引言
随着我国经济的飞速发展，土地成为稀缺资源，为了提高土地利用率，建筑物的高度逐渐上升，“地王”不断出现。高层建筑变形的可能性正在逐渐加大，尤其是在建筑施工过程中发生的变形，将直接影响建筑物的使用，严重时还会引发灾害，导致建筑物报废，造成严重的财产损失及人员伤亡。因此，建筑物在施工期间和使用期间的形变监测十分重要，但是目前传统监测仍存在着许多弊端：周期长、成本高,众多行业工作者仍在使用传统仪器和传统技术方法进行变形监测，没有融入新兴仪器和新的技术方案，测量周期长、成本高;与行业脱节、安全性低,传统仪器难以满足一些超常规、超设计理念建筑的形变监测需求，也难以保证作业人员安全;精度低、可靠性差,传统的形变监测手段多是人通过肉眼观测识别目标物体，因此数据的采集精度与可靠性有待进一步提高。
为了提高建筑物的安全性能，必须对高层建筑进行变形监测，以便及时掌握高层建筑物的形态变化。目前大型建筑工程构建预期BIM模型，已受国家大力支持并且渐渐成为一种行业规范。随着建筑行业的信息化和工业化的加速发展，三维激光扫描技术在各个行业的应用也不断加深。在这种趋势引导下，利用BIM模型结合三维激光扫描技术，对目前建筑物建筑过程中所出现的变形以及突出问题展开深入研究,这对建筑物的安全监控具有重要意义。
1 BIM技术与三维激光扫描技术
1.1 BIM技术
建筑信息模型（Building information modeling）是在建设工程及设施全生命周期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称[]。作为一项国际建筑行业的新兴技术，BIM技术以其全面性、可持续性、可视性、可模拟性、可分析性等特征，逐渐被各个国家各个领域普及应用。目前，该技术在一些国家已被投入至时空动态四维规划[]、设施维修管理[]、智能建筑方面[]、可持续性评估方面[]以及信息系统模型构建方面[]的研究当中。随着建筑行业的发展逐渐趋向信息高效化，国内政府对BIM技术愈加重视并出台了一系列相关政策 [`10]以重点推动中国建筑行业的发展。
1.2 三维激光扫描技术
三维激光扫描技术是一项较为成熟的三维空间信息获取技术，该技术通过激光测距原理[11]大面积、高分辨率获取被测对象的空间点位信息，从而快速构建物体的三维影像模型。其突破了传统单点测量模式的局限性，具备不接触性、实时动态性、数字化、自动化等特性，可用于变形监测[12]、交通工程[13]、古建筑和文物保护[14]、三维城市建模[15]等领域。作为一项在测量方式上具备颠覆性特征的实用技术，三维激光扫描技术的普及使用无疑掀起了一场测绘领域的新变革。
1.3 BIM技术与三维激光扫描技术相结合
作为国际前沿技术，BIM技术与三维激光扫描技术在建筑领域各自具备较为普遍的发展趋势，但国际上将两者结合运用在建筑变形监测领域的具体文献鲜有记载。本文将BIM技术与三维激光扫描技术的集成应用于建筑变形监测领域，并成功将该方法投入至济南市“汉峪金谷”高层建筑的施工监测中，已通过实验验证两种技术结合的可行性及创新性。
实体建筑施工前，利用BIM技术可模拟化的特性，将建筑预设理想化信息数据通过BIM技术生成BIM规划模型；在建筑施工过程中，通过三维激光扫描技术最终得到实际BIM模型。本文中BIM技术与三维激光扫描技术的集成是指BIM规划模型与通过三维激光扫描技术得到的实际BIM模型之间对比协调的过程，最终达到高效对比、实时监测、减少返工的目的。
2建筑物整体变形监测流程
基于BIM技术与三维激光扫描技术的建筑施工变形监测基本流程如图一所示。本文中所提供数据均取自济南市“汉峪金谷”项目。
图1 整体变形监测基本流程图
2.1 点云数据采集
点云是指在同一空间参考系下表达目标空间分布和目标表面特性的海量集合，而点云数据采集即是获取海量数据的过程。本文点云数据采集采用的扫描仪为FARO Focus3D 350,其具备扫描速度快、扫描精度高、扫描视角范围大、模块化设计、数据压缩率高、兼容性好等优势。首先，需对被测区域进行实地勘测，确定现场控制点的分布情况，考察区域内综合环境状况，制定全面高效的数据采集实施方案。展开控制测量，进行坐标转换，布设精确测区控制网。在完成球形标靶布设工作之后，利用仪器扫描标靶获得其中心坐标。将扫描仪架设至测站点，完成各项准备及自查工作后，进行粗扫与精扫。本测站扫描任务完成，依照上述相关步骤进行迁站，最终完成整体点云数据的采集工作。
2.2 点云数据处理
根据激光扫描原理得到的点云数据主要包括三维坐标（XYZ）和激光反射强度。通过扫描仪直接获取的原始点云数据往往存在大量冗余及噪声、坐标不一致等现象，从而影响后续工作的高效进行。面对海量复杂的点云数据信息，为了确保最终获取数据的精度，激光点云数据的处理是必不可少的一步。数据的处理工作主要分为数据组织、多站拼接、简化压缩、去噪光顺四大部分[16]。
2.3 点云数据逆向建模
经处理后的点云数据导入至Geomagic studio专业处理软件内，首先需设置采样比率，比率数值越大，点就越密集；在经过点着色处理之后，隐藏其他点云，对每一片点云进行单独修整；删除无用杂点并消除噪点之后，进入多边形处理阶段，通过打磨锐化等操作基本完成点云数据的逆向建模工作，最终获取BIM实际模型，如图2为“汉峪金谷”第二十一层的实际BIM模型。
图2 实际BIM模型
2.4 对比分析生成精度报告
BIM实际模型与BIM规划模型进行叠加分析，进而定位建筑物在施工过程中的形变位置，通过两种模型的对比可获知建筑物实际建筑过程中的最大偏差值，理想最大偏差值一般不超过1.0，若超出理想值，建筑团队应考虑制定相应的补救计划。利用Geomagic studio软件进行3D比较分析，获得建筑物的偏差分布以及标准偏差等信息数据，最终生成对比分析精度报告，为接下来的建筑施工过程提供精准有效的参考纠正数据。
以“汉峪金谷”建筑的第二十一层作为分析对象，分析报告的主要内容围绕所选建筑的标准偏差以及偏差分布两大部分展开，如表1、表2所示。
表1 标准偏差数据表
表2 偏差分布数据表
为使偏差数据及分布状况更加直观，将标准偏差数据、偏差分布数据以直方图形式呈现如图3、图4。结合表1、图3可知，所选监测区域中存在4351253个点标准偏差为1，占所有点的90.3099%，符合标准偏差规范；由表2、图4可得，所选监测区域中无点超出最大临界值、最小临界值，97.8986%的点集中分布在（-0.0142,0.0142）区间范围内，符合偏差分布标准。由以上数据推知，“汉峪金谷”第二十一层建筑在建筑过程中无标准范围之外的偏差，施工精度符合规范，施工过程合格，变形监测成功。
图3 标准偏差直方图
图4 偏差分布直方图
3 三维激光扫描技术与BIM技术集成的优势
传统外业监测方法主要以钢尺、水准仪、经纬仪、全站仪等传统测量工具进行监测，从而导致作业周期长、工作效率低、劳动强度大且成本高、作业危险系数高、成果单一等问题的产生。 相比以上传统监测的弊端，三维激光扫描技术与BIM技术的集成有了极大程度的针对性优势。
3.1 高效精准定位形变位置
针对传统监测利用传统技术寻找形变位置所产生的作业周期长、工作效率低、劳动强度大且成本高等问题，本项研究采用三维激光扫描技术来监测施工过程中的建筑物形变，集成了三维激光扫描技术精度高的优点，大大减少了测量时间，提高了工作效率，通过BIM规划模型与BIM实际模型进行比较，从而快速准确找到形变位置。针对一定强度的监测工作，作业时间由传统监测原来的以小时为计时单位提升到目前以分钟为计时单位；传统监控测量至少需要四人一组进行监测，利用三维激光扫描技术只需要一人操控扫描仪即可。由此可见，针对性的技术创新大大节省了人力、物力与时间，在同等时间内可创造更高效绩。
3.2 全方位监测
针对传统技术无法对建筑物某些部分进行监测，本项研究利用三维激光扫描技术通过合理布点、架设能够达到对施工中的建筑物进行全方位监测。
3.3 视化程度高
利用三维激光扫描技术来监测施工过程中的建筑物形变，可以实时生成建筑物的三维模型，且数字成果具有较强的可视化，数据便于存档。
3.4安全系数高
传统监测过程中，人员伤亡多、危险系数较大，相比之下，激光扫描技术具有少量人工干预、无需可见光源、点云可以直接测量、非接触测量的优点，大大降低了工作的危险性，极大提高了安全系数。
4结语
本文较为系统的阐述了利用BIM技术与三维激光扫描技术进行建筑施工变形监测的方法原理、监测过程以及创新优势，用施工实例结合直观的图表数据、详尽的精度分析验证了本项研究的可行性与实用性。在应用BIM技术的过程中有机地结合三维激光扫描技术,进一步扩大了三维激光扫描技术在工程测量中的应用范围,提高了测量的质量和效率,降低了工程测量的成本和工作强度,为工程项目的全生命周期管理提供了更加科学准确的参考依据。相信在未来的日子里，三维激光扫描技术与BIM技术的结合使用会在建筑变形监测、建筑工程质量检测与验收等方面掀起一场新的革命。
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