三维扫描结合BIM技术在玻璃幕墙工程中的应用

摘要：随着科技的不断进步，三维扫描技术与BIM技术作为两种先进科学技术，其在玻璃幕墙工程中的应用，既是时展的必然趋势，也是玻璃幕墙工程发展的实际需要。在两种技术的结合应用情况下，玻璃幕墙工程数据采集更加及时、完整、有效，数据资源整合利用率更高，为模型的构建与分析提供了重要的数据支持。本文主要阐述了三维扫描与BIM技术在幕墙工程中的应用现状，在玻璃幕墙工程中的具体应用与应用的必要性，并对这两种技术在幕墙行业的未来发展趋势进行了展望。

Abstract： With the constant progress of science and technology， the application of 3D scanning technology and BIM technology in glass curtain wall engineering is not only the inevitable trend of the times， but also the actual needs of glass curtain wall engineering development. By the combination of the two kinds of technology， glass curtain wall engineering data collection has become more timely， complete and effective， and the data resources utilization becomes higher， providing important data support for the construction and analysis of the model. This article mainly expounds the application status of 3D scanning with BIM technology in the curtain wall engineering， the concrete application and the application necessity in glass curtain wall engineering. And the development trend of the two technologies in curtain wall industry is prospected.

关键词：三维扫描；BIM技术；玻璃幕墙工程；应用

Key words： 3D scanning；BIM technology；glass curtain wall engineering；application

中图分类号：TU17 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0149-03

0 引言

近年来，伴随工程信息化程度的不断提高，3D建模技术、三维扫描、BIM技术开始在建筑领域中渗透。玻璃幕墙工程作为建筑工程的一个重要分支，以往在施工过程中，由于受技术水平的限制，其模型建立往往缺乏适用性与有效性，且数据采集、整理与分析低效，难以为工程方案设计提供必要的数据信息。而三维扫描与BIM技术的引入，使得施工图纸、模型构建与分析更加直观清晰、精确。因此，研究这两种技术在玻璃幕墙工程中的应用非常重要。

1 三维扫描与BIM技术在幕墙工程中的应用现状

三维扫描凭借大面积、高分辨率的成像来实现对建筑全景的复制，并向建筑结构分析提供所需三维点云数据，而在幕墙工程中得了广泛的应用。目前，三维扫描在幕墙工程中的应用大多是与BIM技术相互结合使用[1]。BIM技术自出现起，就受到了许多专家学者的高度关注与重视，并随着技术实践与应用范围的日益广泛，开始逐渐由理论转向工程技术应用。如李艳妮对BIM技术结合软件建模进行了相关研究，从模型中获取建筑结构信息，实现了对建筑结构的可视化与定量分析；郑聪从设计与数据处理方面，将BIM技术与集成化设计相融合，并对其在工程应用中的优势进行了分析；王宝龙通过对某传媒中心幕墙工程施工BIM建模、参数设计及数据处理等的研究，对BIM技术适用于复杂造型幕墙工程施工设计进行了实证分析；刘桁通过对上海中心大厦幕墙工程设计、施工对BIM技术的使用情况的介绍，强调了BIM技术在幕墙工程领域的应用价值与广阔前景；张鹏等人借助软件对BIM技术在成都大魔方售楼工程的外立面幕墙施工中的应用进行了研究，实现了对幕墙施工方案的优化[2]。整理看来，三维扫描与BIM技术在幕墙工程中的应用情况目前处于良好发展态势。

2 三维扫描与BIM技术在双曲面玻璃幕墙工程中的应用

2.1 三维扫描与BIM在双曲面玻璃幕墙工程中应用的必要性

三维扫描目前应用于工程领域的扫描方式主要有全景扫描和三维激光扫描两种。其中，全景扫描通过采用高像素数码相机来采集一系列图像序列，然后经软件匹配拼接处理，最终形成一个完整的全景图像[3]。该图像含有坐标数据与测量数据，能够直接与BIM模型进行比对，从而找出工程设计效果与实际完成效果之间的差异，实现对工程设计方案的优化。三维激光扫描通过高速激光扫描测量来大面积获取被测对象的三维坐标数据，具有高精度、高效率等特点，适用于高精度、高分辨率数字模型的获取。

与平面玻璃幕墙施工不同，双曲面玻璃幕墙工程在实际施工过程中往往难度大、造型结构复杂、存在较大弧度、生产加工周期长、成本高，尤其是大面积双曲面玻璃幕墙施工。如果单纯的采用传统加工技术将无法实现双曲面玻璃幕墙建设，因而必须借助现代化信息技术。实践应用表明，三维扫描与BIM技术在双曲面玻璃幕墙工程中的应用，可以有效解决上述技术难题[4]。因为三维扫描技术通过成像设备在施工现场获取大量图像序列，克服了实景坐标数据及各测量数据获取难题，而BIM技术的使用则克服了实景模型的建立与分析难题，使得双曲面玻璃幕墙建设得以实现，可以说三维扫描与BIM技术是双曲面玻璃幕墙建设得以实现的重要保障与技术支撑。因此，将两者应用在双曲面玻璃幕墙工程中非常必要与重要。

2.2 三维扫描与BIM在双曲面玻璃幕墙工程中的具体应用

2.2.1 工程概况

某建筑工程结构设计正立面呈圆形，侧立面为椭圆形，建筑功能包括商务中心、办公、管理机房、客房、地下车库等，外形结构如图1。由于外形设计特殊，每层平面椭圆随着角度的转变而逐层渐变，从而构成了双曲面玻璃幕墙式外立面。主楼幕墙工程采用钢管龙骨支撑系统，竖向主龙骨采用圆形钢管，横向龙骨采用铝合金型材，玻璃面板采用中空钢化夹胶暖边玻璃[5]。基于建筑结构外立面造型为双曲面玻璃幕墙，施工难度极大，存在的主要施工难点有结构复杂、建筑每层平面椭圆均不相同，外立面整体呈弧形变化，玻璃缝隙竖向贯通要求连续，但这样会使竖向龙骨弧度与双曲面玻璃造型无法一致，进而无法与幕墙玻璃紧密接合。基于这些问题与难点的存在，如果没有先进技术作为支撑整个幕墙工程基本难以实现。

■

2.2.2 三维扫描与BIM技术的具体应用

结合该工程平面玻璃逐层变化及双曲面结构特点，考虑到双曲面幕墙玻璃对测量精度要求高，本文决定采用三维扫描结合BIM技术来对幕墙工程进行设计与施工，三维激光扫描仪选用Focus3D激光扫描仪[6]。这种三维激光扫描仪水平扫描视野360°，垂直扫描视野305°，可以将被扫描对象信息转换成三维点云数据，拥有12.2×103点/s（慢速）、24.4×103点/s（中速）、48.8×103点/s（快速）和97.6×103点/s（高速）四种测量速度。

首先，建立高精度控制网，然后利用三维扫描技术对整个建筑玻璃幕墙进行扫描，以获取玻璃幕墙所有图像信息，包括各种图像的三维模型、坐标数据、像素及其他相关测量数据。测量完毕后在每一个测量点支座上安装一个三维可调转接件，用于对三维测量带来的误差进行校正，并对测量所得点云数据进行处理。数据处理利用最小二乘法对由导线测量所得导线数据和高程控制测量所得高程数据进行平差计算，即利用已知点平面坐标和高程来计算出其他控制点的平面坐标和高程，并将测量误差平均到每个控制点上，以提高测量精度。然后，利用BIM技术建立BIM模型如图2。

为保证数据测量精度与扫描的完整性，使用12.2×103点/s（慢速）来对建筑全景进行扫描，分站间距设为50m以内。三维激光扫描仪开机自检，确定扫描仪工作正常后建立幕墙工程项目并设置分站；启动扫描仪，选择适合的扫描类型后先用快速扫描对幕墙工程数据进行粗略提取并观察数据情况，设置扫描仪水平与垂直扫描视角，然后将扫描速度调整为慢速，分辨率调整到最高级别；按照幕墙工程设计要求对网格质量、聚焦等其他扫描参数进行设置；当所有参数全部设置完毕后开始进行扫描，当一个分站扫描任务完成保存好测量数据后开始下一个分站的扫描；将扫描所得各控制点点云数据拼接起来，获得仪器坐标系下和施工坐标系下各点坐标。用最小二乘法对测量数据进行计算并对坐标转换精度进行检验。

3 三维扫描与BIM结合在幕墙行业中的未来展望

根据三维扫描与BIM技术在玻璃幕墙工程中的应用现状分析可知，它们在幕墙行业中的发展前景十分广阔。目前，三维扫描与BIM技术在玻璃幕墙中的应用主要是用于解决数据的采集、整理与分析以及建筑结构模型的建立与解析等问题，而这些数据的获取与分析是玻璃幕墙工程施工方案与图纸设计的重要依据。因此，三维扫描与BIM技术在幕墙行业未来的发展将会在数据处理功能和模型分析功能方面进一步强化，同时其他功能也需得到进一步提升。

另外，虽然三维扫描与BIM技术在我国工程领域得到了较好的应用，如在造型复杂幕墙工程中的应用可以解决技术上的高精度、高效数据处理等要求，但目前仍处于发展的初期阶段，且与国际水平相比还有较大一段差距，需要在今后的发展与应用过程中不断将这种差距缩小。

4 总结

总之，三维扫描与BIM技术在玻璃幕墙工程中的应用所具有的重要性不言而喻，它不仅能够实现高精度、高效率获取各项所需数据，而且克服了双曲面玻璃幕墙等复杂工程施工的技术难题，对我国玻璃幕墙等工程发展具有巨大的推动作用。随着幕墙行业信息化程度的不断提升，以及三维扫描与BIM技术的进一步成熟，三维扫描与BIM技术在幕墙行业中的应用将更加成熟、前景更加广阔。

参考文献：

[1]梁少宁.基于BIM的幕墙工程集成化应用[D].华南理工大学，2015.

[2]刘珩.BIM技术在上海中心大厦外幕墙工程中的应用[J].土木建筑工程信息技术，2013，05：79-87，97.

[3]林彬，梁梁.浅谈“BIM”技术在幕墙工程中的应用[J].门窗，2015，01：6-7.

[4]米继东，路伟伟，田承行，王三亮.三角玻璃拟合不规则闭合双曲面玻璃幕墙关键技术研究[J].施工技术，2015，06：18-21.

[5]唐际宇，杨绿峰，张伟.三维曲面拉索玻璃幕墙施工找形与张拉控制研究[J].施工技术，2015，09：4-8，12.

[6]王孝俊，吉乃木沙，龚永全.BIM技术在国家会展中心（上海）幕墙工程中的应用[J].上海建设科技，2015，05：34-35，38.

[7]麦飞龙.异形建筑幕墙工程的分析模型与应用研究[D].上海交通大学，2013.

[8]徐友全，张世洋.BIM技术在山东省会文化艺术中心大剧院双曲面壳体龙骨定位中的应用[J].施工技术，2014，03：55-58.