决办法：①在TAKLA20.0版本之后，采用和REVIT基点相类似的相对坐标的定义系统，将不同软件的模型基点设置为相同，从而保证空间位置的吻合。②TAKLA输出IFC文件时，对IFC输出属性进行高级属性设置。一般按照TAKLA默认的文件输出方式输出的IFC文件，在REVIT里面链接时很少出现模型构件丢失现象。将犀牛模型数据导入到REVIT中，有6种方法进行对接工作：①直接将Rhino几何体导出为sat或dwg格式，再导入REVIT。对于REVIT中的体积参考，此方法是有效的，几何体不带材料属性。②将Rhino几何体导出为sat或dwg格式，再导入REVIT中的Mass。这是将导入的几何图形转换为REVIT中的元素的最佳方法。③将Rhino几何体导出为sat或dwg格式，再导入REVIT中的族。这是在REVIT中创建复杂族物体的方法。④通过Rhynamo将犀牛几何体导入Dynamo。⑤通过Flux将犀牛几何体或数据导入Dynamo。⑥将犀牛几何体导出到IFC，再与REVIT对接。因犀牛软件的优势在于对复杂曲面的建模能力和对曲面的参数化，REVIT的优势在于其多专业的整合能力，采用第6种文件交互方式，可充分发挥犀牛软件的参数化曲面建模能力，并且方便地和REVIT、navisworks软件进行数据共享。
3.6质量管控
传统的测量模式为采用全站仪进行关键点位的坐标采集，然后与设计的坐标点位进行比对，从而对安装质量进行控制，这样的关键点控制方式无法对实际安装完成的曲面进行精确控制。当双曲板出现加工误差时，对造型的控制难以把握。为此，将三维扫描技术和BIM技术同样应用到每块板材的安装过程中，质量管控具体操作如下：（1）所有GFRC构件施工为从下而上逐层施工，每1层的GFRC构件都由数量不等的单片组成，以单片构件的交接点为主要控制点，在每1层构件安装完成后进行激光扫描。（2）根据扫描形成的点云模型与设计模型进行交互比对，找出偏差点。按照偏差对比的数值，调节龙骨与主结构的安装爪件，保证安装的面板在偏差允许范围之内。（3）充分发挥模型本身的可视化特点，在施工之初对每1个安装人员进行可视化交底，发挥协调模型对现场安装的指导作用。
4结语
随着技术的不断进步，新技术在工程设计和施工中将得到不断应用和创新发展。通过项目成功实践，对三维激光扫描技术应用过程及BIM技术的软件交互过程中出现的问题和解决的方式进行阐述，希望对类似项目有一定的借鉴。
参考文献：
[1]周立，李明，毛晨佳，等.三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用[J].上海建设科技，2011，32（4）：47-50.
作者：封伟 赵千理 白学永 周红岩 马利凯 单位：中国建筑第二工程局有限公司
