三维激光扫描仪提高新建、改建施工的效率

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1953 年,Takenaka Corporation,以下简称 Takenaka(总公司在大阪市中央区)在东京及大阪,以技术研究所的形式设立了研究室。在此后的 1993 年,技术研究所搬迁到了如今所在的千叶县印西市,负责开发建筑领域的独家新技术、新工艺。2011 年,Takenaka 技术研究所将 FARO 的三维激光扫描仪 “Focus3D” 作为实验设备引入,与工作室共同发挥作用,解决各类施工课题。例如在新建楼宇的施工中,对部分原有地基进行再利用时,成功地借助三维测量,将拆除及混凝土浇筑量降至最低。在楼宇的改建施工中,不仅可以利用点云数据和设备机器模型的动态干涉检查,模拟热源设备更换时的搬运路径,还能将原有建筑的测量效率,提升至常规手动测量的三到四倍。


使用三维扫描将施工最小化

担任 Takenaka 技术研究所 先端技术研究部 数字生产组研究主任的染谷俊介先生的第一句话,就是“在使用三维激光扫描仪的地方,原有建筑的拆除与混凝土浇筑量分别减少了 5m³”。

“在近年来的新建楼宇施工中,经常会用到这种工艺:将原有楼宇的部分地下室外周用作挡土结构,在其上重新浇筑混凝土,构建新的楼体。”使用 Focus3D 测量旧楼宇的地下室后,发现了楼体位置与现有图纸存在 200m m以上的差异等问题。根据实际的楼体形状调整设计图,设定更合理的拆除范围后,大幅减少了不必要的拆除及混凝土浇筑”。

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使用FARO Focus3D测量现有建筑,生成点云数据。单日可测量约 1000m²。

通过在2011年将地面三维激光扫描仪 “FARO Focus3D S120” 引进技术研究所后,又在2017年为东京总公司引进便携式 “FARO Freestyle3D”, Takenaka Corporation现已拥有了包含其他公司设备在内的多台三维测量设备。“我们尝试使用 Focus3D 作为研究和开发的一部分,创建现有的建筑改造工程结构图,确认施工精度,以及‘预算控制’,以比较设计和实际施工。而 Freestyle3D 被广泛应用于测量设施设备本身的复杂部件和老百货商场等历史建筑的装饰部分。”对于该设备的试用情况,染谷先生介绍道。

通过三维建模自动化,将 151 个小时缩短至数小时

三维激光扫描仪的点云测量,在管道、通风管、机械等设备装设情况复杂的设备改造施工中,发挥着巨大的作用。 Takenaka Corporation曾凭借此设备负责过总建筑面积约13万m²的综合设施热源改造施工。

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管道及通风管、机器类密集的机房。

我们使用 BIM 软件对现有设施的局部拆除和新场地安装进行了规划。因为在考虑现有设施的转移时,需要整个场地的三维模型。但是,现有的图纸与实际面积不匹配,因此我们使用 Focus3D 对其进行测量。

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将在多个地点测得的点云数据合成后得到的数据。

使用三维激光扫描仪的施工流程通常为:(1)现场扫描→(2)合成点云数据→(3)网格表面化→(4)BIM(Building Information Modeling)模型化→(5)图纸化及数值化。“本公司目前重点投入力量的是步骤(3)之后的点云数据处理部分。该部分的技术实力与知识经验,会在很大程度上影响施工效率”,染谷先生如是说。

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(上)通过手动操作,立体投影点云数据的作业。(下)完成的 BIM 模型。

由于三维激光扫描仪采集的原始点云数据过于庞大,设备的 BIM 软件无法处理,所以需要先将点云数据转换为更易处理的“表面模型”及“管道的中心线段”,再在设备 BIM 软件上投影,最终需要输入带属性的 BIM 模型。过去都是通过手动操作,立体投影点云数据,创建表面模型,有时需要耗费数百小时。借助表面模型及管道的中心线段,BIM 模型输入所需的工时会少于表面建模。换言之,将点云数据表面模型化的作业,是一个技术瓶颈。

“使用与 Focus3D 或 FARO 点云处理软件 ‘SCENE’ 联动的 ELYSIUM 的 ‘InfiPoints’ 软件,可将通过点云创建表面模型的作业自动化。从结果上来看,由操作员输入时,原先需要在正式施工中花费 151 个小时的表面模型化,被成功缩短到了数小时。作为后段工序的 BIM 模型输入和使用 BIM 模型干涉检查等计划任务,因为必须依靠技术人员的技术及知识经验,无法实现自动化。因此在成功实现表面建模这种单调作业的自动化后,可以将更多的时间分配到这些核心业务中。”染谷先生再次强调了这项技术带来的惊人成果。

与手动创建的表面模型相比,会让人觉得省略了一些观察不便的部分。不过表面模型的用途只是投影,大多数情况下,自动生成的表面模型就能够满足实际用途。“假设楼体的平均寿命约为 60 年,设备的寿命就在 15 年左右。在建筑的生命周期中,这种大规模的设备改造工程会进行两到三次。通过削减工时来提高施工效率,对本公司而言,是非常重要的课题”(染谷先生)。

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点云数据(上)与通过 InfiPoints 自动生成的表面模型(下)。

“使用点云测量更有安全感”

除了上述案例, Takenaka Corporation还会在以 “Skeleton Infill” 进行的建筑改建施工中使用 Focus3D。其用途是通过点云测量拆解内装部分后的楼体,绘制原有构造图。特别是在根据原有构造图,绘制新增特色设计、构造、设备的设计图时,决不允许漏看任何细节。“以前往往会发生楼体位置与竣工图不符,管道、通风管穿过的套管位置及大小未被记载在竣工图上的情况。现在,可以根据点云数据及点云自动创建表面模型,并据此确认原有楼体及套管的位置”染谷先生为此说道。

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根据点云数据,通过 InfiPoints 自动生成的表面模型。

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使用表面模型检查套管的位置、大小及是否贯通。

“测量这个施工现场时,原先可能需要三到四个人,花费大概一个月的时间。而使用 Focus3D 后,现场测量作业只需两个人,用两周左右就能完成。”在进行常规手动测量时,现场测量作业所需的工时约为 90~120 个,相比之下,Focus3D 减少了大约 30 个工时,可以说作业效率提高到了原先的三到四倍。“最令人放心的是,利用 Focus3D,能够将包括竣工后无法看到的隐蔽部分在内的各类现场情况,滴水不漏地记录为点云数据。此外,不仅能够避免手动测量时必须进行的现场二次测量及追加测量,还能省去高空作业。我认为两到三年后,三维激光扫描仪将会在施工现场得到普及”,染谷先生使用 Focus3D 至今,深切感受到了其使用的便捷性。

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