基于BIM与三维扫描技术的土方工程测量研究.pdf

73现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 5 期2024 年 3 月Vol.3 No.5Mar.2024基于 BIM 与三维扫描技术的土方工程测量研究姜 宇新疆应用职业技术学院，新疆奎屯 833200摘 要：为提高 BIM 与三维扫描技术在土方工程测量中的应用质量，解决 BIM 与三维扫描技术集成应用中的技术问题。对 BIM 与三维扫描技术在土方测量中的应用进行分析。探究了 BIM 与三维扫描技术原理及其集成应用方法，阐述其计算方法、点云处理方法以及技术路线，并结合工程实例进行论述分析，以期为相关人员或工程提供参考。关键词：BIM；三维扫描技术；土方工程测量中图分类号：TU751;TU17 文献标识码：AResearch on Earthwork Measurement Based on BIM and 3D Scanning TechnologyJiang YuXinjiangInstituteofAppliedTechnology,Kuitun,Xinjiang833200Abstract:Intended to enhance the application quality of BIM and 3D scanning technology in earthwork surveying,and solve technical problems in the integration of BIM and 3D scanning technology.Analyze the application of BIM and 3D scanning technology in earthwork surveying,clarify the integration application methods of BIM and 3D scanning technology,explain the calculation methods,point cloud processing methods,and technical routes,and combine engineering examples to discuss and analyze,in order to provide reference for relevant personnel or projects.Keywords:BIM;3D scanning technology;Earthwork surveying作者简介：姜宇（1983），女，新疆应用职业技术学院讲师，研究方向为建设工程管理教学。在当今的建筑行业，传统的土方工程测量方法难以满足高精度和高效率的要求。随着科技的发展，新型的测量技术，特别是三维激光扫描和建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术，越来越受到行业的关注。本研究将深入探讨这两种技术，并尝试将它们集成到模型数据中，为土方工程测量提供一种更精确、高效的技术方案。首先，对这两种技术进行概述；然后，探讨如何在实际应用中实现技术集成，包括土石方算量计算方法和点云数据处理；最后，将通过一些实际的工程案例来展示这些技术在实际应用中的效果。1 三维激光扫描和BIM技术概述在数据采集与建模方面，通过三维激光扫描技术获取建筑物的点云数据，然后将点云数据导入BIM软件中，生成精确的建筑模型，这样可以快速获取建筑物的几何形状、尺寸和表面细节，避免传统测量方法的不准确性和耗时性。在模型验证与冲突检测方面，将三维激光扫描获取的建筑模型与其他BIM模型进行集成，进行模型验证和冲突检测，通过对比实际扫描数据和设计模型，可以及时发现设计错误、施工冲突等问题，并提前进行调整和解决，减少后期的修复成本。从施工监测与质量控制角度来看，利用三维激光扫描技术对建筑工地进行实时监测，获取施工进度和质量数据，将扫描数据与BIM模型进行对比分析，可以实时检测施工过程中的偏差和问题，及时采取措施进行调整和纠正，提高施工质量和效率。另外，将三维激光扫描获取的建筑模型与设备、维护记录等信息进行集成，建立数字化的运营和维护管理系统，通过BIM技术的支持，可以实现对建筑物的全生命周期管理，包括设备维护、能源管理、安全监控等，提高建筑物的运营效率和可持续性。同时，借助BIM与三维激光扫描还可以实现建筑物的高度可视化展示，这样可以帮助设计师、施工方、业主等各方更好地理解和沟通建筑物的设计意图和施工要求，减少误解和纠纷1。2 模型数据集成技术分析2.1 三维激光扫描及无人机倾斜测量技术三维激光扫描技术和无人机倾斜测量技术在土方742024 年 3 月第 3 卷第 5 期现 代 工 程 科 技74测量领域的应用，能极大提升测量的效率与精度。三维激光扫描通过激光雷达捕获高精度的地形点云数据，为复杂地形和难以接近区域的测量提供高效精确的技术方案。这种技术能够快速地为施工前的土地勘测或者挖掘后的土方量计算提供精确的数据。同时，无人机倾斜测量技术通过在多个角度捕捉地表图片，结合摄影测量学原理，进行三维重建。无人机的高机动性使得它可以在短时间内覆盖大片区域，特别适合于大范围的土方量测量工作。倾斜摄影技术可以从多个方向捕捉目标，增加了点云的密度，提高了模型的准确性。将三维激光扫描与无人机倾斜测量技术结合使用，不仅可以获得大范围的地形数据，还能够获取到难以触及角落的细节，为土方工程提供了更全面的数据支持。这种数据的高精度和高密度特性，对于计算准确的土方体积、优化施工方案、降低成本、减少错误具有重要意义。在实际工作中，这些技术的应用已成为土方工程测量的重要工具，推动着建筑行业的数字化转型。2.2 BIM参数化建模技术在土方测量项目中，BIM参数化建模技术发挥了重要的作用。此技术借助二维、三维协同方式，可以迅速地建立一个可视化的信息模型，这个模型不仅可以辅助土方测量的初始规划，而且还通过精准的参数化处理，使得各种项目细节更为清晰和准确。首先，需要对基坑施工设计图纸进行了解，并对基础施工类型进行分类，以构建参数化族群。其次，将设计图纸中的标注的场地坐标上传至BIM软件，快速生成施工场地周边的地形模型。实现基坑模型与地形模型的整合，完成对土方开挖基坑BIM模型的创建。为保证模型与点云数据精准融合，需要统一基坑BIM模型下的坐标数据与点云坐标数据。调整基坑BIM模型的坐标，包括微量调整坐标和移动模型，以便在后期信息模型输出后与点云数据处理快速整合。BIM参数化建模技术在土方测量项目中的应用，不仅提高了工作效率，而且还提升了工程的准确性和可视化效果2。2.3 BIM与三维扫描数据集成技术BIM和三维扫描数据集成的实现方法主要包括以下几个步骤：数据收集。使用三维激光扫描仪或无人机等设备在现场进行扫描，收集大量的点云数据。这些数据包括了现场所有物体的空间坐标，反映了现场的实际状况；数据处理。对收集的点云数据进行清洗和处理，去除噪声和异常数据，将来自不同角度的扫描数据进行配准和校准，合并为一个完整的三维模型；数据转换。将处理后的点云数据转换为BIM软件（例如Revit，ArchiCAD等）能够接受的格式，如STL、PLY、DXF等。这通常需要通过专门的转换软件或插件来完成；数据导入。将转换后的数据导入BIM软件中，生成对应的BIM模型，此过程中可能需要手动或者使用自动化工具进行一些调整和优化，确保三维扫描数据与BIM模型的高度一致性。3 应用技术路线及计算处理方法3.1 土石方算量计算方法土石方的开挖量计算方法需要使用三维激光扫描仪，在实际应用过程中需要结合实地情况选择是否使用三脚架，然后借助非接触式激光测距系统对扫描仪接收的相位信息进行记录，以此方式得到物体与扫描点之间的距离。土石方算量计算是一个非常重要的工作，需要进行充分的前期准备，以确保计算结果的准确性和可靠性。以下是土石方算量计算前期准备的主要内容。（1）工程设计图纸：土石方算量计算是基于工程设计图纸的，因此需要准备好工程设计图纸，并对其进行仔细的分析和研究。（2）场地勘察报告：场地勘察报告是了解工程场地情况的重要依据，需要对其进行仔细的分析和研究，以确定场地土质、地形等情况。（3）土石方分类表：土石方分类表是对场地土石方进行分类的依据，需要根据工程设计图纸和场地勘察报告，确定土石方的分类标准和比例。（4）土石方密度表：土石方密度表是对不同种类土石方密度进行记录的表格，需要根据工程设计图纸和场地勘察报告，确定不同种类土石方的密度。（5）土石方计算软件：土石方计算软件是进行土石方算量计算的工具，需要选择合适的计算软件，并进行相关的培训和学习。在完成上述调查准备后，可设S为激光束到扫描点间的距离，水平角记为和竖直角记为，由此可以计算扫描点的三维坐标如下：=cossinsinsinsinSZSYSX（1）3.2 应用技术路线第一步，施工技术人员使用三维激光扫描设备对土75姜 宇：基于 BIM 与三维扫描技术的土方工程测量研究应用科技方开挖场地地貌情况进行简单了解，以此为基础对地表情况与地貌标高等数据进行修订与记录。第二步，需要对比地貌标高数据与土方基坑支护标高数据，重点检查设计图纸与实际施工现场之间的吻合情况。第三步，使用BIM构建基坑模型，同时结合扫描数据进行组合，以此方式得到土方开挖量与回填量数据的预测值，为后续的开挖施工提供数据参照。第四步，开挖完成后使用扫描仪对基坑进行再一次扫描，以此得到开挖后的基坑数据，通过与图纸进行比对的方式判断开挖施工是否出现超欠挖的情况4。第五步，进行数据组合并构建出开挖云点的数据模型，同时参考BIM模型数据信息与实际基坑数据，明确模型的偏差，从而为现场结算检测提供依据。详细流程如图1所示。图1 应用技术路线图3.3 点云数据处理在土石方测量中应用三维激光扫描技术后，处理得到的点云数据是一个关键步骤，这对于最终的测量精度和结果分析至关重要。首先，三维激光扫描技术会产生大量的点云数据，这些数据代表着被扫描区域的空间坐标。处理这些数据的第一步通常是数据的去噪和滤波，移除由于环境因素（如风、雨）或设备误差产生的孤立点和噪声数据，同时进行数据的平滑处理，以确保数据质量。其次，进行点云数据的拼接配准，这一步骤涉及将多个扫描视角的数据合并为一个统一的三维模型。拼接方法包括利用控制点、基于公共特征点的拼接和基于公共靶标的拼接等，以确保所有数据在同一坐标系统中对齐。特别是在大型或复杂区域的测量中，这一步骤尤为关键。同时需要注意坐标系统是否统一，即需要对于多个测站采集的数据，需要进行坐标系的统一，涉及3个平移参数、3个旋转参数及1个尺度参数的计算，确保不同测站数据的一致性。再次，对扫描得到的点云数据进行压缩和重采样处理，以减少数据量，提高三维建模的效率。最后，进行点云数据的三维模型重建。这包括构建三角网模型、多边形修补、去除多余特征、减少多边形数量、平滑及轮廓线提取和曲面拟合等，以便于土石方工程量的计算5。通过上述步骤，能够准确评估土方工程的规模，为项目规划和执行提供重要的决策支持。点云数据处理的准确性直接影响到土石方量的计算结果，因此这一过程需要极高的精确度和专业的技术处理。4 工程案例4.1 案例概况以某土方开挖施工活动为例，结合上述分析进行论述。该项目处于四川盆地中部，土方开挖地区的地貌以浅丘宽谷为主，但是开挖现场及周边地区的地形较为平坦，同时没有较多的杂物影响。开挖之前施工使用三维激光扫描仪及其配套软件对开挖现场进行全面扫描，整个扫描过程以上述分析方法为主，扫描点共设有8站6-7。4.2 开挖地原始地貌扫描使用激光扫描设备对开挖地区的原始地貌进行扫描，通过上述方法得到土方开挖地区的三维点云模型。结合施工人员现场扫描数据能够得知场地的平面绝对标高为436.250436.800m，开挖整体较为平整，开挖后基底距地面的自然高程与设计大致相同，开挖施工地区的地貌点云图如图2所示。图2 开挖施工地区的地貌点云图开挖地区的地貌数据与实际基坑支护设计的标高仅差0.500m。结合上述分析提出的标高构建BIM模型，并将其实际模型与开挖前的地貌点云模型进行整合，由此得出开挖的深基坑实际挖土量会比设计开挖量多1250m3左右，工程基坑支护设计如图3所示。结合BIM模型并借助原始地貌点云模型进行计算，以此方式得到案例的土方工程开挖量约为16745.64m3。762024 年 3 月第 3 卷第 5 期现 代 工 程 科 技76图3 土方开挖基坑的支护总平面图4.3 开挖后地貌数据扫描结合上述分析方法对基坑进行扫描，所获取的施工地区三维点云模型与设计标高相符，最大误差小于0.050，由此认为本次土方开挖施工满足设计要求，开挖后基坑的点云图如图4所示。图4 基坑开挖后点云图通过对第二次数据与原始点云数据的融合整理，得到实际的土方开挖量为17576.5m3。对二次数据进行分析，认为实际的开挖量比预计开挖量多出约830.86m3。由此可以看出，BIM与三维扫描技术的集成应用可有效帮助土方开挖施工控制开挖量，具有良好的开挖测量与控制效果，上述方法能够有效统计各施工环节下的数据，并以此为基础构建出更为便利的模型，不仅可以有效提高计算效率与精准度，同时还可以方便设计人员对设计图纸进行调整，具有良好的适用性8。5 结语综上所述，基于BIM和三维扫描技术的土方工程测量研究为土方工程测量提供一种新方案，此技术融合BIM参数化建模的精准性与三维扫描技术的实时性，以此优化土方工程的测量过程，通过BIM参数化建模能够生成详细的、可视化的基坑模型，辅助相关人员更准确地理解和计划工程项目。而三维扫描技术则为相关人员提供了实时、精确的场地数据，使其能够在工程进展的每个阶段都保持对现场的精准把握。这种技术的融合应用，不仅可以有效提高土方工程测量的效率，也可以提高其准确性，在未来的土方工程测量领域具有广阔的应用前景。参考文献1 李卓.地面三维激光扫描技术在市政工程测量中的应用分析N.科学导报,2022-10-11(B02).2 陈晓辉,郭晨中,尚传鹤.三维激光扫描和BIM技术在工程测量中的应用J.四川建材,2019,45(10):74-76.3 陈海锋.三维激光扫描技术在道路工程测量中的应用分析J.建材与装饰,2018(17):205-206.4 靳文强.复杂装饰景观塔工程三维扫描测量技术应用分析J.中国新技术新产品,2023(6):96-98.5 倪明,罗会健,管磊,等.三维激光扫描技术在大型足球场工程中的应用J.钢结构(中英文),2022,37(12):24-30.6 李小双.基于三维激光扫描技术和BIM技术的大型网架结构施工测量监测J.住宅与房地产,2021(24):199-200.7 于涛,周珂,侯德峰,等.三维激光扫描和BIM技术在铁路设计中的应用J.铁道勘察,2020,46(5):25-30.8 杨勃,邵昀,唐铭阳.三维激光扫描技术在施工场地土方测量中的应用J.建筑施工,2021(9):1892-1894.