一种基于BIM点云技术指导埋件施工定位方法

技术领域

本发明涉及建筑工程施工技术领域，具体涉及一种基于BIM点云技术指导埋件施工定位方法。

背景技术

随着城镇化进程的加快，建设工程项目的规模日益扩大，建筑造型愈加复杂，建筑异面结构增多。常规的二维施工图纸往往无法满足施工的需要，造成了生产效率低下、材料浪费严重和返工较多的现象，给现场施工造成了较大的影响，也对测量工作形成了一定的挑战。

以塔楼幕墙工程为例，幕墙造型复杂多变，该区域为钢结构支撑并且顶部没有楼板，钢结构加工安装精度会影响幕墙的安装。在后期的幕墙工程中，因结构空间高，跨度大，同时存在以下技术难点，为现场施工造成了一定的难度。

(1)施工难度大：塔冠作业高度在200米，且施工前期无外部防护，对钢结构埋件的测量放线工作要求较高，塔冠方案存在斜面设计，两面交角形成二面角型材，加工难度大；(2)转接件下单难：由于钢结构存在焊接误差，埋件最大偏差可达50-60mm，而幕墙转接件的最大调整偏差在20mm，结构偏差无法通过转接件进行调整，在结构偏差较大处需设置特殊尺寸转接件，导致转接件尺寸规格多；(3)板块组装切割难：塔冠方案多处存在二面角交接，型材切割需多个二面角，导致板块组装加工困难，现场埋件尺寸偏差大，导致板块挂接困难。因此准确地计算出钢结构埋件位置偏差，对幕墙板块定位起到决定性作用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于BIM点云技术指导埋件施工定位方法，以达到准确地计算出钢结构埋件位置偏差，降低施工难度的作用。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于BIM点云技术指导埋件施工定位方法，包括以下步骤：

S1：扫描：对结构埋件进行三维激光扫描定位，并获取点云数据；

S2：点云数据处理：先进行点云拼接，把不同测站的数据统一到同一坐标系统，再进行点云滤波，主要包括删除杂点、删除体外孤点、删除非连接项、删除冗余点和减少噪声；

S3：BIM建模：对处理后的点云数据进行BIM建模，建立结构埋件的关键部件的几何模型，计算埋件位置偏差。

优选地，步骤S1具体包括以下步骤：

S1-1：前期准备工作：包括仪器配置、资料收集、现场踏勘、控制点布设和制定工作计划；

S1-2：现场踏勘；

S1-3：扫描方案设计：根据现场踏勘过程中规划的扫描路线图进行标靶和测站；

S1-4：获取点云数据：利用扫描仪进行数据采集工作，获得现场的点云数据。

优选地，在步骤S1-2中，现场踏勘包括的主要工作有：

(1)根据现场人员提供的控制点信息，检查控制点的位置与现有保存情况，对点位的使用可能性进行分析；

(2)根据现场的空间位置、形态分布和扫描仪的扫描范围，判断扫描站点的大致位置；

(3)结合现场实际情况，考虑后期点云拼接，规划扫描路线图，绘制相应的扫描路线图，确定初步扫描路线，考虑后期的数据处理和点云质量，对扫描路线进行优化；

(4)根据设计的扫描路线图，大致确定测站的数目和大概位置，制定相应的具体工作计划，主要包括人员安排、扫描流程、进度安排和后勤保障。

优选地，在步骤S1-3中，标靶时，选取一定数量的公共点，公共点选用球形标靶或圆形标靶。

优选地，在步骤S1-3中，测站时，根据扫描规划路线图设置站点，在确保扫描仪工作的有效范围内合理分布测站，在测站确定之后，合理分布公共点的位置，确保相邻测站之间有一定数量的公共点。

优选地，在步骤S1-4中，扫描的具体步骤是：根据方案设计的测站位置安置仪器，注意做好整平工作，新建项目，根据扫描对象跟扫描仪之间的距离，确定合适的分辨率以及相应的参数设置，然后选择合适的公共点位置并放置，最后开始扫描，待测站结束以后检查扫描数据质量，确定数据质量完好之后，将仪器搬至下一测站进行换站测量，最终获得现场的点云数据。

优选地，在步骤S2中，需要减少的噪声点比例为0.1％-5％。

优选地，在步骤S3中，进行BIM建模时采用自顶向下的模型驱动法：通过建筑物几何实体描述建筑物，事先建立一个由各种立体图元组成的模型库来进行模型匹配，根据匹配效果，选择最好的匹配效果作为建筑物的模型。

优选地，在步骤S3中，进行BIM建模时采用自底向上的数据驱动法：对建筑物的某些特征进行量化，并基于实测数据，唯一确定建筑物的模型。

本发明的有益效果体现在：

由于获取的点云数据量非常庞大导致扫描数据处理工作十分复杂，因此本发明可对点云数据进行优化处理，先进行点云拼接，由于扫描作业从不同方位对目标扫描，获得多个测站的点云数据，每一个测站数据都有自身的坐标，点云拼接的任务就是把不同测站的数据统一到同一坐标系统，点云数据拼接的过程是对应的过程，即点云数据集与点云数据集的对应，跟数学上的映射原理一致。由于采用扫描仪获取目标物点云数据时，受到测量仪器或着其他随机因素的影响，点云数据中难以避免会出现一定数量的噪声点，因此为了保证目标物信息的可靠性，还对点云数据进行了点云滤波，从而使点云数据能够体现目标物的外形特征，为后期进行精确地BIM建模打下了基础，从而根据建立结构埋件的关键部件的几何模型，计算出埋件位置偏差，为后续施工降低了难度。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明技术方案进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

本实施例提供一种基于BIM点云技术指导埋件施工定位方法，包括以下步骤：

S1：扫描：对结构埋件进行三维激光扫描定位，并获取点云数据；

S2：点云数据处理：先进行点云拼接，把不同测站的数据统一到同一坐标系统，再进行点云滤波，主要包括删除杂点、删除体外孤点、删除非连接项、删除冗余点和减少噪声；

S3：BIM建模：对处理后的点云数据进行BIM建模，建立结构埋件的关键部件的几何模型，计算埋件位置偏差。

由于获取的点云数据量非常庞大导致扫描数据处理工作十分复杂，因此本发明可对点云数据进行优化处理，先进行点云拼接，由于扫描作业从不同方位对目标扫描，获得多个测站的点云数据，每一个测站数据都有自身的坐标，点云拼接的任务就是把不同测站的数据统一到同一坐标系统，点云数据拼接的过程是对应的过程，即点云数据集与点云数据集的对应，跟数学上的映射原理一致，点云配准主要包括两个核心内容：①对应关系，②变换参数，其中变换参数一般共有7个，包括三个平移参数、三个旋转参数、一个尺度参数。由于采用扫描仪获取目标物点云数据时，受到测量仪器或着其他随机因素的影响，点云数据中难以避免会出现一定数量的噪声点，因此为了保证目标物信息的可靠性，还对点云数据进行了点云滤波，从而使点云数据能够体现目标物的外形特征，为后期进行精确地BIM建模打下了基础，从而根据建立结构埋件的关键部件的几何模型，计算出埋件位置偏差，为后续施工降低了难度。

在步骤S1中，扫描时可采用三维激光扫描仪，三维激光扫描技术在各个领域的应用已然相当成熟，尤其在文物保护、古建筑物的修缮、医疗等领域的应用，由于BIM技术的发展，三维激光扫描技术在施工阶段才得以初步应用。而BIM技术在我国的发展主要经历了概念导入阶段、理论研究与初步探索阶段、快速发展及深度应用阶段。从起初对IFC标准的研究到对BIM标准、技术及软件的研究，如今BIM进入大规模工程实践、标准制定及围绕“BIM+”的深度应用。“BIM+”主要是BIM与云计算、物联网、GIS、虚拟现实技术、3D打印及三维激光扫描技术等九大应用的集成。

BIM应用从设计阶段转向施工阶段的过程中，会出现“信息衰减”的现象，而3D激光扫描技术与BIM的集成能较好的弥补这一不足。

集成应用意义：

三维激光扫描技术是整个三维数据获取和重构技术体系中的最新技术,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，与设计BIM模型进行对比,为工程质量检查、工程验收带来巨大帮助。所以，三维激光扫描技术是连接BIM模型和工程现场的有效纽带。

集成应用的应用点：

①工程质量检测与验收

这种方法无法满足完整记录建筑物信息的要求，也就无法对项目整体质量进行有效检测，而三维激光扫描技术则弥补了这一缺陷。在施工现场通过三维激光扫描仪对现场进行扫描，所得到的点云数据经处理后，可以导入到BIM基础软件中生成可以反映施工现场的实际模型与设计BIM模型进行对比，及时发现问题以辅助决策。

②建筑物改建

在原有建筑保留的基础上进行改建工程中，利用三维激光扫描仪获取建筑物的外立面和内部点云数据，获取庞大的点云数据，基于点云数据使用Trimble SketchUp2014中进行建模，还原建筑模型。将点云模型服务于全专业、全过程的BIM设计。

③变形监测

传统的建筑物变形监测方式的可靠程度主要取决于在建筑特征部位埋设的变形监测点的合理性，并且传统方式并不能最大程度反映建筑物的最大变形。而基于三维激光扫描仪的监测方式能够对建筑物进行全方位的测量，可以有效地获得高精度、高密度的观测数据，这些数据可以完整地覆盖整个被监测对象。比如在施工现场的幕墙体系、钢结构体系中，可以利用三维激光扫描技术有效检测其变化范围和量级，起到高精度的变形监测效果。

三维激光扫描技术的工作由点云数据的采集和内业数据的处理两部分组成。在对点云数据进行获取之前，制定一个详细的工作计划是至关重要的，采集数据的质量影响着后期三维模型的建立。因此需要结合现场的踏勘情况，根据扫描的工作安排，制定相应的技术路线，规划一条可行的扫描路线。

因此具体地，步骤S1具体包括以下步骤：

S1-1：前期准备工作：包括仪器配置、资料收集、现场踏勘、控制点布设和制定工作计划；

S1-2：现场踏勘；

S1-3：扫描方案设计：根据现场踏勘过程中规划的扫描路线图进行标靶和测站；

S1-4：获取点云数据：利用扫描仪进行数据采集工作，获得现场的点云数据。

优选地，在步骤S1-2中，现场踏勘包括的主要工作有：

(1)根据现场人员提供的控制点信息，检查控制点的位置与现有保存情况，对点位的使用可能性进行分析；

(2)根据现场的空间位置、形态分布和扫描仪的扫描范围，判断扫描站点的大致位置；

(3)结合现场实际情况，考虑后期点云拼接，规划扫描路线图，绘制相应的扫描路线图，确定初步扫描路线，考虑后期的数据处理和点云质量，对扫描路线进行优化；

(4)根据设计的扫描路线图，大致确定测站的数目和大概位置，制定相应的具体工作计划，主要包括人员安排、扫描流程、进度安排和后勤保障。

在现场扫描中，扫描方案设计是最重要的环节，这关系到扫描工作效率和点云数据的质量，影响着现场施工的进度。根据踏勘过程中，规划的大致扫描路线图，估计扫描仪离目标的大致距离，便于选择扫描仪的分辨率以及设置相应的仪器参数，分辨率的选择和参数的确定影响扫描精度、工作效率。扫描方案设计中应该选择标靶和确定测站位置。

因此具体地，在步骤S1-3中，由于扫描对象空间分布大、结构复杂，不能一个测站测量完毕，需要进行多次测量，为了将不在同一测站测量的数据拼接到一起，标靶时，选取一定数量的公共点，公共点选用球形标靶或圆形标靶。在步骤S1-3中，测站时，根据扫描规划路线图设置站点，在确保扫描仪工作的有效范围内合理分布测站，在测站确定之后，合理分布公共点的位置，确保相邻测站之间有一定数量的公共点。扫描方案主要涉及扫描路线设计、测站位置确定、公共点的放置等，经过认真分析，确定扫描方案。在实际扫描过程中，可能会出现跟计划不一致的情况，可以对计划进行相应的微调。

为了指导后期的施工，获取机场航站楼点云数据。三维激光扫描仪通常可以获得点云数据和影像数据，在获取数据过程中需要进行实时的数据检查，通过设置采用分辨率、扫描距离以及环境参数进行数据获取，影像数据能够在获取点云数据前利用系统自带的数码相机获取，利用扫描仪进行数据采集工作，获得现场的点云数据，同时用全站仪获得三维测量点的坐标。

因此具体地，在步骤S1-4中，扫描的具体步骤是：根据方案设计的测站位置安置仪器，注意做好整平工作，新建项目，根据扫描对象跟扫描仪之间的距离，确定合适的分辨率以及相应的参数设置，然后选择合适的公共点位置并放置，最后开始扫描，待测站结束以后检查扫描数据质量，确定数据质量完好之后，将仪器搬至下一测站进行换站测量，最终获得现场的点云数据。

具体地，在步骤S2中，需要减少的噪声点比例为0.1％-5％。

具体地，在步骤S3中，进行BIM建模时采用自顶向下的模型驱动法：通过建筑物几何实体描述建筑物，事先建立一个由各种立体图元组成的模型库来进行模型匹配，根据匹配效果，选择最好的匹配效果作为建筑物的模型。模型驱动法具有效率高的优势。

具体地，在步骤S3中，进行BIM建模时采用自底向上的数据驱动法：对建筑物的某些特征进行量化，并基于实测数据，唯一确定建筑物的模型。这种方法直接利用实际获得的点云数据提取建筑物的各种特征参数，数据驱动法的优点是具有较大的针对性、灵活性和可靠性，适用范围更大。

埋板BIM构建优势：随着施工过程，测量、安装等误差导致原有的设计图纸跟施工后的现场不一致，这对吊顶工作造成了很大的影响，这就是建立BIM模型的主要原因之一。BIM建立是满足吊顶施工需求、指导材料下单、提高工作效率、生成的BIM模型可以打印三维图纸，这样现场可以更加直观形象的进行施工，同时也便于了施工管理。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。