房屋建筑結(jié)構(gòu)三維信息模型集成的BIM方法研究與應(yīng)用

鮑鵬玲，張玉輝

(1.信陽(yáng)師范學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000；2. 河南天禹水利工程建設(shè)有限責(zé)任公司，河南 信陽(yáng) 464000)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在土木建筑領(lǐng)域應(yīng)用的增多，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)已經(jīng)得到了普及.利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)幾乎取代了傳統(tǒng)手工繪圖的設(shè)計(jì)方式，很大程度上提升了設(shè)計(jì)效率、縮短了設(shè)計(jì)周期、提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量.然而在土木建筑結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜、建筑體量日益龐大、建筑外形追求新穎的今天，傳統(tǒng)的二維線條已經(jīng)很難對(duì)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖以及建筑物空間關(guān)系進(jìn)行直觀展示，這就增大了施工方理解圖紙的難度，不利于施工質(zhì)量的保證，傳統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)也出現(xiàn)不完整、無(wú)關(guān)聯(lián)、電腦不能自動(dòng)解釋信息的弊端.因此，BIM技術(shù)的出現(xiàn)為解決二維設(shè)計(jì)以及傳統(tǒng)三維設(shè)計(jì)所具有的不足和局限性提供了方案，這項(xiàng)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，使得在建項(xiàng)目在不同階段不同參與方都可以在此模型中獲取所需數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期管理[1]，提高建設(shè)項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的管理效率，從而加快項(xiàng)目進(jìn)度、提高項(xiàng)目質(zhì)量、減少項(xiàng)目成本、降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn).這項(xiàng)技術(shù)相較于二維和傳統(tǒng)三維的設(shè)計(jì)方式具有明顯優(yōu)勢(shì).

我國(guó)工程建設(shè)行業(yè)從2003年開(kāi)始引進(jìn)BIM技術(shù)，目前的應(yīng)用以設(shè)計(jì)公司和科研院校為主，同濟(jì)大學(xué)和中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合開(kāi)發(fā)了BIM模型的ASIM集成框架.此外，重慶大學(xué)曾旭東教授將BIM技術(shù)應(yīng)用到了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)領(lǐng)域[2].就應(yīng)用廣度和深度而言，BIM在中國(guó)的應(yīng)用還只是剛剛開(kāi)始，但會(huì)逐步推廣和深入到建筑行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域.從全球化的視角來(lái)看，BIM的應(yīng)用已成主流[3，4].本文主要從模型數(shù)據(jù)的采集開(kāi)始，通過(guò)對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，最終構(gòu)建出建筑物BIM模型.

1 三維信息模型集成的BIM方法介紹

BIM技術(shù)的核心建模軟件是Autodesk Revit平臺(tái)，然而Revit中“族”的建立是整個(gè)技術(shù)中的核心技術(shù).Autodesk Revit中的“族”包括系統(tǒng)族、可載入族和內(nèi)建族三種族類型，其中系統(tǒng)族是在Autodesk Revit平臺(tái)中預(yù)定義并且只能在項(xiàng)目中進(jìn)行修改和創(chuàng)建的族類型,這類族數(shù)據(jù)不能作為外部文件加載和集成，但可以在實(shí)際項(xiàng)目和模板之間復(fù)制、粘貼或傳遞；可載入族是使用族樣板文件在項(xiàng)目外單獨(dú)創(chuàng)建的.rfa文件；內(nèi)建族是在當(dāng)前項(xiàng)目中新建族文件，既可在當(dāng)前項(xiàng)目中使用，也可載入到其他項(xiàng)目中去.此外，用戶在Revit族的集成中不需要學(xué)習(xí)專業(yè)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，就能夠創(chuàng)建滿足客戶需求的族庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)創(chuàng)建構(gòu)件的參數(shù)化控制,進(jìn)而在族編輯器工具的預(yù)定義族樣板中創(chuàng)建族.用戶還可以根據(jù)需要加入各種屬性參數(shù)，諸如尺寸、形狀、材料等屬性.此外在創(chuàng)建族的過(guò)程中用戶還可以為族參數(shù)添加公式和條件語(yǔ)句，通過(guò)合理使用公式及條件語(yǔ)句，提高建模效率.

在實(shí)際工程應(yīng)用中，信息模型創(chuàng)建的第一步是獲取結(jié)構(gòu)原型資料.這些資料種類繁多，主要包括二維設(shè)計(jì)圖、施工圖、遙感資料、航拍圖片資料、結(jié)構(gòu)的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)等.不同的建模方法需要的原型資料也不同，選擇以結(jié)構(gòu)的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)為原型的BIM三維信息模型創(chuàng)建技術(shù)，首先對(duì)已有建筑進(jìn)行三維激光掃描，得到海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)、配準(zhǔn)、去噪以及輪廓線提取與標(biāo)注處理.由于Autodesk Revit系列軟件并不具備利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接創(chuàng)建BIM模型的功能，因此需要使用Scan To BIM插件.該插件能夠協(xié)助用戶在Revit中自動(dòng)識(shí)別和定位建筑元素，如：墻體、嵌入式幕墻和柱等，還可以協(xié)助識(shí)別定位MEP元素，如：風(fēng)管、水管、電線等.另外，Scan To BIM插件還為用戶提供有多視角的演示功能，用戶可以根據(jù)建模需求自定義視角對(duì)點(diǎn)云及模型進(jìn)行觀察和操作[5，6].

該方法的優(yōu)點(diǎn)是在原型資料缺失的情形下，通過(guò)三維激光掃描儀測(cè)量得到結(jié)構(gòu)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維信息模型重建，此理念在古文物古建筑或者年代久遠(yuǎn)的建筑物修復(fù)中有著廣泛的應(yīng)用.

2 工程應(yīng)用

2.1 原型點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與處理

使用地面式三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分多個(gè)測(cè)站對(duì)目標(biāo)建筑進(jìn)行掃描測(cè)量，掃描成果中不僅包含有目標(biāo)建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，還包含周邊建筑、道路、樹(shù)木等無(wú)用數(shù)據(jù).首先就是對(duì)采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余刪除處理，思路如下：首先，使用套索或多邊形選擇工具，手動(dòng)選取目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)本身小范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后使用Geomagic Studio軟件提供的去噪功能，剔除孤點(diǎn)、噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，在保留建筑表面幾何特征的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn).最終處理完成數(shù)據(jù)如圖1所示.

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig. 1 The processing result of point cloud data

Geomagic Studio軟件處理完成的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而得到BIM核心建模軟件Revit能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式.具體方法是在Geomagic Studio軟件平臺(tái)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Revit能識(shí)別的.asc格式文件，再將此.asc文件導(dǎo)入到Autodesk Recap軟件，轉(zhuǎn)換為Autodesk Revit軟件識(shí)別的.pcg格式文件.導(dǎo)入到Revit軟件的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示.

圖2 導(dǎo)入Revit中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig. 2 The point cloud data in Revit

2.2 結(jié)構(gòu)輪廓線創(chuàng)建

將經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換格式處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Revit中，首先是創(chuàng)建模型結(jié)構(gòu)輪廓線.步驟如下：第一是確定結(jié)構(gòu)邊界；第二是便于尺寸測(cè)量、標(biāo)注，從而為載入的門窗等構(gòu)件提供尺寸參考.利用兩平面相交得到一條直線的原理，首先選擇第一個(gè)平面上的三個(gè)不同點(diǎn)，再選擇第二個(gè)平面上的三個(gè)不同點(diǎn)，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算會(huì)得到所選兩個(gè)平面的交線.本文最終得到的輪廓線(以南立面為例)如圖3所示.

2.3 BIM三維模型創(chuàng)建

在創(chuàng)建主體模型之前，首先需要?jiǎng)?chuàng)建模型的標(biāo)高.標(biāo)高是確定墻體、柱體等構(gòu)件頂面和底面位置的重要因素，也是獲得相應(yīng)樓層平面圖的重要途徑.利用Scan To BIM插件 “Window Select Points”，方法是選擇一定區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后設(shè)定好步長(zhǎng)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到點(diǎn)云的高度分布狀況，然后根據(jù)分布狀況選擇需要?jiǎng)?chuàng)建的標(biāo)高值.標(biāo)高創(chuàng)建完成后,創(chuàng)建建筑的主體結(jié)構(gòu)，此過(guò)程主要涉及的主體結(jié)構(gòu)有墻體、柱、梁以及樓板，其中墻體和柱的創(chuàng)建由Scan To BIM插件的建模方法得到.由于該方法具有局限性，梁和樓板的創(chuàng)建需通過(guò)正向建模創(chuàng)建得到.使用“Rect”功能創(chuàng)建矩形柱，首先需要選擇合適的視角，以便能夠盡量多且準(zhǔn)確地選取柱部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而更準(zhǔn)確地?cái)M合出柱的三維模型.選擇好柱的點(diǎn)云以后，需要設(shè)置形狀容差值、臨近點(diǎn)容差值、柱族類型、標(biāo)高等參數(shù)，以上參數(shù)設(shè)置完成以后，經(jīng)過(guò)計(jì)算會(huì)擬合出柱體參考模型.墻體的創(chuàng)建與柱的創(chuàng)建方式類似，選取某一點(diǎn)云平面上的三個(gè)不同點(diǎn)來(lái)擬合墻體.

圖3 南立面輪廓圖Fig. 3 The south elevation contour

由于門、窗、樓梯等附屬構(gòu)件形式多樣且包含的參數(shù)復(fù)雜但是往往具有可重復(fù)性和滿足設(shè)計(jì)規(guī)范性，因此，門、窗構(gòu)件都是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的參數(shù)信息(如材質(zhì)、顏色等)，結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)輪廓線確定尺寸信息重新創(chuàng)建的Revit族文件載入生成；接著使用Revit提供的樓梯創(chuàng)建功能創(chuàng)建本項(xiàng)目的樓梯，門、窗等構(gòu)件創(chuàng)建完成以后，還可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建天花板、燈具、桌椅、植物等其他附屬設(shè)施，這些設(shè)施用戶可以直接利用Revit自帶的族庫(kù)創(chuàng)建.如果Revit族庫(kù)中的模型不能滿足需求，用戶還可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建自己的族庫(kù).

2.4 模型屬性設(shè)置及三維信息模型集成

此時(shí)創(chuàng)建的模型已經(jīng)初步具備了建筑物的幾何信息、位置信息，為了讓創(chuàng)建的模型能夠更真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際建筑，展現(xiàn)BIM信息模型的優(yōu)勢(shì)，需要對(duì)墻體、樓板等構(gòu)件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行編輯，還需要為門、窗、柱、墻、樓板等模型構(gòu)件添加材質(zhì)、外觀、物理等屬性信息.以樓板為例，樓板屬性參數(shù)設(shè)置如圖4所示.

通過(guò)以上創(chuàng)建，最終得到該房屋建筑結(jié)構(gòu)的三維信息模型如圖5所示.該項(xiàng)目主要針對(duì)的是已有建筑的BIM三維信息模型重建的問(wèn)題，因此BIM技術(shù)的應(yīng)用主要是在結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理階段.然而經(jīng)過(guò)前文所提方法創(chuàng)建得到的BIM三維信息模型，不僅包含了該建筑的幾何、空間等屬性，還包含了大量的非幾何屬性，集成的模型等價(jià)于一個(gè)能夠反應(yīng)建筑真實(shí)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng).通過(guò)將三維信息模型文件導(dǎo)出為全球通用的國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)文件——IFC文件[7]，可以將模型信息高效、準(zhǔn)確地傳遞給其他BIM平臺(tái)的軟件，實(shí)現(xiàn)信息共享.此階段利用創(chuàng)建得到的BIM模型主要可以進(jìn)行以下工作：

圖4 樓板屬性對(duì)話框Fig. 4 Floor properties dialog box

圖5 最終模型Fig. 5 The final model

(1)獲得任意平面、立面、剖面的二維圖紙，或者得到任意視角的三維展示圖，獲得的圖紙信息可以作為電子檔案為以后建筑結(jié)構(gòu)拆除、改造、翻修提供參考.

(2)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)階段建筑物所包含門、窗等構(gòu)件的明細(xì)表以及材料明細(xì)表等，創(chuàng)建完整的建筑統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù).

(3)為建筑物在空間的合理布置以及功能劃分提供決策依據(jù).

(4)結(jié)合綠色分析軟件可以對(duì)建筑進(jìn)行能耗、光照等方面分析，為綠色改造、節(jié)能規(guī)劃提供幫助.

(5)建筑后期裝修、改造可以依托該平臺(tái)集成的模型，預(yù)先在模型中完成方案對(duì)比和優(yōu)化，節(jié)省時(shí)間材料.

3 結(jié)語(yǔ)

BIM建筑信息模型集成技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在國(guó)內(nèi)的發(fā)展水平還相對(duì)較低，但是這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到了建筑行業(yè)用戶的認(rèn)可.此技術(shù)要想在國(guó)內(nèi)得到樂(lè)觀的發(fā)展，除了國(guó)家政府層面的支持外，更需要廣大有識(shí)之士投入其中.相信在一大批優(yōu)秀人才的努力下，BIM建筑信息模型集成技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用水平都將取得可喜的進(jìn)步.本文所使用的軟件主要適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程、管道工程，但對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)工程、橋梁工程、水利工程等并不能使用本文提出的方法.因此，筆者下一步還需要在軟件API開(kāi)發(fā)方面以及不同專業(yè)圖形數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)方面做更多的研究，爭(zhēng)取能夠?qū)⒃摲椒ㄍ茝V至更多專業(yè)和更廣的專業(yè)領(lǐng)域.