邵成志

(華建數(shù)創(chuàng)(上海)科技有限公司，上海 200070)

1 背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)向環(huán)境友好、資源節(jié)約轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，內(nèi)河水運(yùn)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)逐漸增現(xiàn)，全社會(huì)對(duì)水運(yùn)需求日益增長(zhǎng)，因此需著力完成高等級(jí)航道的貫通、解決樞紐通航建筑物的礙航問(wèn)題，而其中針對(duì)老船閘改造工程的新老船閘銜接更是主要技術(shù)難題。

我國(guó)許多天然河流水運(yùn)主通道，在過(guò)去幾十年中，部分已建的航電樞紐在水電梯級(jí)開發(fā)的同時(shí)兼顧水運(yùn)發(fā)展不夠，其中大多數(shù)具有通用航道建筑規(guī)模小、等級(jí)低等情況，同時(shí)部分的渠化梯級(jí)之間有著航深不夠、通航水位不銜接等現(xiàn)象，特別是在枯水期，受發(fā)電調(diào)度等各種原因影響，上下樞紐末端的水位無(wú)法完全連接，導(dǎo)致航行障礙和中斷等情況[1]。

老船閘由于建造年代長(zhǎng)，所以需要對(duì)其進(jìn)行修鑿改造，而大面積高密度的立面測(cè)量則有較大的難度，并且相關(guān)的圖紙和測(cè)量資料相對(duì)不足，利用三維激光掃描與BIM技術(shù)則可有效解決。其能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍快速的表面勘測(cè)，并進(jìn)行逆向BIM建模，測(cè)量和還原老船閘內(nèi)表面三維幾何形體、留存歷史影像，為船閘銜接生成可靠數(shù)據(jù)[2]。

本文依托富春江船閘擴(kuò)建改造工程，結(jié)合激光掃描與BIM技術(shù)，探討分析老船閘修鑿前后數(shù)據(jù)對(duì)比，統(tǒng)計(jì)改造前后工程量大小，為老船閘施工方案模擬提供模型基礎(chǔ)，能夠直觀地對(duì)改造方案的有效性進(jìn)行比較，不僅節(jié)省人力測(cè)量時(shí)間和成本，而且還能為項(xiàng)目管理提供可追溯的基礎(chǔ)信息資料。

2 項(xiàng)目概況

富春江閘擴(kuò)建改造工程，是在原有船閘的下游重新建造的一座四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)船閘，位于錢塘江中下游，距杭州市下游約110 km，在桐廬縣富春江水電站樞紐的右岸?？紤]到錢塘江航運(yùn)的長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，船閘的設(shè)計(jì)不僅保留了原有的船閘，還考慮到了1 000 t級(jí)船舶的要求，并且積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，打造順暢、高效、安全、綠色的現(xiàn)代化內(nèi)河水體。新船閘的上船閘頭與原船閘的下船閘頭首尾相連，新船閘左結(jié)構(gòu)外緣與舊船閘齊平，以減少對(duì)溢洪道泄洪的影響[3]。船閘右側(cè)墻后水域回填后作為船閘現(xiàn)場(chǎng)管理區(qū)。

新建船閘的總長(zhǎng)為364 m，其中閘室長(zhǎng)度為300 m，上閘首長(zhǎng)度30 m，下閘首長(zhǎng)度34 m；閘室的總寬度為23.2 m，下閘首口門寬度23.0 m，上閘首口門寬度為14.4 m。船閘左側(cè)為樞紐的泄洪閘，因此閘室只能采用不對(duì)稱寬腹型，即向右側(cè)加寬8.6 m。上閘首與上游引航渠道相通，道閘室壁頂高程25.0 m，道閘室壁胸頂高程為26.2 m。富春江船閘最大水位落差20.21 m，整個(gè)船閘結(jié)構(gòu)高度32.8 m，是目前浙江省水域范圍內(nèi)水位高差最大、建設(shè)規(guī)模最大的船閘工程[4-5]。

3 老船閘激光掃描方案

為了保證測(cè)量和檢測(cè)的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)使用了先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備，從設(shè)備和設(shè)備配置上保證了測(cè)量和測(cè)試工作的質(zhì)量。測(cè)量?jī)x器和設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)如表1，表2所示。

表1 測(cè)量?jī)x器設(shè)備

表2 FARO三維激光掃描儀參數(shù)情況

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方案

科學(xué)設(shè)置掃描位置，對(duì)于提高三維測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量、測(cè)量精度及充分反映場(chǎng)景細(xì)節(jié)具有非常重要的意義。由于老船閘總長(zhǎng)較長(zhǎng)，約為130 m，現(xiàn)場(chǎng)擺放施工器械較多，必須多角度架設(shè)測(cè)量站才能全方位獲取完整數(shù)據(jù)。

在設(shè)置被測(cè)目標(biāo)多站掃描時(shí)，為了提高后期操作的效率及數(shù)據(jù)拼接的準(zhǔn)確性，在兩個(gè)相鄰站之間部署至少2個(gè)公共參考球作為定向目標(biāo)，其坐標(biāo)將被統(tǒng)計(jì)到項(xiàng)目的統(tǒng)一參考坐標(biāo)框架內(nèi)。除了參考球之外，還需要將控制點(diǎn)和特征點(diǎn)放置在周圍結(jié)構(gòu)清晰可見的位置。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云采集

老船閘激光數(shù)據(jù)采集分兩階段進(jìn)行：

1)原始內(nèi)壁結(jié)構(gòu)面采集。在施工開始前，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)舊船閘的閘室內(nèi)壁的原始磨損表面數(shù)據(jù)，保存原始記錄，并為后續(xù)施工提供數(shù)據(jù)支持。

2)鑿除后內(nèi)壁表面數(shù)據(jù)采集。在船閘磨損面鑿除工作完成，結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)未開始澆筑前，現(xiàn)場(chǎng)采集鑿毛面點(diǎn)云數(shù)據(jù),并對(duì)新船閘的主體和下游引航通道也進(jìn)行了點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維掃描，記錄和分析鑿除完成面的詳細(xì)情況。

3.3 內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

3.3.1 數(shù)據(jù)拼接

由于被測(cè)物體形狀復(fù)雜、面積大，需要將不同站點(diǎn)多次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，統(tǒng)計(jì)在同一坐標(biāo)系下，根據(jù)預(yù)先安排的掃描參考球和控制點(diǎn)進(jìn)行匹配，在后續(xù)處理軟件場(chǎng)景中手動(dòng)配準(zhǔn)，從而獲得閘壁的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3.2 數(shù)據(jù)刪選

在三維數(shù)據(jù)中，如周邊雜物，工程施工人員等大量其他數(shù)據(jù)也被3D激光掃描儀采集，在經(jīng)過(guò)多站數(shù)據(jù)的拼接后，大概率會(huì)存在大量的冗余數(shù)據(jù)。這些無(wú)效的數(shù)據(jù)會(huì)加大計(jì)算內(nèi)存，從而降低數(shù)據(jù)處理效率，因此在不損失數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的情況下，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，并對(duì)原始觀測(cè)值進(jìn)行粗差剔除。數(shù)據(jù)匹配后，在處理過(guò)程中進(jìn)行冗余處理并刪除附件，可以減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并提高數(shù)據(jù)處理速度[6]。

3.3.3 去噪處理

掃描測(cè)量的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些測(cè)量誤差，主要是受被測(cè)物體表面質(zhì)量的粗糙度、測(cè)量?jī)x器的自身精度、周圍作業(yè)環(huán)境、操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)等多種因素的影響，從而在數(shù)據(jù)中形成噪聲點(diǎn)，這將會(huì)給后期的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)偏差， 所以必須對(duì)這些噪聲點(diǎn)篩選剃除。去噪后，每個(gè)站點(diǎn)掃描的3D點(diǎn)云數(shù)量可以在200萬(wàn)～600萬(wàn)點(diǎn)之間，這樣的數(shù)量區(qū)間既可以滿足被測(cè)目標(biāo)的特征表達(dá)，又不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)體量過(guò)大而造成后續(xù)分析處理的冗余。經(jīng)過(guò)一系列的技術(shù)處理，即可以得到數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較高的點(diǎn)云(見圖1)。

4 三維掃描與BIM技術(shù)集成分析在舊船閘中的應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)分析方案

4.1.1 不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間對(duì)比分析的實(shí)施困難

若對(duì)整個(gè)船閘的鑿除偏差進(jìn)行分析，需要將鑿除前后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，雖然點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以通過(guò)點(diǎn)云處理軟件重構(gòu)目標(biāo)，還可以在Revit中生成二維或三維視圖，但是這樣生成的點(diǎn)云模型只是一個(gè)個(gè)三角網(wǎng)格組成的復(fù)雜曲面的封閉集合體，并不是真正的實(shí)體模型，因此點(diǎn)云之間無(wú)法進(jìn)行對(duì)比。

通過(guò)使用諸如Qualify(是一種反向檢測(cè)軟件，可以快速檢測(cè)產(chǎn)品計(jì)算機(jī)模型與制造零件之間的差異，并以直觀的圖形比較顯示兩者之間的差異)之類的點(diǎn)云處理軟件，點(diǎn)云可以被處理為點(diǎn)云面型模型。但是生成的點(diǎn)云面型模型沒(méi)有厚度，不是空間實(shí)體，一樣無(wú)法直接、直觀地進(jìn)行偏差對(duì)比[7]。所以此方案無(wú)法推行。

4.1.2 解決方案——與BIM技術(shù)的融合應(yīng)用

在進(jìn)行偏差對(duì)比時(shí)本文的論證方案是依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立一個(gè)BIM模型，通過(guò)這個(gè)模型提前模擬鑿除后的船閘實(shí)況。先將鑿除前掃描的點(diǎn)云與設(shè)計(jì)鑿除后的BIM模型對(duì)比，以提前演示船閘鑿除情況，估算鑿除船閘的體積，避免施工時(shí)出現(xiàn)較大的偏差。鑿毛工作完成后，再次進(jìn)行激光掃描，將鑿毛船閘掃描的點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證偏差結(jié)果，從而控制施工進(jìn)度、監(jiān)督船閘工程的施工質(zhì)量[8-9]。

4.2 鑿除前點(diǎn)云與設(shè)計(jì)鑿除后模型數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)Revit，將設(shè)計(jì)的鑿除后老船閘的情況，預(yù)先以三維形式展現(xiàn)出來(lái)，從而形成鑿除后老船閘的BIM模型(見圖2，圖3)。同時(shí)，將鑿除前老船閘的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)鑿除后老船閘的BIM模型進(jìn)行比對(duì)，預(yù)先估算待鑿船閘的體積，從而避免了施工偏差帶來(lái)的時(shí)間和資金浪費(fèi)等問(wèn)題。

在整個(gè)船閘三維掃描過(guò)程中，偏差分析和對(duì)比表明，鑿除偏差約為415 mm，最大鑿除值為2 m。其中補(bǔ)充縫隙的平均值約在350 mm，在鑿除前的船閘右岸掃描的點(diǎn)云中可以看出，自上閘首往下顏色大致呈遞進(jìn)加深的趨勢(shì)，在鑿除前左岸的船閘激光掃描中，大致呈均勻分布(其中間隔均勻的略深色條形狀區(qū)域?qū)儆诟蓴_因素)。

4.3 鑿除后船閘掃描點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型對(duì)比

在鑿除工作完成后，對(duì)船閘再次進(jìn)行激光掃描，此時(shí)生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也同樣是經(jīng)過(guò)處理后的點(diǎn)云成果(見圖4)，將其再次與設(shè)計(jì)鑿除后的老船閘BIM模型進(jìn)行比對(duì)，觀察船閘鑿除的情況，計(jì)算偏差數(shù)據(jù)是否合理，以此保證工程的施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的質(zhì)量管控和監(jiān)督。

在鑿除后的船閘激光掃描圖像中，顯示船閘的光譜整體大致呈均勻平整分布，表示鑿除體積較平均，整體標(biāo)準(zhǔn)偏差約為19 mm，合格率達(dá)到92%。而其中空缺及嘈雜部分是施工時(shí)的腳手架所在位置，因此在施工完成后需要注意施工現(xiàn)場(chǎng)的清理。

4.4 鑿除前點(diǎn)云與鑿除后點(diǎn)云對(duì)比

如果對(duì)整個(gè)船閘的鑿除偏差結(jié)果進(jìn)行分析，則需要對(duì)鑿削前后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并由點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)三維掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、拼接、篩選成點(diǎn)云模型后，導(dǎo)入到數(shù)據(jù)分析軟件。在點(diǎn)云偏差對(duì)比時(shí)，用不同深度的顏色分別對(duì)閘門室壁內(nèi)對(duì)應(yīng)部分的偏差程度進(jìn)行表示，方便數(shù)據(jù)偏差表的處理分析，并用Revit模型和CAD圖紙對(duì)軟件分析的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行二次校核。

4.4.1 左岸閘室內(nèi)壁偏差圖分析數(shù)據(jù)

第一階段與第二階段兩次掃描對(duì)比，深色部分表示第二階段掃描數(shù)據(jù)比第一階段數(shù)據(jù)向左偏移，即向左側(cè)鑿除程度。其中上半部分顏色較深，表示鑿除較多，下半部顏色較淺，表示鑿除較少(見圖5)。

原始偏差最大值：6.491 m/-6.499 m;

過(guò)濾有效數(shù)據(jù)，平均偏差:0.197 m/-0.302 m;

平均偏差(即實(shí)際鑿除)：0.285 m;

有效鑿除體積：V左=673.313 m3。

4.4.2 右岸閘室內(nèi)壁偏差圖分析數(shù)據(jù)

第一階段與第二階段兩次掃描對(duì)比，深色部分表示第二階段掃描數(shù)據(jù)比第一階段數(shù)據(jù)向右偏移，即向右側(cè)鑿除程度。其中上半部分顏色較深，表示鑿除較多，下半部分顏色較淺，表示鑿除較少(見圖6)。

原始偏差最大值:4.370 m/-4.462 m;

過(guò)濾有效數(shù)據(jù)，平均偏差:0.545 m/-0.262 m;

平均偏差(即實(shí)際鑿除)：0.546 m;

有效鑿除體積：V右=1 289.925 m3；

老船閘室內(nèi)壁鑿除的總體積:V=V左+V右=1 963.238 m3。

5 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)，可以大大提高工程測(cè)量分析效率，并且包含信息豐富，其獨(dú)特的非接觸測(cè)量方式，更有利于保護(hù)被測(cè)物體，與BIM技術(shù)的融合應(yīng)用更是彌補(bǔ)了點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的單一等難題，提高了數(shù)據(jù)分析的可能性和準(zhǔn)確性。

富春江船閘擴(kuò)能改造工程的實(shí)踐表明，三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)的集成應(yīng)用打破了傳統(tǒng)技術(shù)壁壘，打通了兩種技術(shù)的自身限制，能夠互相結(jié)合各自領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型的對(duì)比分析，并且時(shí)間簡(jiǎn)短、操作方便快捷，相信兩種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用可以擴(kuò)展出更多的數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域。

在本文中通過(guò)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以準(zhǔn)確掌握舊船閘的修復(fù)和鑿除情況。提高老舊船閘修復(fù)的精度和預(yù)先判斷、選取正確的施工手段，同時(shí)可以縮短修復(fù)工期，為施工質(zhì)量和進(jìn)度情況預(yù)警提供依據(jù)。但介入時(shí)間的選擇難度較大，需要施工單位配合清場(chǎng)。建議主要應(yīng)用在進(jìn)場(chǎng)前的場(chǎng)地地表測(cè)繪，有利于規(guī)劃施工道路，土石方測(cè)算等，也可在竣工部位開展竣工表面測(cè)量，以便保留竣工成果。