伍根,熊小龍

(1.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 咸寧 437100; 2.湖北曉雲(yún)科技有限公司,湖北 武漢 430073)

0 引 言

隨著建筑結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜、建筑體量日益龐大,傳統(tǒng)的二維線條很難表達(dá)清楚建筑設(shè)計(jì)意圖以及建筑物空間關(guān)系,同時(shí)也增大了施工方理解圖紙的難度,不利于施工質(zhì)量的保證。另外,在利用圖紙傳遞工程信息時(shí),各方提出的修改意見(jiàn)不能及時(shí)反映到圖紙當(dāng)中,從而極易造成工程信息丟失[1]。而B(niǎo)IM技術(shù)的核心是通過(guò)建立包含建筑物真實(shí)信息的三維建筑信息模型,使得建設(shè)項(xiàng)目不同階段的不同參與方都可以在這個(gè)信息模型中獲取所需的信息,實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期的信息高效共享,提高建設(shè)項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的管理效率,解決了二維設(shè)計(jì)以及傳統(tǒng)三維設(shè)計(jì)所具有的不足和局限性的問(wèn)題?；诖?本文針對(duì)三維激光掃描的逆向建筑建模方法展開(kāi)研究。

1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的BIM逆向建筑建模實(shí)現(xiàn)

1.1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的BIM逆向建筑建模流程

BIM逆向建筑建模的過(guò)程就是建筑逆向設(shè)計(jì)的過(guò)程,雖然建筑物的表現(xiàn)形式各有不同,但將建筑物拆分來(lái)看,都是由柱、梁、墻、門(mén)、窗等幾種重要構(gòu)建組成,基于此,可以將重要構(gòu)建的模型控制為不變量,將構(gòu)件的材料、尺寸、布設(shè)方式設(shè)置為變量,根據(jù)建筑物實(shí)際情況,改變變量后再拼接組合即可,所以基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的BIM逆向建筑建?？傮w流程中,重要建筑構(gòu)件逆向建模和建立族是核心環(huán)節(jié),總體逆向建筑建模流程圖如圖1所示。

圖1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的BIM逆向建筑建模流程圖

1.2 重要建筑構(gòu)件的逆向建模

對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像來(lái)說(shuō),可以把其看作由墻點(diǎn)云、柱點(diǎn)云、梁點(diǎn)云、板點(diǎn)云及其他各類構(gòu)件的點(diǎn)云所組成,建筑結(jié)構(gòu)BIM逆向建模過(guò)程即是對(duì)構(gòu)件的BIM逆向建模。而在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件中,很大一部分構(gòu)件的截面形狀為規(guī)整的矩形或正方形,如墻、柱、梁、樓板等構(gòu)件,這類構(gòu)件的建模一般只需確定其截面尺寸和標(biāo)高數(shù)值便可以被創(chuàng)建出來(lái)。

BIM逆向建模也是一種逆向設(shè)計(jì)過(guò)程,參考建筑BIM模型設(shè)計(jì)中的參數(shù)化設(shè)計(jì)概念,由于兩者所面對(duì)的對(duì)象是一致的,因此它們可用于指導(dǎo)模型重建過(guò)程。從FaroScene和ReCap360中提取單個(gè)構(gòu)件(例如管,柱,梁等)的點(diǎn)云,然后將其導(dǎo)入BIM建模軟件,完善成單一構(gòu)件的點(diǎn)云BIM模型。每種類型的構(gòu)件都有一種模型,模型的尺寸和特性由參數(shù)控制,可根據(jù)實(shí)際情況更改數(shù)據(jù)。最后,通過(guò)堆疊不同構(gòu)件,可以建立整個(gè)建筑的點(diǎn)云BIM模型。

Faro(法如)公司的As-built插件能夠進(jìn)行重要構(gòu)建的逆向建模,能夠與主流BIM建模軟件相匹配,并且具備從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取構(gòu)件信息的功能,操作簡(jiǎn)單、構(gòu)件界面數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確、建模效率較高。以下列舉柱、梁、墻三種關(guān)鍵構(gòu)件,說(shuō)明逆向建模的要點(diǎn)。

(1)柱的BIM逆向建模

柱的創(chuàng)建需要確定柱的位置、類型、截面尺寸、材質(zhì)及標(biāo)高等信息,其中類型、材質(zhì)等屬性信息在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可以方便地獲取,而截面尺寸信息的獲取比較煩瑣和費(fèi)時(shí),As-built插件中集成了矩形截面提取算法,對(duì)柱子截面尺寸的獲取非常方便[6]。As-built插件中有柱擬合創(chuàng)建的功能,需在創(chuàng)建柱的選項(xiàng)表中選擇柱的類型,若選項(xiàng)列表中沒(méi)有所需的柱類型,則需要從軟件自帶的族庫(kù)中載入合適的柱族,或自行創(chuàng)建柱族。然后在柱點(diǎn)云的兩個(gè)側(cè)面上任意選擇三個(gè)點(diǎn),軟件會(huì)根據(jù)這三個(gè)點(diǎn)提取柱的截面尺寸,并自動(dòng)擬合出柱模型[7]。

(2)梁的BIM逆向建模

在As-built插件中,梁的創(chuàng)建方式與柱類似,需要確定的信息包括梁的位置、類型、截面形式、材質(zhì)及標(biāo)高等[8]。首先,根據(jù)點(diǎn)云中梁的形態(tài)在梁的創(chuàng)建窗口中選擇合適的類型,沒(méi)有的梁類型可以在Revit族庫(kù)中選擇添加。然后通過(guò)點(diǎn)選梁對(duì)角面上的四個(gè)端點(diǎn)軟件即可自動(dòng)提取梁的截面尺寸,并擬合出梁的模型[9]。

(3)墻的BIM逆向建模

創(chuàng)建墻體前要先提取出墻體的輪廓線,輪廓線是確定墻體厚度、位置的重要參照。墻輪廓線的提取可以通過(guò)As-built插件完成,選擇好一個(gè)視圖平面并設(shè)置好合適的視圖范圍,以便能盡量多且準(zhǔn)確地提取墻體部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù),再通過(guò)“準(zhǔn)備點(diǎn)云”功能的識(shí)別和計(jì)算,視圖平面中就會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)準(zhǔn)備平面并在上面給出墻的輪廓線,接著需要通過(guò)“擬合墻面”功能計(jì)算墻的位置、厚度以及給出墻的類別。如果擬合得到的參考模型不滿足要求,可以修改以上參數(shù),直至滿足要求為止[10]。經(jīng)“擬合墻面”生成墻后還需對(duì)其進(jìn)行對(duì)齊和連接處理,對(duì)齊是指使墻的軸線都位于同一條直線上,插件的“對(duì)齊墻”功能可以分析計(jì)算出目前墻的偏差情況,通過(guò)設(shè)置“參考方向的最大偏差”和“墻面的最大旋轉(zhuǎn)角度”參數(shù)可實(shí)現(xiàn)墻的對(duì)齊[11]。墻體BIM逆向建模如圖2所示。

圖2 墻體BIM逆向建模

1.3 點(diǎn)云BIM模型族的建立

Revit族是建筑信息模型中的組成單元,它既是一種類型的建筑構(gòu)件的外部形態(tài)表示,又是這種類型構(gòu)件的數(shù)據(jù)集合,而控制該類型建筑構(gòu)件外部形態(tài)特征的就是其內(nèi)部的數(shù)據(jù)組成。每一種不同構(gòu)件類型Revit族都具有各自的參數(shù),如材質(zhì)、尺寸、物理屬性等,通過(guò)參數(shù)的變換一種類型的族可以創(chuàng)建多種不同形態(tài)的建筑構(gòu)件,這便是族參數(shù)化建模思路。

在Revit中創(chuàng)建族有兩種途徑,第一種是直接打開(kāi)Revit中的自帶族文件,Revit內(nèi)置有很多常用的標(biāo)準(zhǔn)族文件,故而使用者可以通過(guò)修改已有族文件的方式創(chuàng)建新的族文件,第二種是可以通過(guò)Revit中的族樣板文件直接創(chuàng)建新族。

創(chuàng)建參數(shù)化族的主要步驟如圖3所示:

圖3 Revit族圖元

(1)輔助線定位:通過(guò)標(biāo)高、軸網(wǎng)等輔助線對(duì)Revit族的位置、輪廓、規(guī)格調(diào)整和定位。

(3)測(cè)試族:初步創(chuàng)建完畢后測(cè)試Revit族的精確度,可以上傳到BIM的項(xiàng)目環(huán)境中對(duì)族模擬測(cè)試,確保Revit族的定位、參數(shù)均符合實(shí)際工況要求后,才能投入使用。

對(duì)于建立點(diǎn)云BIM模型的族文件來(lái)說(shuō),也可以參照上述建立族的標(biāo)準(zhǔn)流程,唯一的不同是創(chuàng)建前期的工作更復(fù)雜。對(duì)基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建族來(lái)說(shuō),其實(shí)質(zhì)是將整體建筑點(diǎn)云切割成單獨(dú)的構(gòu)件點(diǎn)云,在族創(chuàng)建時(shí)以其作為參照開(kāi)展建模作業(yè)。雖然這種方法一定程度上使創(chuàng)建的模型更符合實(shí)際,但實(shí)際上過(guò)程較為煩瑣,若能直接通過(guò)拾取點(diǎn)云數(shù)據(jù)便能自動(dòng)擬合出構(gòu)件模型才是一種更有利于實(shí)際應(yīng)用的BIM模型創(chuàng)建方式,目前這種方法正在越來(lái)越多地被探索。

2 BIM逆向建筑建模實(shí)例分析

2.1 工程概況

以某理工大學(xué)教學(xué)樓為四層剪力墻結(jié)構(gòu)建筑,該建筑占地面積為 1 600 m2,高度為 20 m,該建筑及周圍環(huán)境如圖4所示。

圖4 建筑及周邊環(huán)境圖

目前該建筑使用時(shí)間已經(jīng)超過(guò)40年,使用期間經(jīng)過(guò)多次局部改造和裝修,基本可以滿足現(xiàn)階段教學(xué)功能需求。但考慮到建筑投入使用時(shí)間較長(zhǎng),建筑內(nèi)部設(shè)備、部件等存在老化情況,為進(jìn)一步提高建筑安全性,擬通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立BIM模型,以此來(lái)為教學(xué)樓的改造和維護(hù)提供參考依據(jù)。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

利用三維激光掃描儀向待測(cè)物發(fā)射激光光束掃描,獲取掃描數(shù)據(jù)并統(tǒng)一上傳到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)中。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集主要分為準(zhǔn)備和掃描兩個(gè)階段,其中,準(zhǔn)備階段需要開(kāi)展測(cè)區(qū)勘探、控制測(cè)量?jī)身?xiàng)工作;掃描階段需要開(kāi)展標(biāo)靶布設(shè)、標(biāo)靶中心坐標(biāo)獲取、掃描儀設(shè)置、掃描參數(shù)設(shè)置、粗略掃描、精確掃描、場(chǎng)景拍照七項(xiàng)工作。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過(guò)程中需要注意以下問(wèn)題:盡量避開(kāi)樹(shù)木、建筑等遮擋物;相鄰測(cè)站掃描區(qū)域應(yīng)有重疊部分;根據(jù)測(cè)繪區(qū)域情況設(shè)置觀測(cè)站,在保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整性的同時(shí),盡量提高外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集效率。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

(1)BIM模型族的建立

①輔助線定位:根據(jù)實(shí)際建筑面積、標(biāo)高、尺寸等,設(shè)置三維模型的定位輔助線,調(diào)整三維模型中的各個(gè)族的規(guī)格、輪廓和位置,確保各項(xiàng)族符合實(shí)際情況。

建筑工程施工單位在管理工作中，沒(méi)有建立科學(xué)的管理制度，對(duì)于建筑工程施工質(zhì)量問(wèn)題沒(méi)辦法做到實(shí)時(shí)監(jiān)管，這對(duì)于建筑工程管理工作的開(kāi)展造成了一定的影響。同時(shí)對(duì)于施工的具體環(huán)節(jié)也沒(méi)有建立完備的監(jiān)督和管理制度，未建立科學(xué)的質(zhì)量監(jiān)督理念，對(duì)于施工質(zhì)量的監(jiān)督工作缺乏重視。另外，在監(jiān)督建筑工程的時(shí)候，也沒(méi)有創(chuàng)建一個(gè)有效的責(zé)任追究制度和獎(jiǎng)勵(lì)懲罰制度，假使在監(jiān)督過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有人違反操作條例，也沒(méi)有什么措施對(duì)其進(jìn)行處罰，這也導(dǎo)致很多施工人員蒙混過(guò)關(guān)，不按照公司的規(guī)章制度去完成工作，嚴(yán)重影響了建筑工程的施工效率和質(zhì)量。

②添加參數(shù):根據(jù)實(shí)際建筑尺寸,將其轉(zhuǎn)化為等比例參數(shù),使三維實(shí)景模型中族的尺寸、布設(shè)方式、材質(zhì)等符合實(shí)際情況,為進(jìn)一步提高三維模型精度,除了以上參數(shù)外,還需要設(shè)置顏色、光滑度、光照度等參數(shù),參數(shù)越多,三維模型精度越高。

③測(cè)試族:三維實(shí)景模型族創(chuàng)建完成后,對(duì)族運(yùn)行測(cè)試,檢查族的各項(xiàng)參數(shù)是否符合實(shí)際建筑情況,并修改存在誤差的族。

(2)點(diǎn)云配準(zhǔn)、去噪和濾波

①點(diǎn)云配準(zhǔn),首先通過(guò)RTC360掃描儀配套軟件CycloneRegister360預(yù)處理教學(xué)樓的原始數(shù)據(jù),該軟件能迅捷高效地處理大量點(diǎn)云數(shù)據(jù),能在軟件中對(duì)教學(xué)樓掃描結(jié)果配準(zhǔn)處理,將各測(cè)站采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并成一個(gè)能反映掃描目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在預(yù)處理軟件中可根據(jù)掃描儀采集到的相鄰測(cè)站上相互重疊區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云與圖像資料實(shí)施自動(dòng)拼接。

②點(diǎn)云去噪和濾波,將之前已經(jīng)配準(zhǔn)好的點(diǎn)云導(dǎo)入Cloudcompare軟件中,為將周圍車輛、樹(shù)木等點(diǎn)云噪聲刪減,可使用“裁剪”功能對(duì)配準(zhǔn)后的點(diǎn)云完成粗剪;此時(shí)點(diǎn)云仍需精細(xì)去噪將粗剪中剩余的噪聲點(diǎn)云進(jìn)一步刪除,針對(duì)這步操作可在軟件中選擇“SORfilter”命令以及“Noisefilter”命令,完成點(diǎn)云的去噪工作。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后需要將其轉(zhuǎn)換為適用于BIM逆向建模軟件可以處理、識(shí)別的數(shù)據(jù)格式,然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模軟件獲取三維模型,如圖5所示。

圖5 導(dǎo)入Revit的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向構(gòu)建BIM模型

首先根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制建筑模型輪廓線,包括三維模型邊界,將建筑構(gòu)建,如墻體、窗戶等放置于相應(yīng)位置;繪制構(gòu)件輪廓,利用標(biāo)注、測(cè)量等功能獲取實(shí)際建筑構(gòu)建尺寸數(shù)據(jù),并將其作為墻體、門(mén)窗等構(gòu)件建模的參考依據(jù)。

(1)柱的逆向建模

首先,根據(jù)點(diǎn)云繪制柱的輪廓線。繪制的輪廓線主要作用為確定模型邊界,對(duì)創(chuàng)建的柱體構(gòu)件對(duì)齊放置;根據(jù)點(diǎn)云繪制柱構(gòu)件輪廓,并借助測(cè)量、標(biāo)注等功能收集柱構(gòu)件尺寸信息。除了該操作方式外,還可以選擇或生成項(xiàng)目視圖,通過(guò)調(diào)整二維平面、立面視圖或者剖切框來(lái)優(yōu)化柱體構(gòu)件設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性。

(2)梁的逆向建模

在構(gòu)建梁體時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建約束條件,為模型圖元的建立提供位置、尺寸等信息。標(biāo)高約束條件設(shè)置是梁體構(gòu)建的第一步,其在劃分樓層、確定梁體位置等方面具有重要作用。以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的BIM模型,可以利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接獲取測(cè)繪區(qū)域點(diǎn)云在豎向或垂直方向的分布情況,以此來(lái)自動(dòng)生成梁體構(gòu)件。

軸網(wǎng)是BIM模型約束條件的一部分,其可以為模型梁構(gòu)件的設(shè)置提供參考。BIM模型構(gòu)建過(guò)程中,可以直接將教學(xué)樓層平面CAD圖紙導(dǎo)入建模軟件中,然后利用其中的“軸網(wǎng)”功能完成建筑軸網(wǎng)的繪制。

(3)墻的逆向建模

墻體為三維模型的主體設(shè)計(jì),以外立面墻體建模為例,首先在建模軟件中選擇“創(chuàng)建墻”的基本功能,然后設(shè)置相應(yīng)墻體族類型,墻體創(chuàng)建對(duì)話框如圖6所示。點(diǎn)云擬合時(shí),可以直接通過(guò)“Rect”功能,選擇相應(yīng)的視角和視圖,在同一面墻體創(chuàng)建時(shí),應(yīng)盡量多采用墻體點(diǎn)云,以保證墻體結(jié)構(gòu)的完整性和墻面的平整度。設(shè)置墻體臨界點(diǎn)、形狀容差值等擬合參數(shù)后,可以在建模軟件中自動(dòng)生成建筑墻體模型。

圖6 墻體建模操作

如果生成墻體模型尺寸與實(shí)際位置不相符,則需要根據(jù)墻體外立面點(diǎn)云數(shù)據(jù)調(diào)整墻體,以此來(lái)使BIM模型符合實(shí)際建筑。

完整的BIM模型除了建筑外墻、門(mén)窗等基礎(chǔ)構(gòu)件外,還包括桌椅、照明設(shè)備等附屬設(shè)置,該類構(gòu)件數(shù)量較多、點(diǎn)云數(shù)據(jù)不易表達(dá)。針對(duì)該問(wèn)題可以利用BIM建模軟件預(yù)制族庫(kù),在實(shí)際建模過(guò)程中可以在族庫(kù)中選擇相應(yīng)構(gòu)件進(jìn)行建模,以此來(lái)提高建模工作效率。

為了使三維模型真實(shí)還原實(shí)際建筑外貌,需要對(duì)建筑門(mén)窗、墻體等設(shè)置物理屬性,豐富內(nèi)部結(jié)構(gòu),以此來(lái)完善建筑模型,構(gòu)建模型如圖7所示。

圖7 最終建筑模型

(4)三維模型屬性設(shè)置

在完成以上模型創(chuàng)建工作后,整體模型創(chuàng)建的工作已經(jīng)基本完成,在模型中各組成部分結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的物理屬性、結(jié)構(gòu)形態(tài)、位置尺寸都已初步具備。但為了使模型更加貼近真實(shí),能夠更準(zhǔn)確地還原建模對(duì)象的原貌,還需豐富墻體、梁柱、樓板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)材質(zhì)等類型參數(shù);對(duì)于附屬構(gòu)件的物理屬性也需進(jìn)一步完善,例如門(mén)、窗的填充色彩、材質(zhì)和裝飾等。

2.5 模型精度評(píng)價(jià)

利用分解法將建筑三維模型分解為基元線、基元點(diǎn),然后根據(jù)局部精度評(píng)價(jià)分析建筑三維模型整體精度。首先將建筑三維模型導(dǎo)入EPS分析軟件中,并選取20個(gè)建筑點(diǎn)坐標(biāo)和10個(gè)邊長(zhǎng)。其次由人工利用測(cè)距儀和全站儀開(kāi)展實(shí)地測(cè)量工作,并統(tǒng)計(jì)測(cè)量點(diǎn)建筑坐標(biāo)和邊長(zhǎng)實(shí)際參數(shù),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 三維模型測(cè)量結(jié)果

從表1中可以看出,建筑三維模型測(cè)量點(diǎn)與外業(yè)測(cè)量點(diǎn)在X軸方向上的最小測(cè)量誤差為 -0.4 cm,最大測(cè)量誤差為 4.2 cm,中誤差為 2.5 cm;在Z軸方向上,最小測(cè)量誤差為 -0.5 cm,最大測(cè)量誤差為 3.7 cm,中誤差為 1.6 cm;在Y軸方向上,最小測(cè)量誤差為 0.3 cm,最大測(cè)量誤差為 -3.2 cm,中誤差為 2.1 cm;測(cè)量點(diǎn)位△s最小測(cè)量誤差為 0.7 cm,最大測(cè)量誤差為 4.8 cm,中誤差為 3.1 cm;測(cè)量距離△l最小測(cè)量誤差為 2.2 cm,最大測(cè)量誤差為 5.4 cm,中誤差為 3.2 cm。

3 總 結(jié)

綜上所述,本文研究了BIM逆向建筑建模方法,并得出以下結(jié)論:

(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)是逆向建筑建模的核心,目前主流三維激光掃描儀參數(shù)不一且各有優(yōu)點(diǎn),需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求選擇匹配的三維激光掃描儀。

(2)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后需要開(kāi)展預(yù)處理工作,包括點(diǎn)云拼接與配準(zhǔn)、格式轉(zhuǎn)換兩個(gè)環(huán)節(jié)。格式轉(zhuǎn)換可以使用專業(yè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件,如Autodesk公司旗下的ReCap360。

(3)基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的BIM逆向建筑建模流程包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、構(gòu)件逆向建模、構(gòu)件族創(chuàng)建、構(gòu)建拼接等。

(4)重要建筑構(gòu)件的逆向建模和點(diǎn)云BIM模型族的建立是逆向建筑建模的兩個(gè)重要環(huán)節(jié),其中重要建筑構(gòu)件的逆向建?？梢允褂密浖寮鏏s-built等;點(diǎn)云BIM模型族的建立需要執(zhí)行輔助線定位、添加參數(shù)、測(cè)試族三個(gè)步驟。