三维扫描技术在幕墙工程中的应用

三维扫描技术在幕墙工程中的应用

刘峰

深圳市三鑫科技发展有限公司  广东深圳  515100

摘  要：随着科技进步，三维扫描技术在幕墙工程中发挥重要作用，提高施工效率、降低成本、实现绿色施工。如腾讯总部大厦项目，采用多种幕墙系统，呈现复杂形状，现场施工及加工困难。项目运用三维扫描技术获取点云模型，与理论模型对比，分析结构偏差和板块变形，结合BIM建模，提高施工精度。三维扫描技术在幕墙工程中的应用成为趋势，带来建筑行业新机遇与挑战。

关键词：三维扫描技术;幕墙;异型;精确下料;降本增效

1 引  言

幕墙工程作为建筑行业的重要分支，其品质与设计效果直接关系到整个建筑的形象与功能。随着科技的持续进步，三维扫描技术已逐渐应用于幕墙工程中，为施工与质量检测带来了革命性的变革。

在腾讯总部大厦项目幕墙工程施工过程中，三维扫描技术的引入显著提升了施工的精度与效率。传统的施工方式依赖于人工测量与计算，不仅效率低下，而且容易产生误差。相较之下，三维扫描技术通过现场扫描，能迅速准确地获取建筑物的几何形状与尺寸信息，为施工团队提供有力的数据支持。

此外，三维扫描技术在质量检测方面也发挥了关键作用。传统的质量检测方法往往需要进行破坏性试验，对已完成的工程造成一定程度的破坏。而三维扫描技术则能以非接触的方式进行检测，有效避免对工程造成损害。同时，该技术能检测出微小的几何尺寸差异，从而更精确地确保工程质量。

在腾讯总部大厦项目幕墙工程的设计阶段，三维扫描技术同样展现出其独特的价值。设计师可利用三维扫描技术对设计进行模拟与测试，以便更好地评估设计效果与预测潜在问题。这不仅能提高设计效率，还能降低后期修改与返工的可能性。

综上所述，三维扫描技术在幕墙工程中的应用已成为一种趋势。它不仅提高了施工的精度与效率，为建筑信息化模型的（BIM）技术发展 提供强有力的数据支撑，还增强了质量检测的准确性与设计评估的可靠性。随着技术的不断进步，相信三维扫描技术在幕墙工程中的应用将愈发广泛且重要。

2 三维扫描技术工程现场应用

2.1工程概况

腾讯总部大厦项目位于深圳市宝安区大铲湾，包含6栋高层/超高层塔楼。塔楼最高高度为140.15m，标准层高4.5m。主要幕墙系统有折线单元式玻璃幕墙、标准单元式玻璃幕墙系统、凹槽单元式玻璃幕墙、大堂幕墙系统、屋顶内幕墙系统、出屋面单元幕墙系统、屋顶光伏系统、UHPC造型系统等。呈现出曲面、异面等复杂形状; 独特的建筑形式给现场施工以及幕墙板块的生产加工带来很大困难。

图1 项目效果图

图2 项目模型展示

2.2实景测量

相较于传统的测量技术，三维扫描技术能够迅速地生成物体的二维平面图和三维模型，省去了逐点测量的步骤。该技术以非接触性、实时性、高密度、高精度、数字化和自动化程度高等特点著称，且在操作过程中无需对物体进行任何处理。这使得在复杂的环境条件下，我们也能顺利完成测量任务。

在异型钢结构与异型土建结构的测量中，我们采用三维激光扫描仪进行操作。具体流程如下：首先进行现场踏勘，随后布设控制点，设置标靶，然后进行现场三维扫描，获取点云数据后进行整合处理，接下来初步建立逆向三维模型，并最终创建BIM模型以实现偏差分析与精确下料。

图3 扫描仪现场扫描

图4 扫描作业流程

2.3踏勘与规划

根据现场异型钢结构及异型土建结构的尺寸、构造复杂性以及测量点的位置，对标靶位置进行合理划分。在确定勘站时，应确保前后扫描仪、标靶及观测点之间的视线畅通，以确保后期点云数据拼接的精确性和高精度。为保证数据的一致性，相邻测站间的扫描点云需保持一定的重叠区域。鉴于现场结构的复杂性，在实际设置测站时，我们需要增加相邻测站点云重叠的面积，以确保数据的完整性和准确性。

图5 现场标靶点           图6 现场标高点            图7 现场控制点

2.4三维扫描作业流程

根据现场存在的异型钢结构与异型土建结构，我们首先需明确扫描仪的行走支线方向。在开始扫描之前，我们需要仔细设置扫描仪的参数，这些参数包括扫描密度、扫描模式、棱镜常数以及全景照片等。

针对现场异型结构的特点，我们需要明确获取三维建模的关键点。特别是对于异型结构的转折点或重点交接部位，如结构弯曲转折部位或纵横结构交接点位置，常规的扫描方案可能无法全面覆盖。因此，我们需要根据实际情况来确定扫描仪的作业区域。

在完成所有准备工作后，我们就可以开始扫描作业。首先，我们需要对准棱镜，进行设站的后视操作。扫描仪将根据前视和后视获取的数据，通过系统计算出测站点的空间坐标值。然后，我们就可以进行全景扫描以获取点云数据。最后，我们按照相同的步骤，依次对预先设置好的勘测站点进行扫描以获取点云数据。

2.5点云数据整合与处理

在进行异形建筑物的偏差情况三维建模过程中，采用三维扫描技术是关键环节。在点云信息的处理方面，要求具有极高的准确度，以确保模型的质量。我们使用Trimble Business Center软件来处理点云数据，其处理流程如下：首先，将原始点云数据导入软件中；接着，进行点云数据的拼接，将各个勘站点获取的点云数据进行坐标转化，合成一片完整的点云；然后，进行点云数据的去燥与精简，以提高点云的质量；随后，对点云进行赋色，使其更符合建筑物的实际情况；最后，将处理后的数据进行转化并导出。在点云数据拼接过程中，我们需要对整个建筑物设置多个站点进行扫描。每个站点的扫描仪都会依据其中心坐标系生成点云数据。为了将这些数据整合到同一坐标系中，我们需要进行坐标转换，确保各个扫描点云能够准确合成。

图8 点云整合处理

2.5.1 点云拼接

点云直接拼接是一个过程，要求在现场作业时确保相邻区域之间有至少30%的重合区域。通过识别这些重合区域中的相同坐标名称，我们可以利用诸如法向量、曲率和积分不变等几何性质进行拼接。

（a）M1站点          （b）M2站点

图9 点云拼接原理

2.6 点云数据降噪与精简处理

在三维扫描仪的工作过程中，可能会受到多种外部因素的影响，例如材料特性、风力、强光照射和振动等，这些因素可能导致扫描获取到许多与建筑物无关的背景点、错误点等。为了获得更准确的点云模型，我们需要对原始点云数据进行一系列处理。首先，通过去噪处理来排除这些无效点；其次，进行精简操作，删除各站点重叠区域的冗余点。在确保点云数据精度的前提下，进一步对点云进行抽稀化处理，降低其密度。经过这一系列精简处理后，最终生成的三维扫描异型结构模型将更为简洁且精确。

图10 点云数据降噪与精简处理

2.7 BIM 与三维激光扫描仪相结合的逆向建模

在点云数据处理完成后，将三维扫描处理后的点云数据导入到Rhino或Revit软件中，进行异型结构的三维建模，通过建立的三维模型与完成的理论模型进行对比分析，根据分析结果调整理论模型，从而建立精确模型，在此基础上进行幕墙建模工作。从而在保证异型幕墙完成面的同时体现幕墙的设计风格，降低下料尺寸控制难度，减少返工的几率，实现成本的节约。在生成异型结构模型的基础上采用Grasshopper参数化设计功能，生成板块排版图。通过对下料板块进行编号，实现每一块板块构件的精确下料，使得后期安装正确率达到95%。

在完成点云数据处理后，我们将经过三维扫描内业处理的点云数据导入到Rhino或Revit软件中。在此过程中，我们专注于对异型结构进行三维建模和偏差数据分析。通过将建立的三维模型与理论模型进行对比分析，我们根据分析结果调整理论模型，从而建立精确模型。基于这一精确模型，我们进行幕墙下料建模工作。这种方法不仅确保了异型幕墙完成面的质量，而且充分体现了幕墙的设计风格。此外，它还降低了下料尺寸的控制难度，减少了返工的可能性，从而实现了成本的节约。

在生成异型结构模型的基础上，我们采用Grasshopper参数化设计功能来生成板块排版图。通过对下料板块进行编号，我们实现了每一块板块构件的精确下料，确保了后期安装的正确率达到95%。

图11 点云逆向建模

3 结论

三维扫描技术结合BIM技术在复杂异型幕墙精确下料中的运用具有深远意义。在实际操作中，此技术不仅实现了高精度、高效率的测量与下料，更为异形板块的下料提供了强有力的技术支持。随着建筑信息化工程的推进，这种技术与BIM技术的结合正在改变传统的施工下料模式。实践证明，二者的结合对复杂、异型幕墙工程的深化设计、板材下料以及现场施工的技术质量控制至关重要，有助于解决现场难题，降低成本，提高效益，进而增强公司的核心竞争力。

三维扫描技术的应用使结构复测和超规模单元板块变形测量管理实现数据化、模型化。通过三维扫描技术获取实际点云模型，将其与理论模型进行对比，可以高效、准确地分析结构偏差数据和板块变形数据。这不仅提高了测量精准度和全面性，相比传统测量方法，测量效率也提高了50%以上。此外，该技术还能大幅减少人工临边复尺的工作量，显著提升现场测量人员的安全性。相对于传统测量方法，其效率提高约50%，有助于公司降低30%左右的成本，进一步提升公司的经济效益。

参考文献

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