BIM與三維激光交互在文物與工程沖突時(shí)的應(yīng)用

王　飛， 鄭　驚

(重慶高科集團(tuán)有限公司， 重慶 401121)

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BIM與三維激光交互在文物與工程沖突時(shí)的應(yīng)用

王飛， 鄭驚

(重慶高科集團(tuán)有限公司， 重慶 401121)

城市建設(shè)施工與古建筑保護(hù)二者之間歷來(lái)存在著難以協(xié)調(diào)的矛盾，而城市建設(shè)又是勢(shì)在必行?？陀^地說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題是當(dāng)前我國(guó)許多城市在建設(shè)施工中都會(huì)遇到的問(wèn)題。文章介紹了BIM與三維激光掃描交互在重慶來(lái)福士廣場(chǎng)項(xiàng)目宋代古城墻保護(hù)中的應(yīng)用，為解決古建筑與新建工程的沖突尋求一條新途徑，為類似的工程提供參考。

BIM；三維激光掃描技術(shù)；古城墻測(cè)繪；點(diǎn)云配準(zhǔn)

在施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)文物及古建筑群，對(duì)于施工的連續(xù)性是個(gè)很大的難題。利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)深基坑內(nèi)城墻(保護(hù)文物)的位置和尺寸進(jìn)行精確測(cè)量，將數(shù)據(jù)結(jié)合項(xiàng)目BIM模型點(diǎn)云配準(zhǔn)，提前發(fā)現(xiàn)城墻與結(jié)構(gòu)沖突區(qū)域，并提出修改意見(jiàn)，為施工場(chǎng)內(nèi)存在文物時(shí)的不間斷施工提供可能性。

1　工程概況

重慶來(lái)福士廣場(chǎng)項(xiàng)目位于長(zhǎng)江嘉陵江兩江交匯的朝天門(mén)，是一個(gè)集住宅、辦公樓、商場(chǎng)、服務(wù)公寓、酒店、餐飲會(huì)所為一體的城市綜合體。包括整體3層地下室、6層裙房(南側(cè)局部5層)、8個(gè)塔樓及連接其中4個(gè)塔樓的觀景天橋組。

在來(lái)福士廣場(chǎng)項(xiàng)目施工過(guò)程中，于項(xiàng)目西北側(cè)發(fā)現(xiàn)古城墻遺址，立即停止該位置的施工，將現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)起來(lái)，等待市文化遺產(chǎn)研究院的考察。

重慶歷史上有4階段筑城，其中最為有名的是南宋時(shí)期彭大雅所筑的重慶城，在彭大雅“不把人當(dāng)人看，不把錢(qián)當(dāng)錢(qián)看”的筑城思路下，冒著戰(zhàn)火修筑而成的牢固宋代城墻，擋住了蒙古鐵騎數(shù)十年的進(jìn)攻。數(shù)百年歲月過(guò)去，當(dāng)時(shí)牢不可破的宋代城墻一度消失在了歷史的車輪下，讓人無(wú)處尋蹤。在考古專家堅(jiān)持試掘過(guò)程中，主城首段宋代古城墻的遺址現(xiàn)身朝天門(mén)的嘉陵江邊。

在試掘現(xiàn)場(chǎng)，不僅發(fā)現(xiàn)了明代戴鼎所筑的明城墻，還首次發(fā)現(xiàn)了南宋時(shí)期彭大雅所筑的宋城墻。宋代城墻的墻寬約10 m，采用的是內(nèi)部夯土夯筑，外部包裹巨石的方式砌筑而成。在宋代城墻之外，明代城墻緊貼而筑，明代城墻比宋代城墻更高更寬，它完全將宋代城墻包裹在了自己的“身體”之中。

古城墻其中一段穿過(guò)本項(xiàng)目深基坑，與地下室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了沖突。經(jīng)考古專家分析研究確定，此段古城墻不能拆除，應(yīng)保護(hù)起來(lái)。考慮到古城墻建筑的文化重要性，在地下室施工過(guò)程中如何保護(hù)古城墻的完整性，是必須解決的問(wèn)題。為解決這一難題，決定運(yùn)用BIM與三維激光掃描技術(shù)建立地下室結(jié)構(gòu)與古城墻的綜合模型，對(duì)比其沖突關(guān)系，從而找到合理的施工方案。

2　BIM與三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用

傳統(tǒng)的測(cè)量方法一般是在古建筑外部搭設(shè)腳手架，然后利用皮尺、紙筆、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等工具來(lái)進(jìn)行古建筑測(cè)繪工作。由于這種方法工作量巨大，不便于精確細(xì)致的測(cè)繪古建筑的每個(gè)細(xì)節(jié)部分，而且效率較低，采集的數(shù)據(jù)精度低，并不能精確、直觀反映出古城墻和地下室結(jié)構(gòu)的關(guān)系，這給施工方制定施工方案帶來(lái)了很大的困難。

于是項(xiàng)目部決定運(yùn)用BIM和三維激光掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行逆向建模分析，利用三維激光掃描儀對(duì)物體進(jìn)行非接觸式測(cè)量，得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是一種可以精確表達(dá)物體表面三維特性和物體空間位置的集合文件。通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立新的BIM模型，配準(zhǔn)到原施工建筑模型，對(duì)比沖突區(qū)域，找到合理的施工方案。

3　BIM與三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用流程

3.1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘

掃描前到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地踏勘，踏勘過(guò)程中查看已有控制點(diǎn)的位置(圖1)。根據(jù)古城墻的空間分布和形態(tài)，為確保掃描精度，需要兩個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行掃描，掃描站點(diǎn)位置如圖2～圖4所示。

圖1　已有控制點(diǎn)的位置

圖2　測(cè)站點(diǎn)位置1站點(diǎn)

圖3　測(cè)站點(diǎn)位置2站點(diǎn)

圖4　測(cè)站點(diǎn)位置

3.2獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)地勘察結(jié)果，在選好的位置架設(shè)掃描儀、布置標(biāo)靶等，設(shè)定掃描儀的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行掃描。選用天寶公司的三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。三維激光掃描儀精度較高，測(cè)速快、穩(wěn)定性好，它完成一個(gè)全景(360°水平)的高精度掃描,激光安全等級(jí)高，能夠滿足應(yīng)用要求[1]。對(duì)應(yīng)掃描對(duì)象，設(shè)置可控制整體場(chǎng)景的標(biāo)靶，在360°環(huán)境使用1個(gè)標(biāo)靶，然后分別在兩站對(duì)古城墻像進(jìn)行三維激光掃描。

3.3數(shù)據(jù)處理與點(diǎn)云配準(zhǔn)

把三維激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，當(dāng)建筑物數(shù)字化為大量離散的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，在此基礎(chǔ)上來(lái)構(gòu)造建筑物的三維模型。通過(guò)該點(diǎn)云模型提取建筑物邊界點(diǎn)、特征線、高度等信息，為三維建模提供精確的幾何信息[2]，如圖5～圖7所示。采用Revit Architecture進(jìn)行建模，再通過(guò)模型配準(zhǔn)點(diǎn)云，查看建模是否準(zhǔn)確。通過(guò)得出的精確模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，重新制定合理的施工方案，在避免破壞文物的同時(shí)不耽誤現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖5　三維激光掃描儀圖片

圖6　BIM環(huán)境下的古城及現(xiàn)場(chǎng)模型

圖7　點(diǎn)云和BIM配準(zhǔn)模型

4　提出結(jié)構(gòu)修改方案

通過(guò)已有模型數(shù)據(jù)分析，為了不破壞古城墻遺址，建議業(yè)主修改結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)方案如圖8所示。

圖8　結(jié)構(gòu)修改方案

5　結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，舊城改造的步伐也越來(lái)越快，在舊建筑物拆除的基礎(chǔ)上新建的工程也越來(lái)越多，很有可能會(huì)碰到擬建建筑物旁邊有需要保護(hù)的古建筑的情況。本工程在古建筑物的保護(hù)措施中，既有設(shè)計(jì)階段采取的措施，也有施工、監(jiān)測(cè)所采取的措施，可供類似工程參考。

施工工程中，很難在各個(gè)不同的項(xiàng)目組之間以及復(fù)雜的全工程范圍內(nèi)進(jìn)行溝通交流。建筑信息模型(BIM)技術(shù)目前在3D建筑模型中能夠被賦予諸如進(jìn)度、投資等信息，形成4D乃至5D的BIM模型，使得建筑圖紙更加直觀，對(duì)于各個(gè)項(xiàng)目組之間的協(xié)調(diào)工作特別關(guān)鍵。但是在工程實(shí)施階段，如何能夠?qū)IM模型應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)管理和推進(jìn)，就需要有效的手段作為輔助。基于此背景，采用三維掃描技術(shù)作為有效連接BIM模型和工程現(xiàn)場(chǎng)的紐帶，它能夠有效地、完整地記錄下工程現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的情況。

5.1掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

掃描技術(shù)對(duì)于工程現(xiàn)場(chǎng)最大的好處在于優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)人員主要以鋼尺、傳統(tǒng)圖紙作業(yè)這種繁瑣的工作方式。

(1)精簡(jiǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作只需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行掃描工作，對(duì)比偏差與測(cè)量工作可在后臺(tái)完成。

(2)方便監(jiān)理人員在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量復(fù)核工作，可利用像素測(cè)量、點(diǎn)云測(cè)量技術(shù)完成一些費(fèi)力、高危險(xiǎn)部位的測(cè)量復(fù)核。

(3)減少監(jiān)理人員的監(jiān)督工作量，可以直接在圖像上標(biāo)示，而無(wú)需再進(jìn)行紙上記錄；也可直接得到掃描結(jié)果與設(shè)計(jì)模型的偏差，而無(wú)需先測(cè)量、后對(duì)照?qǐng)D紙、最后確認(rèn)偏差。

(4)完善各方人員的溝通，可以直接利用直觀的圖像、視頻甚至轉(zhuǎn)換后的模型與施工方進(jìn)行溝通。

5.2掃描技術(shù)存在的問(wèn)題及改進(jìn)

作為新技術(shù)，三維激光掃描儀也存在很多問(wèn)題，比如如何全面檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)三維激光掃描儀測(cè)量精度，軟件對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理速度較慢，對(duì)作業(yè)人員要求較高及設(shè)備費(fèi)用太高等。

三維激光掃描儀今后的研究和發(fā)展應(yīng)該主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

(1)進(jìn)一步改進(jìn)硬件，使激光掃描儀有更高的測(cè)量精度、更快采樣速度以及低廉的價(jià)格，同時(shí)還具備全站儀的部分功能(如整平、定向、單次測(cè)量等)，使其能在精密工程測(cè)量和工業(yè)測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用；

(2)與其他傳感器集成，如與攝影測(cè)量/CCD的集成，與動(dòng)態(tài)測(cè)量車的集成等，相互利用其優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，提高工作效率；

(3)進(jìn)一步完善和開(kāi)發(fā)后處理軟件，使處理的數(shù)據(jù)量更大、數(shù)據(jù)處理的速度更快，軟件操作更容易。

三維建模要達(dá)到逼真的視覺(jué)效果,還需要有良好的紋理粘貼,如何有效的融合曲面模型和紋理數(shù)據(jù),是值得研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。將三維激光掃描技術(shù)擴(kuò)展到其他更多領(lǐng)域,如考古、建筑、城市規(guī)劃等方面,與傳統(tǒng)方法取長(zhǎng)補(bǔ)短,在各個(gè)領(lǐng)域得到更加有效應(yīng)用,需要對(duì)三維激光掃描技術(shù)的意義和作用作更深入的研究[3]。

[1]何關(guān)培.BIM 總論[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2011.

[2]吳吉名.建筑信息模型系統(tǒng)(BIM)的本土化測(cè)量研究[D].北京:清華大學(xué)，2011.

[3]李德超，張瑞芝.BIM 技術(shù)在數(shù)字城市三維建模中的應(yīng)用研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2012(3).

王飛(1976～)，男，碩士，經(jīng)濟(jì)師，從事地產(chǎn)項(xiàng)目策劃、設(shè)計(jì)、工程管理工作；鄭驚(1982～)，男，大學(xué)本科，工程師，從事規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

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[定稿日期]2016-05-07