CN111121733A - 基于bim和三维激光扫描的施工质量检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测方法及系统，其方法包括在待扫描区域建立控制网坐标系；在待扫描区域上划分扫描区段，以获得若干段扫描区域；利用三维激光扫描仪对每一段扫描区域进行扫描，获得该扫描区域在三维激光扫描仪坐标系下的点云数据；将所述点云数据转换为控制网坐标系下的点云数据；根据转换后的点云数据输出点云模型；导入预设的BIM理论模型，将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，进行施工质量检测。该方法减少人力成本，缩短检测工期，减小了测量误差。

Description

基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测方法及系统

技术领域

本发明属于施工检测技术领域，具体涉及基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测方法及系统。

背景技术

现有不少建筑物外形不再是规则外形，有多边倾斜，不同心变径，悬浮钢管约束的结构设计，空间结构复杂，施工难度大，测量难度大等问题。而传统的单点测量方法，对于工程上高大空间和危险性大的区域，人员难以直接接触，所以无法进行准确测量。

例如青岛海天中心项目中，工程外部为纺锤形螺旋渐变上升结构，内部为多业态的“立体之城”，建筑造型和结构空间复杂多变，这种工程的施工测量存在以下问题：

1)为了保证工程的外观造型，主楼钢管柱随着标高进行倾斜变化，每一层的钢管柱斜率皆不相同，上下两层钢管柱交接处需保证同心，而传统方法无法测量钢管柱是否同心。

2)结构异常复杂，钢构件节轴线关系复杂，没有一定的几何关系，内业三维坐标计算复杂、数据复核、输入、输出工作繁琐，传统方法无法完成测量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测方法及系统，减少人力成本，缩短检测工期，减小了测量误差。

第一方面，一种基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测方法，包括以下步骤：

在待扫描区域建立控制网；

在待扫描区域上划分扫描区段，以获得若干段扫描区域；

利用三维激光扫描仪对每一段扫描区域进行扫描，获得该扫描区域在三维激光扫描仪坐标系下的点云数据；

将所述点云数据转换为控制网下的点云数据；

根据转换后的点云数据输出点云模型；

导入预设的BIM理论模型，将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，进行施工质量检测。

优选地，所述控制网包括：

场区首级控制网：以业主提供的控制点或控制网为基准，采用全站仪导线法测量布设得到；

单体工程控制网：以场区首级控制网为基准对单体建筑物布设得到；

轴线控制网：以单体工程控制网为基准对建筑物进行控制点加密得到。

优选地，所述将所述点云数据转换为控制网下的点云数据具体包括：

分别获取该扫描区域内标靶在三维激光扫描仪坐标系和全站仪坐标系下的坐标，定义为三维坐标和全站仪坐标；

根据标靶的三维坐标和全站仪坐标计算坐标变换参数；

根据所述坐标变换参数将所述点云数据转换为控制网下的点云数据。

优选地，所述将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，进行施工质量检测具体包括：

将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，得到建筑物表面的成型误差、构件的加工误差以及构件之间的连接误差。

第二方面，一种基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测系统，包括：

若干个标靶：设置于待扫描区域内；

三维激光扫描仪：用于对待扫描区域内的建筑物或标靶进行扫描；

全站仪：用于对标靶进行扫描，获得标靶在全站仪坐标系下的坐标；

计算机：用于在待扫描区域建立控制网；在待扫描区域上划分扫描区段，以获得若干段扫描区域；获得扫描区域在三维激光扫描仪坐标系下的点云数据；将所述点云数据转换为控制网下的点云数据；根据转换后的点云数据输出点云模型；导入预设的BIM理论模型，将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，进行施工质量检测。

优选地，所述控制网包括：

场区首级控制网：以业主提供的控制点或控制网为基准，采用全站仪导线法测量布设得到；

单体工程控制网：以场区首级控制网为基准对单体建筑物布设得到；

轴线控制网：以单体工程控制网为基准对建筑物进行控制点加密得到。

优选地，每段扫描区域架设一台所述全站仪；

所述标靶设置在扫描区域内不同高度上，且为不规则排列，每段扫描区域内设有4～5个所述标靶。

优选地，所述计算机具体用于：

分别获取该扫描区域内标靶在三维激光扫描仪坐标系和全站仪坐标系下的坐标，定义为三维坐标和全站仪坐标；

根据标靶的三维坐标和全站仪坐标计算坐标变换参数；

根据所述坐标变换参数将所述点云数据转换为控制网下的点云数据。

优选地，所述计算机具体用于：

将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，得到建筑物表面的成型误差、构件的加工误差以及构件之间的连接误差。

优选地，所述计算机具体用于：

当对局部复杂区域进行形状偏差分析时，采用单站数据逐站分析方法进行分析；当对表面平整度的区域进行分析时，控制三维激光扫描仪的操作误差；当进行形状偏差分析时，扫描前对三维激光扫描仪进行系统误差检测，对扫描结果进行修正。

由上述技术方案可知，本发明提供的基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测方法及系统，大幅度减少了人工的投入，缩短了传统检测工期，促进了建筑工程实体质量的提高。采用BIM与三维激光扫描技术进行施工质量检测，建筑物表面数据测量误差可保证在0.15mm以内,测量精度是传统测量仪器的六倍，并实现了全范围无死角的测量，确保了建筑实体质量完全满足现场施工要求和国家标准。

该方法和系统在建筑实体外观检测过程中，能够对待测量区域内的建筑物进行快速准确测量，测量速度和测量精度远远快于传统人工测量，促进了施工质量的提升，操作简单，运行成本低，应用范围广泛，大大减少了人工和工期，直接提高了项目经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例一提供的施工质量检测方法的流程图。

图2为本发明实施例一提供的点云数据处理方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

实施例一：

一种基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测方法，参见图1，包括以下步骤：

S1：在待扫描区域建立控制网；

具体地，为了更精确地分析点云模型与BIM理论模型的相对精度，两种模型要建立于同一坐标系中，所以该方法首先在待扫描区域建立统一控制网。该方法需要建立场区首级控制网、单体工程控制网和轴线控制网三个控制网。场区首级控制网以业主提供的控制点或控制网为基准，采用全站仪导线法测量布设得到。单体工程控制网以场区首级控制网为基准对单体建筑物布设得到。轴线控制网以单体工程控制网为基准对建筑物进行控制点加密得到。该方法针对钢结构空间变化多，多为倾斜、弯扭、杂乱交错，测量放样精度要求高等需求，建立高精度的平面控制网和高程控制点。

S2：在待扫描区域上划分扫描区段，以获得若干段扫描区域；

具体地，为了方便快捷和精确地分析建筑物成型质量，需对待扫描区域划分扫描区段。扫描区域的划分需要同时兼顾全站仪和三维激光扫描仪二者的有效测量距离。在进行扫描区域划分时，应尽量满足划分后的测量过程中，三维激光扫描仪或全站仪移站次数最少。

S3：利用三维激光扫描仪对每一段扫描区域进行扫描，获得该扫描区域在三维激光扫描仪坐标系下的点云数据；

具体地，三维激光扫描仪点云数据的配准采用基于控制点的单站配准方法。即利用三维激光扫描仪对每一段扫描区域进行扫描。

S4：将所述点云数据转换为控制网下的点云数据，参见图2，具体包括：

S11：分别获取该扫描区域内标靶在三维激光扫描仪坐标系和全站仪坐标系下的坐标，定义为三维坐标和全站仪坐标；

S12：根据标靶的三维坐标和全站仪坐标计算坐标变换参数；

S13：根据所述坐标变换参数将所述点云数据转换为控制网下的点云数据。

具体地，该方法利用全站仪测量标靶的坐标，得到全站仪坐标(X，Y，Z)，即标靶在统一控制网下的坐标。同时还利用三维激光扫描仪测量标靶的坐标，得到三维坐标(x,y,z)，即标靶在三维激光扫描仪坐标系下的坐标。最后利用标靶的两套坐标计算得到该扫描区域内三维坐标和全站仪坐标之间的坐标变换参数。最后利用每一个该扫描区域内的坐标变换参数，将该扫描区域内点云数据转换为控制网下的点云数据，构成在统一控制网下的点云数据，从而直接完成多站点云的配准。此方法由于与控制网相连，因此能直接将点云数据转换至外部坐标系中，而且精度高，内业作业时间短。由于现有技术无法一次性完成所有控制点测量，所以该方法可根据需要，设置多次转换测站点。转换测站点应保证所有测站点坐标在同一坐标系内。

S5：根据转换后的点云数据输出点云模型；

具体地，该方法在对点云数据的转换完成后，输出点云模型。

S6：导入预设的BIM理论模型，将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，进行施工质量检测，具体包括：

将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，得到建筑物表面的成型误差、构件的加工误差以及构件之间的连接误差。

具体地，该方法可以将BIM理论模型和得到的点云模型导入三维图形软件，还可以合理地插入预拼装理论模型。

该方法在进行施工质量检测时，采用拟合方法，将构件的点云模型与BIM理论模型或预拼装理论模型进行比对，得到建筑物表面的成型误差、分段构件的加工误差以及构件间的连接误差。该方法在进行施工质量检测过程中，对于不符合规范内允许的公差和现场安装精度的分段构件、零件或建筑实体，需要对分段构件、零件或建筑实体修改校正，并在校正好后重新测量、拼装、比对，直至符合规范内允许的公差和现场安装精度的要求。该方法针对工程中重点区域(大宴会厅、塔冠等)的钢构件大部分需在加工厂预制，现场散拼安装，对构件的质量要求高的需求，采用三维激光扫描技术对构件进行预拼装模拟。

该方法大幅度减少了人工的投入，缩短了传统检测工期，促进了建筑工程实体质量的提高。采用BIM与三维激光扫描技术进行施工质量检测，建筑物表面数据测量误差可保证在0.15mm以内,测量精度是传统测量仪器的六倍，并实现了全范围无死角的测量，确保了建筑实体质量完全满足现场施工要求和国家标准。

该方法在建筑实体外观检测过程中，能够对待测量区域内的建筑物进行快速准确测量，测量速度和测量精度远远快于传统人工测量，促进了施工质量的提升，操作简单，运行成本低，应用范围广泛，大大减少了人工和工期，直接提高了项目经济效益。

实施例二：

一种基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测系统，包括：

若干个标靶：设置于待扫描区域内；标靶包括标靶球和标靶板，标靶球采用PVC材料、直径136mm，标靶板为300×300mm。

三维激光扫描仪：用于对待扫描区域内的建筑物或标靶进行扫描；三维激光扫描仪的规格型号为Focus3D X 130。

全站仪：用于对标靶进行扫描，获得标靶在全站仪坐标系下的坐标；全站仪的规格型号为LeicaTS60。

计算机：用于在待扫描区域建立控制网；在待扫描区域上划分扫描区段，以获得若干段扫描区域；获得扫描区域在三维激光扫描仪坐标系下的点云数据；将所述点云数据转换为控制网下的点云数据；根据转换后的点云数据输出点云模型；导入预设的BIM理论模型，将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，进行施工质量检测。

具体地，为了更精确地分析点云模型与BIM理论模型的相对精度，两种模型要建立于同一坐标系中，所以该系统首先在待扫描区域建立统一控制网。该系统需要建立场区首级控制网、单体工程控制网和轴线控制网三个控制网。场区首级控制网以业主提供的控制点或控制网为基准，采用全站仪导线法测量布设得到。单体工程控制网以场区首级控制网为基准对单体建筑物布设得到。轴线控制网以单体工程控制网为基准对建筑物进行控制点加密得到。

为了方便快捷和精确地分析建筑物成型质量，需对待扫描区域划分扫描区段。扫描区域的划分需要同时兼顾全站仪和三维激光扫描仪二者的有效测量距离。在进行扫描区域划分时，应尽量满足划分后的测量过程中，三维激光扫描仪或全站仪移站次数最少。

三维激光扫描仪点云数据的配准采用基于控制点的单站配准方法。即利用三维激光扫描仪对每一段扫描区域进行扫描。

该系统大幅度减少了人工的投入，缩短了传统检测工期，促进了建筑工程实体质量的提高。采用BIM与三维激光扫描技术进行施工质量检测，建筑物表面数据测量误差可保证在0.15mm以内,测量精度是传统测量仪器的六倍，并实现了全范围无死角的测量，确保了建筑实体质量完全满足现场施工要求和国家标准。

该系统在建筑实体外观检测过程中，能够对待测量区域内的建筑物进行快速准确测量，测量速度和测量精度远远快于传统人工测量，促进了施工质量的提升，操作简单，运行成本低，应用范围广泛，大大减少了人工和工期，直接提高了项目经济效益。

优选地，每段扫描区域架设一台所述全站仪；

所述标靶设置在扫描区域内不同高度上，且为不规则排列，每段扫描区域内设有4～5个所述标靶。

具体地，该系统在划分完扫描区段后，为减少全站仪移站误差，每个扫描区域内尽量只架设一站全站仪。该系统需要根据全站仪设站的位置，布置标靶，标靶的布置应当满足在相邻两个全站仪之间至少有4～5个不同高度不规则排列的标靶。三维激光扫描仪的测量范围不大于10m，前、后两个三维激光扫描仪放置的位置应尽量与两个全站仪之间标靶的距离相等。该系统可以保证前后两个全站仪的扫描点数量大致相同，以减小拟合误差。

优选地，所述计算机具体用于：

分别获取该扫描区域内标靶在三维激光扫描仪坐标系和全站仪坐标系下的坐标，定义为三维坐标和全站仪坐标；

根据标靶的三维坐标和全站仪坐标计算坐标变换参数；

根据所述坐标变换参数将所述点云数据转换为控制网下的点云数据。

具体地，该系统利用全站仪测量标靶的坐标，得到全站仪坐标(X，Y，Z)，即标靶在统一控制网下的坐标。同时还利用三维激光扫描仪测量标靶的坐标，得到三维坐标(x,y,z)，即标靶在三维激光扫描仪坐标系下的坐标。最后利用标靶的两套坐标计算得到该扫描区域内三维坐标和全站仪坐标之间的坐标变换参数。最后利用每一个该扫描区域内的坐标变换参数，将该扫描区域内点云数据转换为控制网下的点云数据，构成在统一控制网下的点云数据，从而直接完成多站点云的配准。此系统由于与控制网相连，因此能直接将点云数据转换至外部坐标系中，而且精度高，内业作业时间短。

优选地，所述计算机具体用于：

将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，得到建筑物表面的成型误差、构件的加工误差以及构件之间的连接误差。

具体地，该系统可以将BIM理论模型和得到的点云模型导入三维图形软件，还可以合理地插入预拼装理论模型。

该系统在进行施工质量检测时，采用拟合方法，将构件的点云模型与BIM理论模型或预拼装理论模型进行比对，得到建筑物表面的成型误差、分段构件的加工误差以及构件间的连接误差。该系统在进行施工质量检测过程中，对于不符合规范内允许的公差和现场安装精度的分段构件、零件或建筑实体，需要对分段构件、零件或建筑实体修改校正，并在校正好后重新测量、拼装、比对，直至符合规范内允许的公差和现场安装精度的要求。

优选地，所述计算机具体用于：

当对局部复杂区域进行形状偏差分析时，采用单站数据逐站分析方法进行分析；当对表面平整度的区域进行分析时，控制三维激光扫描仪的操作误差；当进行形状偏差分析时，扫描前对三维激光扫描仪进行系统误差检测，对扫描结果进行修正。

具体地，该系统在对局部复杂区域的形状偏差分析时，采用单站数据逐站分析方法进行分析，减小或避免配准误差的影响。对表面平整度的区域进行分析时，由于关注的是各点偏差的相对值，三维激光扫描仪的误差影响很小，所以主要控制三维激光扫描仪的操作误差。对于形状偏差的分析，三维激光扫描仪的系统误差和偶然误差为主要误差，在进行扫描前要对三维激光扫描仪进行系统误差检测，对扫描结果进行修正。

本发明实施例所提供的系统，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在待扫描区域建立控制网；

在待扫描区域上划分扫描区段，以获得若干段扫描区域；

利用三维激光扫描仪对每一段扫描区域进行扫描，获得该扫描区域在三维激光扫描仪坐标系下的点云数据；

将所述点云数据转换为控制网下的点云数据；

根据转换后的点云数据输出点云模型；

导入预设的BIM理论模型，将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，进行施工质量检测。

2.根据权利要求1所述基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测方法，其特征在于，所述控制网包括：

场区首级控制网：以业主提供的控制点或控制网为基准，采用全站仪导线法测量布设得到；

单体工程控制网：以场区首级控制网为基准对单体建筑物布设得到；

轴线控制网：以单体工程控制网为基准对建筑物进行控制点加密得到。

3.根据权利要求1所述基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测方法，其特征在于，所述将所述点云数据转换为控制网下的点云数据具体包括：

分别获取该扫描区域内标靶在三维激光扫描仪坐标系和全站仪坐标系下的坐标，定义为三维坐标和全站仪坐标；

根据标靶的三维坐标和全站仪坐标计算坐标变换参数；

根据所述坐标变换参数将所述点云数据转换为控制网下的点云数据。

4.根据权利要求1所述基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测方法，其特征在于，所述将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，进行施工质量检测具体包括：

将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，得到建筑物表面的成型误差、构件的加工误差以及构件之间的连接误差。

5.一种基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测系统，其特征在于，包括：

若干个标靶：设置于待扫描区域内；

三维激光扫描仪：用于对待扫描区域内的建筑物或标靶进行扫描；

全站仪：用于对标靶进行扫描，获得标靶在全站仪坐标系下的坐标；

计算机：用于在待扫描区域建立控制网；在待扫描区域上划分扫描区段，以获得若干段扫描区域；获得扫描区域在三维激光扫描仪坐标系下的点云数据；将所述点云数据转换为控制网下的点云数据；根据转换后的点云数据输出点云模型；导入预设的BIM理论模型，将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，进行施工质量检测。

6.根据权利要求5所述基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测系统，其特征在于，所述控制网包括：

场区首级控制网：以业主提供的控制点或控制网为基准，采用全站仪导线法测量布设得到；

单体工程控制网：以场区首级控制网为基准对单体建筑物布设得到；

轴线控制网：以单体工程控制网为基准对建筑物进行控制点加密得到。

7.根据权利要求5所述基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测系统，其特征在于，

每段扫描区域架设一台所述全站仪；

所述标靶设置在扫描区域内不同高度上，且为不规则排列，每段扫描区域内设有4～5个所述标靶。

8.根据权利要求6所述基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测系统，其特征在于，所述计算机具体用于：

分别获取该扫描区域内标靶在三维激光扫描仪坐标系和全站仪坐标系下的坐标，定义为三维坐标和全站仪坐标；

根据标靶的三维坐标和全站仪坐标计算坐标变换参数；

根据所述坐标变换参数将所述点云数据转换为控制网下的点云数据。

9.根据权利要求5所述基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测系统，其特征在于，所述计算机具体用于：

将所述点云模型与BIM理论模型进行对比，得到建筑物表面的成型误差、构件的加工误差以及构件之间的连接误差。

10.根据权利要求9所述基于BIM和三维激光扫描的施工质量检测系统，其特征在于，所述计算机具体用于：

当对局部复杂区域进行形状偏差分析时，采用单站数据逐站分析方法进行分析；当对表面平整度的区域进行分析时，控制三维激光扫描仪的操作误差；当进行形状偏差分析时，扫描前对三维激光扫描仪进行系统误差检测，对扫描结果进行修正。

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