3D激光扫描技术与BIM集成应用现状与发展趋势
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摘要：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。通过实际案例对二者的应用现状及集成的应用现状的分析，分析二者集成应用在项目管理过程中存在的问题，并提出发展趋势：制定统一的数据格式标准、基于BIM技术的三维扫描激光扫描与云计算的集成、数据采集向更加精确化发展、减少内业数据处理周期，以满足实际项目的需要，提高BIM信息在施工阶段的应用率。
Abstract： BIM applications in the process from the design stage to the construction stage， there will be "information attenuation" phenomenon. 3D laser scanning technology integration with BIM can be used to make up for this deficiency， through practical case analysis of the integration of the two applications， summarize the problems in the application and development trend： 3D laser scanning products to reduce costs， shorten the data processing cycle， to improve scanning accuracy development， application development and application to integrate with other technologies. Finally proposed to clear the market demand， hot as the leading， comprehensive advisory services and necessary technical support for the principle of promotion.
关键词：3D激光扫描技术；建筑信息模型（BIM）；集成应用；发展趋势
Key words： 3D laser scanning technology；Building Information Model（BIM）；integrated application；development trend
中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）14-0202-03
0 引言
随着科技的日益发展，三维激光扫描技术（又称3D激光扫描技术）也得到了不断的发展和丰富。三维激光扫描技术是一项高新技术，把传统的单点式采集数据转变为了自动连续获取数据，由逐点式、逐线式、立体线式扫描逐步发展成为三维激光扫描。[1]三维激光扫描技术又称为“高清晰测量（HDS）”，也被称为“实景复制技术”。该项技术被广泛应用到工业制造、木雕展品、文物保护、教学、医学、军事以及娱乐等各大领域。随着建筑行业的信息化和工业化的发展不断加速，三维激光扫描技术在建筑工程施工领域的应用也不断加深。
本文总结三维激光扫描技术与BIM模型的结合在项目管理中的应用的现状，分析在应用过程中遇到的问题以及提出二者集成的发展趋势，促进BIM技术在施工阶段的应用。
1 应用现状
1.1 BIM的应用现状简述
[2]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。在概念导入阶段，主要是对IFC标准的研究；在理论研究与初步应用阶段，主要是对BIM标准、技术及软件的研究；在快速发展了深度应用阶段，主要是大规模工程实践、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。我国BIM技术正处于快速发展与深度应用阶段。
1.2 三维激光扫描技术的应用现状简述
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。
在三维激光扫描的产品研发上，针对于施工阶段，主流的三维激光扫描仪包括美国的Trimble公司的天宝TX5和GX200，加拿大的Optech公司的Real―work系列激光扫描仪，瑞士Leica公司的Scanstation等激光扫描系列。除此之外，还包括武汉大学自主研制的“LD激光自动扫描测量系统”以及北京天远科技有限公司的OKIO系列。
1.3 三维激光扫描与BIM模型的集成现状
1.3.1 集成应用的意义
[3]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，其实现了直接从实体进行快速逆向获取三维数据及模型的重新构建。
在建设工程施工阶段，将BIM模型用于现场管理需要集成有效的技术手段作为辅助。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。
综上，[2]三维激光扫描与BIM模型的集成是指对BIM模型和所对应的三维扫描模型，进行模型的对比、转化和协调，从而达到辅助工程质量检查、快速建模、减少返工等目的。
1.3.2 集成应用的热点
现阶段，三维激光扫描技术与BIM模型的集成在项目管理中的主要应用包括：工程质量检测与验收、建筑物改造、变形监测以及工业化精装修等。
①工程质量检测与验收。
传统的工程质量检测主要是采用量角器、直尺和锤球等工具直接量取建筑物构件的尺寸和记录相应的文字信息。但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。
以龙湖地产某项目为例，利用Trimble公司的天宝TX5三维激光扫描仪对结构及外墙进行三维点云实测（所测即所得），获取三维模型以修正BIM模型更新深化设计，确保施工进度和质量控制。在此过程中，与BIM模型相结合，形成精确的三维激光扫描仪电子化存档，以BIM技术应用的思维方式进行数据处理和分析，以解决深化设计中可能遇到的问题。在此项目中，由于项目的体量大、复杂程度高，工作人员难以在规定的时间内完成全部扫描任务和内业数据处理任务，而只是进行了部分楼层的扫描工作。
②建筑物改建。
以迪士尼中国实验中心楼（上海）项目为例，该项目在原有建筑保留的基础上进行改建工程，但由于该项目为全专业、全过程的BIM设计，项目设计团队远在国外，其建筑物的图纸数据已无法获取。
该项目采用天宝TX5三维激光扫描仪获取建筑物的外立面和内部点云数据，该点云数据可以提供dxf、dwg、asc、xyz的输出方式。将扫描后的点云数据导入到Trimble realworks中进行处理，把每站的点云数据合并到一起，合并成完整的点云模型。由于点云数据本身数据量较大，很难直接在其他建模软件中使用，故基于点云数据使用Trimble SketchUp2014中进行建模，同时为客户提供点云数据和模型数据。在内部点云数据的获取过程中，由于隐蔽工程中的设备、管线等难以扫描，这也对三维激光扫描技术提出了更高的要求。
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。[4]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。[2]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。
以大连某体育馆为例，由于在施工过程中钢结构发生变化，原设计外装饰板无法安装，利用天宝Trimble三维激光扫描仪采集现场钢结构三维点云数据，进行再设计完成外装饰板的安装。此外，三维扫描技术与BIM模型的集成还常被用于钢结构预拼装、土方等体积的测量等方面。
BIM技术极大地促进了建筑施工行业的信息化发展步伐，使得建筑行业的全生命周期更加集成化，更好地提高工程质量和效率，降低工程成本，减少返工、浪费，加快建筑行业的发展。而三维激光扫描技术为BIM技术向施工阶段的延伸应用提供了新的技术支持。随着三维激光扫描技术的不断发展，三维激光扫描产品的不断更新和多元以及与BIM技术的集成应用的范围和深度不断加强。现阶段，三维激光扫描技术与BIM模型在项目管理中的应用处于快速发展和初步应用阶段。
2 二者集成应用存在的问题
在项目管理中，三维激光扫描技术为BIM模型应用与现场管理提供了技术辅助。在一定程度上，帮助实现更精准的BIM，推动BIM技术从设计阶段向施工阶段延伸，实现了BIM模型在施工阶段的应用价值，但也存在一定的问题。
2.1 导入到BIM模型的数据不完整
在实际的施工现场，扫描环境复杂程度各不相同。针对一些隐蔽工程如设备管线的扫描常常很难进行，对于质量检测存在盲区。导致导入到BIM模型的扫描数据的不完整，使得在进度控制和质量检查过程中存在盲区。
2.2 导入到BIM模型的数据存在误差
影响精度的因素包括影响扫描数据的因素和影响点云数据的因素。影响扫描数据的的因素很多，包括仪器本身的误差、与目标物体的误差、与外界环境有关的误差等；[5]影响点云数据处理精度的因素包括原始点云的粗差与点云拼接精度的误差。除此之外，[6]与其他测量技术如全站仪、GPS的结合产生的误差。这些误差的存在导致导入的BIM模型的信息的不准确，从而影响工程质量检测的效果。
2.3 导入到BIM模型的数据不及时
基于BIM技术的4D进度控制的有效性必须依赖于及时有效的实际进度信息的采集和反馈，但在三维激光扫描技术采集的数据内业处理周期较长，跟不上项目的实际需求，从而影响计划进度中关键路线的纠偏及调整方案的制定。在一定程度上，降低的二者集成应用的价值。
2.4 缺乏统一的数据格式标准
[7]三维激光扫描的数据处理主要依靠厂商自带的软件进行，导致各商家的数据处理软件分析的结果标准不统一。并且导入到BIM基础软件中的格式也缺乏统一的标准，最终导致不同软件间的互用性不足。同样，导入到BIM模型中的数据也没有统一的格式标准。
2.5 硬件设施难以支撑导入到BIM模型中的点云数据
由于扫描的点云数据存在大量的冗长数据和噪声数据，[6]噪声是指点云数据中错误的点和含粗差的点，这些数据是无效的。需要先对扫描的点云数据进行处理，才能导入到BIM基础软件中进行实际模型的构建。并且过于庞大的数据增加了对硬件设施的要求。
3 发展趋势
三维激光扫描技术有着广阔的应用前景，被广泛应用到各个行业、各个领域。在建筑工程施工行业的应用也有其独特的优势。现阶段，如何将三维扫描技术进一步扩大或深入应用到该行业是值得考虑的问题。在此，仅依据三维激光扫描技术与BIM模型的集成在施工阶段应用存在的问题，简述如何能够进一步发展和推广。
3.1 制定统一的数据格式标准
国家及地方BIM标准的相继出台，但对于实际需求来说仍不完善，存在不足。制定统一的数据格式标准，统一行业数据处理标准、格式标准，有利于信息间的协同共享，提高各个相关利益方的沟通效率，降低沟通成本。就三维激光扫描技术将外业采集数据导入到内业处理的过程中，天宝TX5的数据保存在SD卡上，可以方便而又安全地传输到电脑上。数据用SCENE软件处理和配准，可以无缝地导入到天宝RealWorks软件上。而对于将处理后的数据导入到BIM模型的过程中，三维激光扫描技术通过生成DWG、DXF、PTS等格式，以满足REVIT、ArchiCAD等BIM软件。
3.2 三维激光扫描仪的采集数据更加精准
影响精度的因素包括影响扫描数据的因素和影响点云数据的因素。影响扫描数据的的因素很多，包括仪器本身的误差、与目标物体的误差、与外界环境有关的误差；影响点云数据处理精度的因素包括原始点云的粗差、点云拼接精度的误差。将三维激光扫描技术与传统测量手段相结合，克服测距和测量之间的矛盾，[7]通过侧重研究三维激光扫描技术核心下的新型测量方式和数据算法，实现外爷处理的长距离、高精度采集，以提高三维激光扫描仪的精确度，减少扫描过程中影响精度的因素，从而保证导入到BIM模型的数据的准确性。如Trimble公司开发的天宝TX5高速扫描仪能够以976，000点每秒和最高120米的测程进行测量，大大提高了测量精度。
3.3 基于BIM技术的三维激光扫描与云计算的集成
利用云计算强大的存储能力，将三维激光扫描技术的数据从后处理及导入到BIM模型的过程都可以在云平台进行。首先，将采集的点云数据和影像数据进行预处理，将其导入到Real―work中进行匹配颜色、删除噪声、点云过滤，在剔除无效数据之后再次将其导入到云端，以降低硬件设施的要求。同时可以提高扫描数据的共享能力，降低利用三维扫描技术和BIM技术集成应用的门槛。
3.4 减少内业处理周期，满足实际项目的需要
通过后处理软件的进一步开发和完善以及处理方式或方法的改进，以缩短内业数据处理的周期，使数据导入到BIM模型更加及时，满足实际项目需求信息的及时性、有效性，从而保证进度控制中关键路线的偏差调整以及调整方案的制定。
4 总结与展望
三维激光扫描技术与BIM模型在项目管理中的集成应用处在初步应用阶段。本文通过应用现状，分析二者集成应用过程中所存在的问题：缺乏统一的标准，导入到BIM模型数据存在不完整、不及时、不精准，对硬件设施要求高。最后提出发展趋势：制定统一的数据格式标准、基于BIM技术的三维扫描激光扫描与云计算的集成、数据采集向更加精确化发展、减少内业数据处理周期，以满足实际项目的需要，提高BIM信息在施工阶段的应用率。随着三维激光扫描技术与BIM技术的进一步发展，二者在项目管理中的集成应用会进一步扩大和加深。
注：由北京市教委社科类一般项目“BIM与RFID技术在建筑物流管理中的集成应用研究”资助。
参考文献：
[1]欧阳俊华.近距离三维激光扫描技术[J].红外，2006（3）.
[2]赵昕，马智亮，张建平，等.中国建筑施工行业信息化发展报告（2015）BIM深度应用与发展[M].北京：中国城市出版社，2015.
[3]花向红，马立广.地面三维激光扫描测量技术研究[D].武汉：武汉大学，2005.
[4]唐琨，魏成，夏真.基于三维激光扫描的建筑物变形监测方法研究[J].测绘地理信息，2013（4）.
[5]张洪栋，刘翔，时振伟.影响地面三维激光扫描仪数据质量的因素分析[J].测绘与空间地理信息，2014（2）.
[6]史友峰，高西峰.三维激光扫描系统在地形测量中的应用[J].山西建筑，2007（12）.
[7]刘昌霖.三维激光扫描测量技术探究及应用[J].科技信息，2014（5）.