余 浩，黨星海,2*，李文洲，李延盛，丁 星，項長生,4，賈麗奇

（1.蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省應急測繪工程研究中心，甘肅 蘭州 730050；3.甘肅路橋第三公路工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730050；4.西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050；5.蘭州理工大學 設計藝術學院，甘肅 蘭州 730050）

1 三維激光掃描技術

1.1 三維激光掃描技術概述

三維激光掃描技術作為一種新興的空間信息獲取方式，采用激光測距的方法，將激光掃描到的點所具有的三維坐標等信息采集下來，并能由點到面記錄目標實體表面的真實情況[1]。三維激光掃描技術在實際應用中的特點為：①非接觸式的數據采集方式；②受時間、空間的影響較?。虎蹟祿杉俾矢?、精度高；④數據兼容性和拓展性強[2]。

1.2 點云數據在既有建筑改造中的應用

既有建筑是工程施工前就已存在的建筑物與構筑物的統(tǒng)稱。以古建筑為例，既有建筑往往因歷史或人為因素，導致建筑圖紙缺失。大量木質結構的使用，也使古建筑的安全性隨著使用年限的增加而 降低。

在對這類建筑進行測量時，相較于傳統(tǒng)的測繪技術，三維激光掃描技術能節(jié)約大量的人力和時間成本。分階段對既有建筑進行掃描，準確且高效的采集其點云數據，并對點云數據進行實時更新。一方面，可以對比不同時期的點云數據，得到既有建筑物沉降等真實情況，為結構的健康監(jiān)測提供依據；另一方面，在改造過程中對既有建筑的實時點云數據進行三維建模，可模擬各施工階段，作為既有建筑改造的設計 依據[3]。

2 BIM技術

2.1 BIM技術概述

BIM技術是一種基于三維數字信息技術，涵蓋了工程項目全生命周期，將各時期各類別的信息高度整合在統(tǒng)一的平臺中，應用于工程項目的設計、建造、管理等階段的數字化工具。相較于傳統(tǒng)的二維圖紙，BIM技術在繪制過程中能將材質、用料、空間、結構等二維圖紙難以表達的信息整合到模型中，生成更加直觀便利的三維信息模型，并能對模型中各組成部分進行獲取、查詢、統(tǒng)計、修改等操作[4]。在項目設計過程中，對模型做出任何修改都會在平臺中實時同步更新，降低了各學科各部門之間協調溝通的門檻，從而提高了設計質量和項目進度[5]。

2.2 三維激光掃描技術與BIM技術的結合

將三維激光掃描技術的即時數據采集與BIM技術 在三維可視化方面的優(yōu)勢相結合，能為工程項目建設提供一種新的可能。在目前的工程實際中，這兩種 技術可視化的交互方式以及上下級平臺的溝通方式，在以下方面有著重要的發(fā)展空間[6]：

1）資料存檔。通過三維激光掃描技術實時采集施工現場的真實數據，特定構件或關鍵部位的信息采集應準確、客觀、完整，并以電子文檔形式加以保存。

2）質量檢測。采集施工周期中各時期的點云數據，并與已建立的BIM模型進行參數對比。相較于傳統(tǒng)全站儀等測量檢測手段，該方法具有高效便捷、適用性廣、得到的數據準確等特點。

3）逆向建模。在圖紙缺失或既有建筑的改擴建工程中，通過掃描既有建筑獲得建筑各參數數據，再逆向建立BIM模型，常用于古建筑加固保護等領域。

4）施工模擬。在對鋼結構等大型預制構件進行施工前，可采用構件數據建模的方式進行模擬施工，以輔助解決實際施工中存在的問題。

5）輔助施工量統(tǒng)計。BIM模型中各構件都可被賦予參數和屬性，支持對模型各組成部分的分離和整合，常用于統(tǒng)計材料用量、建筑施工量等。

3 逆向建模

在既有建筑，特別是年代久遠但現在仍具有使用價值或文物保護價值的建筑（如醫(yī)院、圖書館、古寺等）中，或多或少都存在因圖紙保存不善、部分缺失、已經過改造或位移等導致的現有圖紙不能表達其準確數據信息的情況，需對其進行重新勘測，從而得到最新詳盡的圖紙信息[7]。

在實際操作中，逆向建模通過采集和擬合點云數據進而建立BIM模型，相較于GPS，無需考慮GPS信號的遮擋問題，適用性大大增強；與傳統(tǒng)的全站儀相比，避免了測量過程中人為因素導致的誤差累計，同時數據獲取的速率也有顯著提高。

3.1 點云數據處理

由于觀測儀器設備的自身精度等內因以及在掃描過程中不可避免地會受自然風、振動等外因影響，掃描場地周圍與目標建筑無關的物體也可能會被儀器采集，因此點云數據中必然存在噪聲點、失真點和冗余數據。點云數據的預處理需過濾掉錯誤、冗余的點云，消除數據拼接中誤差的積累，對后續(xù)模型建立具有重要的作用。點云數據的平滑處理，即對數據中可能存在的隨機性誤差進行平滑濾波處理；再利用去噪后的點云數據建立表面光滑且具有一定精度的三維模型。常用的去噪方法包括均值濾波、高斯濾波和中值濾波等。本文采用均值濾波和高斯濾波兩種方法，其中均值濾波可通過統(tǒng)計各數據點的平均值來代替原點，處理后的數據從整體來看具有較平滑的狀態(tài)；高斯濾波可濾除某指定區(qū)域內的高頻信息，能較好地維持原數據的真貌。

由于點云數據由多個測站掃描采集，屬于多視點云數據，且不同測站獲取的點云數據的坐標系相互獨立，因此兩兩相鄰測站在掃描目標時需設定掃描的重疊部分，并在掃描重疊處選取標靶點（不少于3個），布設靶標作為拼接的依據。對多視點云數據進行坐標統(tǒng)一，可通過軟件對處理過的點云數據進行多視對齊。其配準原理為：

式中，(X,Y,Z)為點云配準處理后統(tǒng)一坐標系下的坐標； (x,y,z)為掃描獲得的初始點云坐標；Δx、Δy、Δz分別為沿X、Y、Z軸平行正方向的平移量；α、β、γ分別為以X、Y、Z軸正方向為軸的旋轉量[8]。

3.2 模型構建

在逆向建模前，需確定建模目標的軸網和標高，由于本次實驗的對象是形狀規(guī)則的建筑，因此可對其點云數據進行切片分層處理，將三維點云數據切片分層后可看作不同樓層平面的二維點云，再根據不同樓層平面的數據獲取目標建筑墻、柱等結構物的位置信息[9]。

基于在Revit軟件中鏈接處理后的點云數據，參照原圖對目標建筑的梁、板、柱、墻體、門窗的位置進行繪制。預先設立族庫，族作為BIM模型中的基本圖元包含了豐富的信息，以墻體的族為例，墻體可按照其屬性分為類型和功能兩大類，分別包含墻體組成、厚度、功能等子項。在模型繪制前，通過創(chuàng)建不同種類的族，直接放置在對應的位置上。當屬性結構不同時，可先修改族中結構物的尺寸材質組成等信息，再利用上述途徑創(chuàng)建模型[10]。逆向建模流程如圖1所示。

圖1 逆向建模技術路線圖

4 應用實例

本文以蘭州理工大學蘭工坪校區(qū)一號教學樓為例，探究了逆向建模輔助房屋改造的可行性。蘭州理工大學蘭工坪校區(qū)一號教學樓房屋位置較平坦，目標建筑前后分別為圖書館前的小廣場和小花園，周圍遮擋物較少通視良好；但建筑物內外裝修和配套設備陳舊，為適應現代建筑功能和教學需要，需對其進行改建、裝修。

4.1 儀器與參數

本次掃描采用徠卡RTC360掃描儀，具體儀器參數如表1所示。徠卡RTC360掃描儀可結合配套的徠卡Cyclone FIELD 360外界操作App直接安裝在iPad上，通過WiFi無線鏈接設備，實現遠程操作、自動下載項目點云，能在現場對采集到的點云數據進行簡單的檢查和查詢。

表1 徠卡RTC360掃描儀參數

4.2 實驗過程

實驗期間一號教學樓處于正常使用狀態(tài)，內部教室、辦公室和自習室的使用情況頗為復雜，因此本文基于采集的一號教學樓外立面點云數據，結合教學樓原本的圖紙來構建模型。由于一號教學樓的外形較簡單，出于盡可能減少測站數量和兩個測站間需有重疊部分的考慮，經過實地勘察，本文在目標建筑周圍設立了14個測站進行掃描，并采集相應的點云數據。

外業(yè)結束后將掃描儀連接電腦，導出掃描后的原始數據；然后采用與儀器配套的Cyclone軟件對原始數據進行去噪、正交變換，拼接等處理；最后得到完整且光滑的點云模型，如圖2所示。將點云模型鏈接到Revit軟件中，參照點云模型，在Revit軟件中調整東、南、西、北4個立面視角，調整剖面角度，通過模型點云確定BIM模型在立面、水平面的標高、軸網，結合點云模型對外立面的墻體、窗戶、雨棚、臺階、大門等結構物進行擬合，利用圖紙和采集的現場照片調整模型構件的屬性信息，使其真實反映一號教學樓的真實狀態(tài)。點云數據擬合的BIM模型如圖3、4所示。

圖2 一號教學樓點云模型

圖3 東立面門窗擬合逆向構建一號教學樓BIM模型

圖4 一號教學樓BIM模型效果圖

4.3 實驗結果

1）模型精度分析。在對點云模型進行擬合、逆向建立BIM模型后，需對已建立的模型精度進行分析。本文采用的精度分析方式為：在各測站點上架設全站儀，選取離測站最近的窗臺上右側拐點作為特征點，將測量測站與特征點之間的距離與從模型中提取的 14 組數據的相對距離進行分析比對，得到客觀的精度評價。精度分析結果如表2所示，可以看出，最小的距離差值為1 mm，最大的距離差值為11 mm，通過計算得到特征點距離的中誤差為δ= 5.654 mm，可見通過點云數據進行逆向建模建立的BIM模型具有不錯的精度。

表2 BIM模型精度對比分析表

2）工程量統(tǒng)計。本文以一號教學樓改造范圍內涉及的外立面墻體上的木框窗戶為例，基于BIM技術在BIM模型中對需要改造的木制窗戶進行工程量計算。由于安裝時間較長，木制窗框本體發(fā)生了變形，窗戶的密封性變差且部分窗戶已無法正常開閉，影響到樓體本身保溫和采光等問題，打算將其換成強度更高、密封性更好的PVC塑料窗戶，因此需對外立面窗戶的數量、尺寸大小進行工程量的統(tǒng)計，用于施工預算的計量。利用Revit軟件的明細表功能，能在完成數量尺寸統(tǒng)計的同時，呈現窗戶在不同樓層的分布情況，如表3所示。

表3 樓體外立面窗明細表

3）三維可視化展示。三維可視化作為BIM模型區(qū)別于傳統(tǒng)建筑圖紙的巨大突破，將圖紙中的建筑以三維模型的形式鮮活地呈現在設計、施工人員的眼前。在既有建筑的改造中，可利用其可視化的優(yōu)點，在模型中對房屋內部的照明設備、管網的排布等進行布置；對原有設計進行改動前，可在BIM模型中進行仿真模擬，直觀準確地將修改后的效果表現出來；在維修改建影響結構完整的構件時，可在模型中對改動部位進行碰撞測試來驗證改動設計的可行性。相較于傳統(tǒng)設計中施工方發(fā)現問題先向設計方反映、溝通后再對現場進行考察修改的方式，該方法更加便捷直觀。

本文以一號教學樓一層東側教室的照明設計為例，可在模型中對該位置上的教室進行三維可視化模擬。選取合適的位置放置“相機”功能，得到該位置上某一 教室的三維剖切圖；再結合該教學樓所處地區(qū)日照 情況，對該教室內燈光布置進行粗略檢查；最后根據仿真的情況選擇合適的排布方式。教室內照明設備三維可視化效果如圖5所示。

圖5 一號教學樓東側教室照明設備三維可視效果圖

5 結 語

在經濟高速騰飛的現代社會，對既有建筑進行改造升級順應了時代的發(fā)展要求。以BIM技術為中心，結合三維激光掃描技術的逆向工程的應用，避免了傳統(tǒng)測量方式的繁瑣和不確定性的影響，為信息采集、模型構建和實時管理提供了一個高效、便捷的新方法。本文通過實驗驗證了逆向工程中三維激光掃描技術信息采集的準確性，同時逆向建立的BIM模型中的各組成構件都被賦予了屬性信息和三維可視化的優(yōu)勢，為改建過程中的設計、施工提供了大量幫助（如優(yōu)化設計、工程量統(tǒng)計、監(jiān)督施工質量等）。作為一種新興的輔助工程建設方式，其在既有房屋改建中具有廣闊的應用前景，值得在今后的工程實際中 推廣。