劉勝男，陶鈞，史艾嘉

（1.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213147；2.常州市武進(jìn)規(guī)劃與測繪院，江蘇 常州 213159）

1 引言

近年來，隨著建筑行業(yè)信息化程度的逐漸提高，BIM（Building Information Modeling）技術(shù)被越來越為人們所熟知。BIM即建筑信息模型，是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息[1]。BIM以三維模型為載體，通過在模型中整合項(xiàng)目的各項(xiàng)信息，將建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營管理等各個(gè)階段串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的建筑信息數(shù)據(jù)不斷更新和協(xié)同管理?，F(xiàn)階段，BIM技術(shù)的主要應(yīng)用集中于新建建筑的方案設(shè)計(jì)、施工模擬和成本管控等方面[2]。隨著BIM技術(shù)的應(yīng)用普及，如何快速獲取高精度既有建筑幾何模型，將BIM應(yīng)用于既有建筑的運(yùn)維管理中具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2 既有建筑BIM建模的難點(diǎn)

根據(jù)數(shù)據(jù)的不同來源，BIM主要分為兩類：一類是針對新建建筑，在建筑的設(shè)計(jì)階段，依據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立BIM，實(shí)現(xiàn)建筑項(xiàng)目信息的整合，為業(yè)主、設(shè)計(jì)方、施工方等提供所需的信息，提高項(xiàng)目的完成效率，實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的管理[3]。另一類是針對既有建筑，通過現(xiàn)場勘測，對已經(jīng)建成的建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行實(shí)景建模，用于建筑物運(yùn)營管理、后期維護(hù)和改造。

目前的BIM建模方法的研究主要是針對新建建筑的正向建模[4]。不同于新建建筑，既有建筑是已經(jīng)建設(shè)完成，并投入使用的建筑，在BIM模型建立的過程中，存在著以下兩個(gè)難點(diǎn)。

①既有建筑通常存在著資料缺失或因長年累月的變形而導(dǎo)致與竣工圖紙不符等情況，這就意味著采用設(shè)計(jì)和竣工資料進(jìn)行既有建筑BIM模型構(gòu)建可操作性不高，建模精度也難以達(dá)到應(yīng)用要求。

②既有建筑空間幾何信息采集困難。用于BIM模型構(gòu)建的建筑物空間幾何信息必須有足夠高的精度，能夠準(zhǔn)確反映建筑物的真實(shí)情況。采用傳統(tǒng)測繪手段進(jìn)行建筑信息，尤其是一些歷史保護(hù)建筑信息采集時(shí)，受建筑造型和建筑細(xì)節(jié)影響，較難實(shí)現(xiàn)快速、高精度的建筑信息采集。

3 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的既有建筑BIM建模方法

3.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，利用激光測距的原理，對目標(biāo)進(jìn)行三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)量測，獲得完整的全景點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這些連續(xù)的點(diǎn)數(shù)據(jù)被稱作“點(diǎn)云”[5-6]。三維激光掃描技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的單點(diǎn)式測量，采用了連續(xù)式、整體式的數(shù)據(jù)采集方式，具有測量速度快、精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對既有建筑物進(jìn)行外部和內(nèi)部進(jìn)行掃描，得到實(shí)體或?qū)嵕暗狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)處理，可以獲取建筑物細(xì)節(jié)信息，快速構(gòu)建建筑物信息模型[7-8]。三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)式測量方式的局限，采用自動(dòng)式采集方式，避免了人為誤差和時(shí)間誤差的影響，可以較好地應(yīng)用于復(fù)雜建筑模型的構(gòu)建。三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)全站儀信息采集特點(diǎn)的對比，如表1所示。

三維激光掃描技術(shù)與全站儀特點(diǎn)對比 表1

3.2 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的既有建筑BIM建模方法

①點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

依據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場環(huán)境，設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)采集方案，使用三維激光掃描設(shè)備，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集過程中，受現(xiàn)場環(huán)境和掃描距離的影響，一般需進(jìn)行多站掃描。應(yīng)合理設(shè)計(jì)測站位置和測站數(shù)量，在保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整的基礎(chǔ)上，使用盡量少的測站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，避免點(diǎn)云數(shù)據(jù)量過大以及測站數(shù)據(jù)拼接時(shí)的誤差累積。

②點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，需要使用專業(yè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件對其進(jìn)行去噪、拼接、分割等數(shù)據(jù)預(yù)處理[9]。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于既有建筑的建筑幾何信息獲取時(shí)，建筑物周圍的行人車輛、設(shè)備甚至空氣中的塵埃都會(huì)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中留下斷續(xù)跳躍的噪聲點(diǎn)。進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)可以采用人工或者軟件自動(dòng)去噪的方式判別無效點(diǎn)云并進(jìn)行刪除[10]。另外，在進(jìn)行多站掃描時(shí)，在各測站掃描重疊區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行消冗處理，減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，提升后期建模效率。

③BIM軟件鏈接點(diǎn)云模型

將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換為dxf、3ds、stl等格式，導(dǎo)入建模軟件（如Revit、3Dmax、Sketchup）中，作為構(gòu)件建筑模型的基礎(chǔ)幾何數(shù)據(jù)。需要注意的是在建模前，要根據(jù)建筑構(gòu)件情況，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。

④模型構(gòu)建

使用建模軟件，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，將符合建筑構(gòu)件表面幾何特征規(guī)律的點(diǎn)云擬合為建筑構(gòu)件模型，賦予模型名稱、材質(zhì)、顏色等屬性信息，進(jìn)而構(gòu)建建筑整體BIM模型。

圖1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的既有建筑BIM建模流程

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 項(xiàng)目概況

常州武進(jìn)蓮花館位于江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)，占地面積達(dá)3.5hm2，是由坐落在人工湖上的二層市政設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建。之所以被稱之為蓮花館，是由于其外觀是三朵蓮花造型的綜合體，猶如盛開的蓮花，花瓣主體部分采用鋼結(jié)構(gòu)建造。由于蓮花館結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且投入運(yùn)營，白天到夜晚都具有使用功能。為快速獲取蓮花館建筑信息，完成BIM建模，實(shí)現(xiàn)場館運(yùn)維階段的綜合信息管理，因此采用以上基于三維激光點(diǎn)云的BIM建模方法，使用三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，繼而進(jìn)行BIM模型構(gòu)建。考慮到蓮花館作為教育、娛樂和社區(qū)集中藝術(shù)項(xiàng)目，為更好地再現(xiàn)蓮花館原貌，提高建模的辨識(shí)度和觀賞性，在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行了紋理信息的采集。

圖2 蓮花館實(shí)景圖

4.2 信息模型構(gòu)建

①三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

項(xiàng)目采用Trimble TX8三維激光掃描儀對蓮花館進(jìn)行掃描作業(yè)。由于蓮花館造型復(fù)雜，為盡可能詳細(xì)地獲取建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描前，項(xiàng)目組對場館進(jìn)行了現(xiàn)場踏勘，并制定了詳細(xì)的現(xiàn)場掃描方案，包括測站位置、掃描分辨率和標(biāo)靶位置的設(shè)計(jì)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集應(yīng)分站進(jìn)行，各測站間采用球形標(biāo)靶進(jìn)行配準(zhǔn)，每一測站標(biāo)靶不少于3個(gè)，同時(shí)對不同部位采取不同的掃描分辨率。

②三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理在Trimble三維激光數(shù)據(jù)處理軟件Realwork中進(jìn)行，將全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，進(jìn)行自動(dòng)拼接配準(zhǔn)。在消除噪聲時(shí)，對過往的游客、車輛等這類噪聲，不能通過設(shè)置閾值的方式進(jìn)行消除，因此采用人工識(shí)別進(jìn)行消除。另外，由于采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，為了在滿足建模精度要求的同時(shí)提高建模效率，項(xiàng)目組采用了分區(qū)域消冗的方法，對不同部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了消冗處理。蓮花會(huì)展中心為異形鋼結(jié)構(gòu)建筑，直接使用軟件進(jìn)行建模定位，工作量較大。本次建模還在Realwork中進(jìn)行了關(guān)鍵控制點(diǎn)和參考線的定義，保證后續(xù)建模準(zhǔn)確性和工作效率。蓮花館點(diǎn)云模型如圖3所示。

圖3 蓮花館點(diǎn)云模型圖

③BIM的建立

BIM的建立選用芬蘭Tekla公司開發(fā)的TeKla Structures軟件進(jìn)行。TeKla Structures是一個(gè)交互性的鋼結(jié)構(gòu)3D建模系統(tǒng)，用戶可以在虛擬空間中搭建一個(gè)完整的鋼結(jié)構(gòu)模型并自動(dòng)生成所需的鋼結(jié)構(gòu)詳圖和報(bào)表。TeKla Structures支持多種數(shù)據(jù)格式的輸入輸出，將預(yù)處理完成后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入TeKla Structures軟件中，在軟件中定義構(gòu)建幾何模型，構(gòu)件類型，賦予屬性信息，進(jìn)而形成整體蓮花館BIM模型。高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)確保了蓮花館各構(gòu)件幾何信息的準(zhǔn)確性，通過與設(shè)計(jì)圖紙的對比，其外形尺寸誤差均在厘米級(jí)。將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出，在3Dmax中完成紋理映射。形成的蓮花館BIM模型，如圖4所示。

圖4 蓮花館BIM模型

④模型精度分析

為了更好地評(píng)價(jià)本項(xiàng)目建筑信息模型精度，項(xiàng)目組選取了8組特征點(diǎn)，將特征點(diǎn)間的相對距離與全站儀測量的距離進(jìn)行對比分析。選取測距精度為（2+2×10-6D）mm的高精度全站儀，使用免棱鏡方法測出特征點(diǎn)間相應(yīng)距離，與模型中距離對比如表2所示。

從上表中可以看出，8組特征點(diǎn)間全站儀測距與模型距離差值較小，均在20mm以內(nèi)，可以滿足大部分建筑三維模型的精度要求。

5 結(jié)語

既有建筑建模是因受建筑結(jié)構(gòu)和建筑運(yùn)營情況影響，建筑信息采集往往較困難。采用三維激光掃描技術(shù)可以快速有效獲取建筑物空間幾何信息，為準(zhǔn)確地建立建筑信息模型提供可靠的數(shù)據(jù)源。文章研究了基于三維激光電云數(shù)據(jù)的既有建筑BIM建模方法和工作流程，以武進(jìn)蓮花館項(xiàng)目為例進(jìn)行了建模研究。通過對模型數(shù)據(jù)的分析可以看出，三維激光掃描技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于既有建筑，尤其是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的建筑建模，實(shí)現(xiàn)建筑信息綜合管理。

模型特征點(diǎn)間距離與全站儀測距結(jié)果對比 表2