冉 東,劉國棟,黃 恒,鐘賢楊,廖建兵
(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074;2. 中國五冶集團(tuán),四川 成都 610063)
近幾年來隨著建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加,傳統(tǒng)全站儀測量檢測方式已不能夠滿足施工要求,而三維激光掃描與BIM模型相結(jié)合的新技術(shù)在建筑模型重構(gòu)、質(zhì)量檢測中應(yīng)用越來越廣泛。許多學(xué)者對三維激光掃描與BIM相結(jié)合的研究大致可分為BIM模型重構(gòu)、碰撞檢測以及對比分析。首先是基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的模型重構(gòu),運(yùn)用三維激光掃描儀,采用測站、公共點(diǎn)以及標(biāo)靶的方法獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),采用Cyclone、Revit、Geomagic Studio等軟件實(shí)現(xiàn)BIM模型重構(gòu)[1-3]。其次是碰撞檢測,運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),結(jié)合原始BIM模型做BIM與BIM模型碰撞或BIM與點(diǎn)云數(shù)據(jù)碰撞,廣泛應(yīng)用于建筑施工以及文物保護(hù)中,如上海世貿(mào)深坑酒店爆破施工以及重慶古城墻保護(hù)等[4-5]。最后是對比分析,運(yùn)用Revit、Geomagic Control、Cyclone、PCL等軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM模型、BIM與BIM模型之間的匹配以及對比,分析施工以及生產(chǎn)過程中存在的問題,比如施工監(jiān)測、建筑構(gòu)件生產(chǎn)以及土壤侵蝕監(jiān)測等方面[6-8]。
雖然對于三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合的施工結(jié)果檢測研究已有許多,但仍然存在許多不足:首先對于異常部位的檢測只停留在視覺上,沒有實(shí)現(xiàn)異常部位提取;其次沒有在空間層面上實(shí)現(xiàn)分類分級可視化顯示和統(tǒng)計(jì)分析。本文研究結(jié)合徠卡MS60全站掃描儀以及Infinity、Cyclone、3Dmax、AutoCAD、ArcGIS等軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與拼接、模型構(gòu)建與配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理以及異常部位提取和可視化顯示,有效發(fā)現(xiàn)異形建筑樓層輪廓存在的問題。
三維激光掃描也稱為激光雷達(dá)掃描,是近幾年出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù),能夠快速、直接、高精度的采集測量對象的三維信息[9]。三維激光掃描測量分為測距和測角兩個(gè)部分:從三維激光掃描儀中心到被掃描物點(diǎn)K的距離S,主要通過激光往返時(shí)間差或者相位差得到,再利用編碼的方式獲得每個(gè)激光信號發(fā)射瞬間的橫向角度α,以及縱向掃描β,然后根據(jù)距離S和掃描角度α、β得到被掃描物點(diǎn)的空間信息,計(jì)算公式見式(1),示意圖如圖1所示。
圖1 三維激光掃描示意圖Fig.1 3D laser scanning measurement diagram
三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方式有3種,分別是基于測站+后視點(diǎn)的方式,基于標(biāo)靶的數(shù)據(jù)采集方式以及基于重疊度的自動(dòng)拼接采集方式[10]。其中基于標(biāo)靶的采集方式精度最高,但難度最大?;跍y站與后視點(diǎn)的次之,基于重疊度的采集方式精度最低。本文研究所采用的儀器為徠卡MS60全站掃描儀,0.6 mm高精度掃描,對于內(nèi)業(yè)拼接要求不高,因此本文研究采用基于測站+后視點(diǎn)方式獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),為保證精度,在采集數(shù)據(jù)前需在掃描對象周圍布設(shè)控制網(wǎng)。
MS60掃描得到的SDB數(shù)據(jù)格式無法直接做數(shù)據(jù)處理,需要運(yùn)用Infinity軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為PTS格式以及完成數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和拼接。轉(zhuǎn)換過后的PTS格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入徠卡Cyclone軟件進(jìn)行三維建模,在建模之前需要對掃描的數(shù)據(jù)運(yùn)用Merge命令做合并處理。運(yùn)用Cyclone軟件可以構(gòu)建的三維模型有四面立體模型、圓柱以及圓錐,運(yùn)用Cyclone軟件構(gòu)建此三類模型比較方便快捷。四面體模型通常需要參考面輔助,如構(gòu)建梁的模型,首先是將參考面設(shè)置在梁底,根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)勾勒梁底輪廓,然后根據(jù)梁高構(gòu)建梁的三維模型。對于圓柱通常是運(yùn)用Cyclone軟件中Region grow工具下的Cylinder命令,直接形成圓柱。最后是圓錐模型的構(gòu)建,通常采用Region grow工具下的Pipe run命令構(gòu)建圓錐模型。
3.1.1布爾差集運(yùn)算
布爾差集運(yùn)算實(shí)際就是將交集的部分去掉,保留不相交的部分。比如I?O 且I?P,那么O與P的差集運(yùn)算結(jié)果為O?I或者P?I,這取決于O、P誰是“減數(shù)”誰是“被減數(shù)”。如圖2所示,兩個(gè)閉合多邊形ABCD和EFGH,采用的運(yùn)算規(guī)則是與非,也就是交集取反。如圖2中的FGHEJCI為圖形ABCD與圖形EFGH做差集運(yùn)算得到的結(jié)果,其中圖形EFGH作為“被減數(shù)”,圖形ABCD為“減數(shù)”。
圖2 布爾差集運(yùn)算Fig. 2 Boolean difference operation
3.1.2 布爾并集運(yùn)算
布爾并集運(yùn)算就是將兩個(gè)集合中交叉部分去除,保留不交叉部分。比如T?S且T?R,那么R∪S=R+S-T。在實(shí)際運(yùn)算過程中,布爾并集運(yùn)算有兩種情況,兩個(gè)集合有交集或者沒有交集,如圖3所示,圖形ABCD與EFGH為兩個(gè)圖形,那么圖形的布爾并集運(yùn)算也就是將兩個(gè)圖形合并為一個(gè)整體。圖形ABCD和EFGH有交集,那么這兩個(gè)圖形的并集運(yùn)算要將重疊部分減去,最后得到合并圖形ABIFGHEJD。
圖3 布爾并集運(yùn)算Fig. 3 Boolean union operation
3.1.3 布爾交集運(yùn)算
布爾交集運(yùn)算屬于邏輯運(yùn)算,如L?M、L?N,那么L為M與N的交集,如圖4所示,兩個(gè)閉合的圖形ABCD和EFGH,可以發(fā)現(xiàn)IJC既屬于ABCD又屬于EFGH,那么IJC為ABCD和EFGH的交集,AutoCAD中的布爾交集運(yùn)算也與圖4相同,交集運(yùn)算得到的結(jié)果可以用于重疊分析等。
圖4 布爾交集運(yùn)算Fig. 4 Boolean intersection operation
AutoCAD是基于Autodesk平臺的一款功能比較齊全的軟件,2012版以后可以實(shí)現(xiàn)三維建模以及三維模型處理。論文研究將采用陣列以及布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)異常部位提取,提取主要包含以下幾個(gè)步驟:
1)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式,為了能夠在AutoCAD平臺上實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換,必須對BIM模型以及點(diǎn)云重構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,Revit軟件和Cyclone軟件都能夠?qū)崿F(xiàn)DXF交互數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,而DXF數(shù)據(jù)格式也是AutoCAD軟件比較常用的數(shù)據(jù)格式。
2)模型實(shí)體化,通過Cyclone以及Revit導(dǎo)入到AutoCAD平臺中的三維模型均不是實(shí)體模型,雖然可以做常規(guī)編輯,但是不能夠做布爾運(yùn)算。模型實(shí)體化有兩種方式,其一是針對線框模型,若是線框模型可以根據(jù)三維工具中的概念化命令實(shí)現(xiàn)線框模型轉(zhuǎn)實(shí)體模型。其二是視覺上是實(shí)體模型,但是無法做布爾運(yùn)算,對于此類模型需要根據(jù)原始模型在AutoCAD中進(jìn)行二次建模。
3)模型配準(zhǔn),主要針對原始BIM模型與重構(gòu)模型之間的配準(zhǔn),原始BIM模型中具備設(shè)計(jì)控制點(diǎn),因此實(shí)測控制點(diǎn)的精度以及配準(zhǔn)精度決定異常部位提取的精度,由于配準(zhǔn)在三維空間,必須保證平面配準(zhǔn)以及高程配準(zhǔn)精度,因此配準(zhǔn)難度較大。
4)布爾運(yùn)算,在布爾運(yùn)算過程中所參與運(yùn)算的模型單元越多,所耗費(fèi)的時(shí)間越多,因此為了保證布爾運(yùn)算的效率以及準(zhǔn)確率,在做布爾差集運(yùn)算之前,需對原始BIM實(shí)體模型和點(diǎn)云重構(gòu)實(shí)體模型分別做布爾并集運(yùn)算,使兩種實(shí)體模型均為獨(dú)立整體模型,然后再對兩種實(shí)體模型做布爾差集運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果即為需要提取的建筑物異常部位。
5)模型分割及截面提取,通過布爾運(yùn)算得到異常部位還不能夠做可視化顯示,無法細(xì)微顯示超限情況。模型分割的目的是將提取的異常部位分割為截面寬度相等的小模型,而小模型之間的距離根據(jù)實(shí)際限差確定。模型分割需要構(gòu)建一個(gè)新的長方體模型,該模型橫截面寬度一定,橫截面長度覆蓋分割區(qū)域,模型高度應(yīng)當(dāng)大于被分割模型且縱向截面應(yīng)當(dāng)包含被分割模型縱向截面。為了確保分割后小模型的準(zhǔn)確度,新創(chuàng)建的長方體模型必須與被分割模型的各個(gè)部位平行。然后根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類別,通過與長方體高度方向垂直的面域做布爾交集運(yùn)算便可提取分割模型橫截面。
ArcGIS軟件功能比較多,常應(yīng)用于空間分析,比如坡度分析等。在對點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)常常運(yùn)用符號系統(tǒng)進(jìn)行分類分級顯示,對處理過后的分割小模型截面可視化顯示主要通過以下幾個(gè)步驟:
1)格式轉(zhuǎn)換,一般情況下ArcGIS可以直接導(dǎo)入DWG格式文件,但是通過布爾運(yùn)算提取得到的結(jié)果處于三維空間中,通過實(shí)驗(yàn)論證發(fā)現(xiàn)得到DWG和DXF格式文件的模型截面導(dǎo)入到ArcMAP中無法顯示和編輯,需要過度軟件3Dmax將三維空間的模型截面DWG格式文件轉(zhuǎn)為二維空間DWG格式文件,然后導(dǎo)入ArcMap便可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和編輯。
2)異常部位超出限差部分提取,在提取數(shù)據(jù)之前需要運(yùn)用屬性表中的計(jì)算幾何命令對小模型截面積進(jìn)行計(jì)算,然后根據(jù)閾值也就是限差值通過屬性選擇方法選取超出限差部分的小模型截面,然后另存為新的shp格式文件,則完成建筑輪廓超出限差部分的提取。
3)分類分級可視化顯示以及統(tǒng)計(jì)分析,由于提取的異常部位不一定完全屬于同一類建筑結(jié)構(gòu),因此在分級顯示前需要對其分類,然后采用ArcMap屬性中的符號系統(tǒng)命令對超限嚴(yán)重情況進(jìn)行分級,并以顏色和符號區(qū)分。為了在數(shù)值上反應(yīng)超限情況,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)直方圖的方法顯示各超限區(qū)間的比例。
論文研究依托于中國五冶集團(tuán)承建的重慶市渝北區(qū)仙桃數(shù)據(jù)谷二期工程,項(xiàng)目包含6棟異形結(jié)構(gòu)建筑。異形建筑結(jié)構(gòu)比較特殊,運(yùn)用全站儀測得數(shù)據(jù)只能測得樓層底板弦子的輪廓線,對于外挑50 mm高150 mm外挑弦子以外部分運(yùn)用全站儀無法測得。因此引入三維激光掃描技術(shù)獲取樓層輪廓信息,實(shí)驗(yàn)采用徠卡MS60高精度全站掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),在掃描對象6號樓四周布設(shè)5個(gè)控制點(diǎn)用于架設(shè)測站,通過計(jì)算得到高差閉合差為7.3 mm,坐標(biāo)閉合差 x=26.3 mm、y=1 mm,均未超過限差,控制成果數(shù)據(jù)見表1。
表1 控制點(diǎn)數(shù)據(jù)Tab.1 Control Point data
在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程中,根據(jù)MS60的特點(diǎn),斜距越大、間距越小,掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度越大,為了確保點(diǎn)密度,將掃描間距參數(shù)在橫向和縱向上都設(shè)為1 mm,最后得到該樓層的點(diǎn)云數(shù)據(jù)總數(shù)為300 000個(gè),滿足建模要求,截取6號樓2層底板點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。由于論文研究是提取樓層輪廓的異常部位,因此在建模時(shí)就沒有考慮梁等結(jié)構(gòu),將底板上下面都建模成平面,模型如圖6所示。
圖5 二層底板點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig. 5 The second fl oor point cloud data
圖6 二層底板模型Fig.6 The second fl oor model
4.2.1 配準(zhǔn)及異常部位提取
配準(zhǔn)之前將模型實(shí)體化,原始BIM模型是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)贏utoCAD中構(gòu)建,因此只需要將框架模型通過概念化轉(zhuǎn)為實(shí)體模型,而由Cyclone創(chuàng)建的點(diǎn)云模型導(dǎo)入AutoCAD后根據(jù)其輪廓進(jìn)行二次建模。模型實(shí)體化后根據(jù)采集的3個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)fk1(1 045.371 6,1 038.024 2)、fk2(1 027.237 8,1 036.454 6)、fk3(1 046.593 7,1 023.869 7),以及6號樓2層設(shè)計(jì)坐標(biāo)在三維空間中進(jìn)行配準(zhǔn),其中配準(zhǔn)精度為1 mm。配準(zhǔn)后運(yùn)用布爾運(yùn)算提取樓層輪廓異常部分,提取結(jié)果如圖7所示。
圖7 異常部位提取結(jié)果Fig.7 Abnormal part position extraction result
4.2.2 模型分割及截面提取
通過布爾運(yùn)算得到的異常部位模型整體高度800 mm,根據(jù)10 mm限差值構(gòu)建一個(gè)高800 mm、寬1 mm的模型,然后對新構(gòu)模型根據(jù)平行原則采用矩形陣列和環(huán)形陣列與異常部位模型做交集運(yùn)算,將異常部位模型分割為46 322小模型。然后在三維空間中構(gòu)建一個(gè)垂直且包含異常部位模型的實(shí)體模型,該模型厚度為零,再根據(jù)樓層輪廓外部結(jié)構(gòu)分別提取分割小模型的橫截面,由于寬度為1 mm,因此得到的截面面積即為超出限差的值。
4.2.3 ArcGIS可視化顯示
根據(jù)幕墻安裝施工要求,澆筑后樓層輪廓不得超出設(shè)計(jì)的10 mm,超出部分需要整改。根據(jù)樓層輪廓結(jié)構(gòu)特征,將提取結(jié)果分為3類,分別對其進(jìn)行分級顯示。運(yùn)用ArcMap屬性選擇功能提取超出限差部分,然后運(yùn)用符號系統(tǒng)工具將截面根據(jù)面積大小分為11 mm~23.25 mm、23.25 mm~35.5 mm、35.5 mm~47.75 mm、47.75 mm~60 mm共4個(gè)等級,所對應(yīng)分級顏色依次為青色、藍(lán)色、黃色、紅色,紅色超出限值最嚴(yán)重,青色超出限差最緩,后續(xù)施工根據(jù)分類、分級結(jié)果進(jìn)行修整,可視化結(jié)果如圖8所示。
圖8 提取結(jié)果可視化顯示Fig.8 Visual display of extraction results
樓層輪廓異常部位提取精度主要由建模精度和配準(zhǔn)確定,通過實(shí)驗(yàn)論證模型構(gòu)建精度為毫米級,模型配準(zhǔn)精度為2 mm,相對于10 mm限差完全滿足精度要求。如圖9所示,通過對提取結(jié)果統(tǒng)計(jì)直方圖分析發(fā)現(xiàn),超過10 mm限差的模型橫截面總個(gè)數(shù)為22 095,誤差值在10 mm~35.5 mm區(qū)間內(nèi)所占比例為87.513%,在35.5 mm~60 mm區(qū)間內(nèi)所占比例為12.487%,根據(jù)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)混凝土澆筑整體效果較好,超過35.5 mm部分所占比例較少,因此建筑樓層輪廓后期整改難度較小。
圖9 檢測結(jié)果直方圖Fig.9 Detection result histogram
在異形建筑施工過程中,盡管有精確的施工放樣工序和施工工藝,仍然不能確保所有施工結(jié)果都滿足BIM模型的設(shè)計(jì)要求,所以對異形建筑輪廓的施工結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量檢測與控制顯得非常關(guān)鍵。由于受測量條件以及異形建筑結(jié)構(gòu)影響,傳統(tǒng)全站儀測量方法不能夠準(zhǔn)確獲得建筑輪廓信息,論文提出利用三維掃描技術(shù)對施工樓層輪廓進(jìn)行掃描建模,與BIM模型集成,再采用布爾算法實(shí)現(xiàn)建筑樓層異常部位的提取,最后利用GIS可視化技術(shù)進(jìn)行異常部位的分級直觀展示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
1)在復(fù)雜異形建筑的施工階段,將三維激光掃描與BIM模型進(jìn)行集成可作為施工現(xiàn)場管理的有效技術(shù)輔助手段。三維激光掃描與BIM模型的集成是指對BIM模型和對應(yīng)的三維掃描模型,進(jìn)行模型對比或參照,從而達(dá)到輔助快速建模、工程質(zhì)量檢查、工程驗(yàn)收等目的。三維激光掃描技術(shù)可以高效、完整地記錄施工現(xiàn)場的復(fù)雜情況,便于與設(shè)計(jì)BIM模型進(jìn)行對比;BIM模型是一個(gè)完備的信息模型,能夠?qū)⒐こ添?xiàng)目在全生命周期中各個(gè)不同階段的工程信息、過程和資源集成在一個(gè)模型中,方便地被工程各參與方使用,其相關(guān)技術(shù)極大地促進(jìn)了建筑施工行業(yè)的信息化發(fā)展步伐,使得建筑行業(yè)的全生命周期更加集成化,更好地提高工程質(zhì)量和效率。因此,三維激光掃描技術(shù)是連接BIM模型和工程施工管理現(xiàn)場的有效紐帶。
2)利用MS60三維激光掃描儀不僅保證數(shù)據(jù)采集精度為2 mm,而且還能夠不受環(huán)境因素影響獲得異形建筑輪廓所有信息,再應(yīng)用控制點(diǎn)配準(zhǔn)方式提高位置配準(zhǔn)精度,采用布爾算法實(shí)現(xiàn)建筑樓層輪廓異常部位提取。因此在異形建筑施工結(jié)果檢測中,BIM與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合提取樓層輪廓的方法相比傳統(tǒng)運(yùn)用全站儀采集建筑輪廓信息準(zhǔn)確性更高。
3)用三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù),在室內(nèi)快速建模以及建筑輪廓異常值提取,可以節(jié)省大量數(shù)據(jù)采集時(shí)間,提高了建筑施工結(jié)果檢測效率。BIM模型與點(diǎn)云重構(gòu)模型相結(jié)合提取建筑異常部位方法還可應(yīng)用于其他建筑結(jié)構(gòu)檢測,比如墻的垂直度、柱子傾斜度檢測。
在項(xiàng)目施工管理中,三維激光掃描技術(shù)與BIM模型的集成在一定程度上幫助實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的BIM,推動(dòng)BIM技術(shù)從設(shè)計(jì)階段向施工階段延伸,實(shí)現(xiàn)了BIM模型在施工階段的應(yīng)用價(jià)值,但也存在一定的問題,如缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)入到BIM模型的數(shù)據(jù)存在誤差。