郭灯，施正宝，陈保祥，薛杰，胡稳根

（中交一公局集团有限公司，北京 100024）

1 项目概况

贵州省沿印松高速公路，具体实施工点为K5+975～K6+145 右侧边坡、K99+010～K99+180 左侧边坡，李家寨隧道进口、凉风坳隧道出口YK81+728～YK81+748 段初支侵限段落，柏树坪隧道复杂溶洞，桥梁墩柱、预制T 梁（波纹管定位）等，通过对不同方位进行三维激光扫描，对BIM 模型和所对应的三维扫描模型进行对比、转化和分析，获取了现场实体较设计偏差，并及时调整，辅助工程现场施工，提升项目管理水平。

2 “BIM+三维激光扫描”技术概述

在高速公路施工阶段，采用三维激光扫描技术高效、快速获取物体表面高精度点云数据，结合BIM 设计模型的高可计算性、可视性特点，通过点云数据进行高边坡、隧道结构、桥梁构件的逆向模型重构，与BIM 设计模型进行空间形态的算法比对，获得边坡、隧道开挖前后的设计曲面及实际施工曲面的曲面形态计算数据，继而快速进行边坡的开挖土方量计算、边坡坡率校核、边坡变形监测，以及隧道施工的超欠挖计算、线型控制，桥梁构件质量控制等[1]。其应用重难点是要将BIM 模型导入三维扫描处理软件中进行点云数据与BIM 模型数据拟合对比，分析输出差异化结果。另外，现场实际施工环境复杂，设备操作受限，如何布点是本研究项目的难点所在。

3 “BIM+三维激光扫描”技术在山区高速公路项目施工中的应用对策

3.1 边坡应用

3.1.1 位移监测

以土建一分部K5+975～K6+145 右侧边坡为例，本段路堑位于斜坡上，平时无地表水发育，雨季降水在山间沟谷内汇集，向场地低洼处排泄。本路堑段位于构造剥蚀低山地貌区缓坡地带。地面高程632.8～543.6 m，相差89.2 m，地形起伏较大，局部坡度较陡。坡面上植被较发育，主要为灌木和乔木。不同时间段对边坡地形进行三维激光扫描，生成原地形曲面点云，将点云导入扫描仪配套的SCENE 软件中生成三维模型，通过Build IT Construction 分析软件对点云数据进行分析，或导入Civil 3D 中，生成地形曲面模型，利用Civil 3D 建模，在地形模型上将设计边坡的BIM 模型建立完成，进行比较，得出期间边坡的位移和变形量[2]。

3.1.2 测量方量和坡率

对边坡进行原地面扫描，再扫描开挖至一定程度的状态，生成当前开挖状态的点云模型，与原地形曲面模型求差，得到目前开挖完成的土石方量，通过开挖最终状态边坡模型曲面与原地形曲面求差，可计算复核设计开挖土石方量，结合地质分层模型，将实际的土石比代入求得实际开挖土石方量[3]。断面法计算土方量的精度取决于断面的密度以及断面上测量点的密度，容易忽视2 个断面间实际地形的起伏，与传统的断面法测土方相比，模型法拾取了地形表面的所有细节，大大提高了测算精度。

另外，在开挖过程中或开挖完成后，通过三维激光扫描仪建立的点云模型与BIM 设计模型进行整合，随机设置坡率采样线，可以求取边坡任意位置的坡率值，同时能够提取超挖、欠挖区域的坐标和高程数据，通过全站仪进行超挖、欠挖点放样，告知施工队伍按要求开挖至设计要求的开挖面，对边坡开挖过程进行精确控制。

3.2 隧道应用

3.2.1 超欠挖分析

在点云建模软件Tunnel 中，通过对隧道开挖后进行一次断面扫描后得到的点云数据，逆向重构生成实际模型，可以直接三维预览，将拼接好的点云逆向模型与按照施工图纸搭建的标准化模型同坐标定位匹配，直接观察理论与实际模型的偏差，同时，系统自动计算每个桩号的超欠挖数据，出具超欠挖分析结果，如图1 所示。

图1 超欠挖分析结果

3.2.2 耗材方量分析

对隧道开挖后和二衬施作后各进行扫描一次，在点云建模软件中将生成的2 个三维模型进行拟合，可计算出混凝土的消耗量。实施工点为沿印松高速公路项目李家寨隧道进口处随机选取40 m 初支段落、凉风坳隧道出口YK81+728～YK81+748 段初支侵限段落，以李家寨隧道为例，隧道全长4 552 m，最大埋深约647 m，隧道区海拔高程介于656～1 346 m，相对高差690 m，属中低山丘陵地貌区。对进口已完成二衬段落进行扫描，形成了现场实际三维模型，与前期建立的BIM 标准化模型进行比对，逐个桩号进行分析，探究设计偏差。

3.3 桥梁应用

3.3.1 预制T 梁检测

运用三维激光扫描与BIM 技术融合，针对已施工完成或正在施工的预制T 梁，通过不同方位进行三维激光扫描，获取点云数据；将采集的点云数据进行合成处理，形成预制T梁和钢筋骨架实体构件信息和图像，并绘制平面图、立面图、剖面图；与BIM 标准模型进行数模比对，分析偏差、平整度、倾斜度、体积计算、耗材分析等情况，替代常规的测量手段，达到精细化水平。现场实施工点为土建10 标2 号预制梁厂。2号预制梁厂位于K105+240～K105+740 段路基，占地面积约为12 000 m2，其中30 m 台座15 个，40 m 台座10 个，20 m 台座由40 m 台座改建，负责本标段776 片预制T 梁，主线355 片（30 m T 梁225 片；40 m T 梁130 片），九江枢纽互通421 片（20 m T 梁165 片）。通过对T 梁结构进行BIM 建模，利用Revit 结合Dynamo 提取出BIM 模型中T 梁几何参数信息和建模过程中的参数数据，结合三维扫描模型，获取T 梁水平面投影梁长和空间三维实际梁长，对图纸T 梁水平梁长进行审核。由于T 梁放置过程中受纵坡影响，故图纸预制T 梁梁长较实际梁长短一些。因此，提取出的空间三维梁长更加贴合实际，为T 梁的预制提供更加准确的尺寸信息。

3.3.2 墩柱质量控制

运用三维激光扫描与BIM 技术融合，针对已施工完成或正在施工的桥梁墩柱，通过不同方位进行三维激光扫描，获取整体点云数据；将采集的点云数据进行合成处理，形成墩柱实体构件信息和图像，并绘制平面图、立面图、剖面图；与设计文件进行数模比对，分析偏差、倾斜度、体积等，对超过设计允许范围的及时进行整改和纠偏。

4 “BIM+三维激光扫描”技术的应用效益

4.1 经济效益

预期成果对于解决目前公路工程建设中面临的结构物（如墩柱、T 梁）实体质量管理、边坡、隧道监测时间较长等难题提供了理论基础，对于解决目前公路工程建设中面临的高边坡监测精度不足，隧道位移监测不够全面问题，将隧道、边坡监测由“点”到“面”进行转变具有重要意义和实用价值，能够提升隧道、边坡监测准确率，及时预知变化情况，确保有足够时间去应对突发情况，具有重要学术意义和实用价值，能提升经济效益，降低财产损失。总的来说，该技术的应用具有以下优势：（1）提高精细化管理的管控水平；（2）提高桥梁墩柱、预制T 梁质量；（3）使边坡监测更加便捷、快速；（4）具有无接触测量、监测速度快、测量精度高、能够测量常规测量手段无法测量的溶洞体积和形状等优点。与传统物探测量相比，三维扫描技术极大地提高了工作效率及精确度。传统手段不能快速、准确地反映出实体结构的完整物理特性。三维激光扫描仪所获得的数据更加具体、生动、形象，能够真实反映出现场情况和待测物结构，三维激光扫描仪具有的高速度扫描、高精度测绘、非接触测量、安全性高、逼近原形等优点，能够使内外业所需时间及现场测量人员至少减少50%，并且可以轻松反映出三维状况，为后续设计、施工提供更专业、更方便、更高效的参考依据。

4.2 社会效益

“BIM+三维激光扫描”技术具有的社会效益包括以下方面：（1）提升项目管理水平，树立企业形象。可以代替传统测量及验收等方式，效率高、数据准，出具结果快，能够达到机械化减人，新技术替人目的，以数字化手段创新管理模式，实现提能增效，树立品牌。（2）测量手段先进，减少生命财产损失。在一些危险区域如复杂溶洞、不良地质高边坡、长大隧道等工点，采用三维激光扫描技术，一方面设备轻便，进场方便，可以提高安全系数；另一方面能够减少作业人员数量，在一定程度上减少安全事故发生，减少人员伤亡的数量，保障人民生命和财产安全。

5 结语

目前，贵州省高速公路的建设进入了加密路网阶段，在今后一段时间内，国高和省高的建设将成为贵州公路建设的主战场，随着城镇的发展与扩张，公路建设也将越来越紧邻生产生活密集区域。本项目的研究成果可以推广应用到这些公路工程建设中，替代常规测量手段，提高精细化水平，减少浪费和返工，精确分析尺寸差异，提高验收检测准确性，提升经济效益。同时也为危险区域监测提供了可供选择的新方案，帮助规划工作者做好防灾规划工作，提高项目运行效益。