三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在既有地下人防工程BIM模型重建中的應(yīng)用

苗亞哲，李勝波，鄧安仲，樂 觀，戴作球

(1. 中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系，重慶 401311; 2. 中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院國家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心，重慶 401311)

國家住建部發(fā)布的《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中明確指出建筑業(yè)信息化是建筑業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，并提出到2020年末在大中型建筑、綠色生態(tài)小區(qū)等新立項(xiàng)項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)BIM集成應(yīng)用的比率達(dá)到90%。以BIM技術(shù)為代表的信息化技術(shù)正在建設(shè)工程的各個領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響力[1]。當(dāng)前，影響B(tài)IM技術(shù)深度發(fā)展應(yīng)用的一個重要問題在于缺乏BIM模型重建的有效方法[2]，通過CAD圖紙翻模創(chuàng)建BIM模型的方法效率低下，作業(yè)量大，特別是面對老舊建筑改造項(xiàng)目缺乏圖紙或既有建筑與竣工圖偏差較大的實(shí)際情況時，BIM模型的重建將給工程人員帶來巨大挑戰(zhàn)[3]。

三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用給BIM模型重建帶來了新的解決方案[4-5]，三維激光掃描技術(shù)通過高速掃描采集目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將空間物體的立體幾何信息、表面紋理信息進(jìn)行儲存，能夠精準(zhǔn)直觀地反映目標(biāo)物體的現(xiàn)狀，具有精度高、面積廣、密度強(qiáng)的特點(diǎn)[6]，為建立物體的三維實(shí)體模型提供了一種全新的技術(shù)手段[7-8]。本文以重慶市某地下人防工程為例，研究三維激光掃描點(diǎn)云在地下人防工程BIM模型重建中的應(yīng)用。

1 工程概況及方案設(shè)計(jì)

該地下人防工程位于重慶市某綜合大廈地下，共包括兩層，平時作為大廈配套停車場使用，戰(zhàn)時作為疏散防空避難場所，具有平戰(zhàn)雙重功能。工程內(nèi)部配套完善的停車場區(qū)、監(jiān)控中心、柴油發(fā)電機(jī)房、消防泵房、應(yīng)急物資倉庫等，以及相應(yīng)的水電風(fēng)暖管線設(shè)施。作為建模研究對象而言，其內(nèi)部空間復(fù)雜，設(shè)施設(shè)備種類多樣，既包括常見的土建結(jié)構(gòu)，也包含機(jī)電管線設(shè)備，選取其作為BIM模型重建的研究對象具有典型代表意義。整體方案設(shè)計(jì)主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、BIM模型重建，主要實(shí)施流程如圖1所示。

2 海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理主要包括以下幾個步驟：場地踏勘、站點(diǎn)及標(biāo)靶布設(shè)、掃描實(shí)施、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等[9]。根據(jù)工程實(shí)際，作為項(xiàng)目試驗(yàn)研究并提高后期建模效率，選取該人防工程位于負(fù)二層的主要設(shè)備間及周邊空間作為獨(dú)立區(qū)域進(jìn)行掃描試驗(yàn)及建模研究對象。

2.1 踏勘場地及布設(shè)站點(diǎn)

本文選取FARO Laser Scanner Focus3DX330三維激光掃描設(shè)備作為本工程試驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備基于相位式測距原理設(shè)計(jì)，其掃描測程最遠(yuǎn)可達(dá)330 m，掃描精度±2 mm，每秒可獲取97萬個點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的精度并提高預(yù)處理效率，需要提前對掃描現(xiàn)場進(jìn)行踏勘。

踏勘過程中主要任務(wù)是查看現(xiàn)場場景大小、復(fù)雜程度，結(jié)合作業(yè)精度要求確定掃描路線，站點(diǎn)、靶標(biāo)布設(shè)位置，掃描精度及分辨率[10]。其中，靶標(biāo)布設(shè)主要考慮復(fù)雜點(diǎn)位處的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，為保證轉(zhuǎn)換精度，公共點(diǎn)一般采用特制的球面(形)標(biāo)志，將其固定在具體的掃描部位上。在布置靶標(biāo)時應(yīng)注意，要能夠保證被良好識別，不被物體遮擋且標(biāo)靶不得布設(shè)于一條直線上，同時保持標(biāo)靶的穩(wěn)定性和一定的高度差。為滿足點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接要求，要求相鄰測站至少有3個公共點(diǎn)重合。

2.2 掃描作業(yè)實(shí)施

掃描作業(yè)實(shí)施應(yīng)當(dāng)依據(jù)現(xiàn)場踏勘及作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行，按照次序依次架站，標(biāo)靶球布設(shè)應(yīng)保證對前后測站的通視性，相鄰測站要求保證30%以上重疊度且相互距離控制在10～15 m，設(shè)置掃描精度2 mm，在掃描作業(yè)同時利用掃描設(shè)備一體化集成的高分辨率相機(jī)同步采集現(xiàn)場目標(biāo)全景影像。掃描完成后檢查掃描數(shù)據(jù)的完整性及質(zhì)量精度，做好觀測記錄，對不合格測站進(jìn)行補(bǔ)測。

2.3 點(diǎn)云配準(zhǔn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、濾波、去噪、模型生成等關(guān)鍵環(huán)節(jié)[11]。本文采用FARO公司配套的SCENE軟件作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺，通過導(dǎo)入前期外業(yè)作業(yè)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成符合后期BIM應(yīng)用的點(diǎn)云模型文件。

實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云拼接的主要方法有基于靶標(biāo)拼接的方法、基于點(diǎn)云的拼接、基于控制點(diǎn)的拼接3種方法[12]。對于地下工程而言，因其無法應(yīng)用GPS信號進(jìn)行精確定位，因此本文采用設(shè)置靶標(biāo)球點(diǎn)的方法與基于點(diǎn)云的拼接方法結(jié)合進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)。如圖2所示，對于公共特征點(diǎn)明顯、重疊區(qū)域清晰的部分，直接基于測站點(diǎn)點(diǎn)云進(jìn)行拼接，對于公共區(qū)域重疊度少的部位，采用靶標(biāo)球點(diǎn)輔助實(shí)現(xiàn)拼接[13]。

2.4 點(diǎn)云濾波及真彩色點(diǎn)云輸出

點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差的主要來源有被掃描對象表面因素產(chǎn)生的誤差、偶然噪聲點(diǎn)、測量系統(tǒng)本身誤差等[14]，誤差點(diǎn)的存在將影響后期三維模型重建的精度與質(zhì)量[15]。本研究案例中，在SCENE軟件中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波主要是通過可視化交互方法去除外界噪聲及明顯離群點(diǎn)噪聲，再通過軟件進(jìn)行抽稀去噪，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的進(jìn)一步精簡。圖3所示為離群點(diǎn)冗余數(shù)據(jù)去除前后對比。

完成單子集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、去噪操作后，還需要進(jìn)一步將全部子單元數(shù)據(jù)進(jìn)行合并拼接，以保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整重現(xiàn)，同時對點(diǎn)云拼接及處理精度進(jìn)行檢查。本案例中經(jīng)檢查，點(diǎn)云拼接平均精度為1.417 5 mm，設(shè)置點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀比值為1∶1，并將掃描時同步拍攝的彩色照片作為材質(zhì)賦給點(diǎn)云模型，如圖4所示，完成貼圖操作后最終生成E57格式的完整點(diǎn)云模型文件。

3 基于Revit的BIM模型重建

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)完成BIM模型重建的主要工作在Autodesk Revit中完成。Autodesk Revit作為常見的BIM設(shè)計(jì)建模應(yīng)用平臺，在BIM領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，同時其還支持RCP，RCS點(diǎn)云工程文件及其他(LAS、E57、FLS、OBJ、ASC)點(diǎn)云源格式的讀取瀏覽操作。本研究案例中先將預(yù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型在Autodesk Recap軟件中打開，檢查瀏覽點(diǎn)云模型的預(yù)處理效果，并將其轉(zhuǎn)換生成RCP項(xiàng)目文件，導(dǎo)入Revit中。

3.1 不同目標(biāo)類型的BIM模型重建

地下人防工程中的建筑構(gòu)造及設(shè)施設(shè)備可以粗略地劃分為土建設(shè)施單元和機(jī)電設(shè)施單元，其中土建單元主要包括墻體、柱、樓梯、防護(hù)門、通風(fēng)口等內(nèi)容，機(jī)電設(shè)施單元主要包括給排水、空調(diào)通風(fēng)、電氣、消防等。根據(jù)建模對象幾何形狀和功能特征的差異性，主要基于以下3種方法完成模型重建。

(1) 線型類對象建模。墻體結(jié)構(gòu)、管線設(shè)施作為地下工程中最為基礎(chǔ)的構(gòu)造設(shè)施，在模型重建中應(yīng)首先被考慮，有助于模型整體的外輪廓描述和其他構(gòu)件的定位排布，同時其作為線性類對象可以按照其線條走勢實(shí)現(xiàn)線性擬合。在創(chuàng)建模型整體標(biāo)高的基礎(chǔ)上，如圖5所示，借助FARO As-Built-for-Revit點(diǎn)云輔助建模插件實(shí)現(xiàn)墻體與管線軸線識別，直接根據(jù)目標(biāo)走向定位，并且自動判別墻體厚度及管線尺寸，擬合成對應(yīng)BIM模型。

(2) 構(gòu)件連接類對象建模。在完成墻體及管線的建模后，需要進(jìn)一步對墻體、管線類模型進(jìn)行連接以形成整體模型，其中最主要的內(nèi)容包括管線設(shè)施的連接，主要包括彎頭、三通、截止閥、離心泵等連接構(gòu)件及設(shè)備的創(chuàng)建及置入。如圖6所示，在創(chuàng)建時比對現(xiàn)場點(diǎn)云從族庫中載入對應(yīng)模型，結(jié)合墻體構(gòu)造，管線設(shè)施走向部署在對應(yīng)位置，同時要對連接件的型號、尺寸、口徑等作進(jìn)一步的校核，保證模型創(chuàng)建的準(zhǔn)確性及精度。

(3) 針對單體類對象的模型重建。在完成基礎(chǔ)連接類設(shè)施的點(diǎn)云建模后，剩余工作主要是對單體類重要目標(biāo)對象(如配電柜、通風(fēng)口、防護(hù)門)的BIM模型建模，同時包括對局部細(xì)節(jié)的修改完善及精度評價，進(jìn)行建模精度分析并作進(jìn)一步修正。重要目標(biāo)類對象建模需要依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，查看其對應(yīng)型號、規(guī)格、尺寸、構(gòu)造等信息，并創(chuàng)建與之相符的族模型，并布設(shè)在相應(yīng)的位置，如圖7所示。

3.2 BIM模型重建的精度評價

在全部模型創(chuàng)建完畢后，進(jìn)行整體模型的校核分析，通過分析管線設(shè)施及墻體構(gòu)造的建模偏差，調(diào)整管線設(shè)施及墻體構(gòu)造的位置，必要時也可以對單個目標(biāo)進(jìn)行精度分析(精度可達(dá)毫米級)。以消防泵房的管線設(shè)施為例，選取管線設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其成果包括顯示在人機(jī)交互界面的整體多色彩色譜圖及按照網(wǎng)格模型創(chuàng)建的以單體構(gòu)件為對象的精度分析數(shù)據(jù)。如圖8中所示為消防泵房管線設(shè)施的精度偏差色譜圖像，淺色或過深區(qū)間表明建模誤差超出較多，中灰區(qū)域表明偏差在合理范圍內(nèi)，同時還可以進(jìn)一步對某局部管線進(jìn)行精度更高的分析。如圖9中，對某單體DN150管線構(gòu)件的點(diǎn)云模型與BIM模型進(jìn)行精度檢測評價，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，共統(tǒng)計(jì)單元格點(diǎn)數(shù)42個，合計(jì)點(diǎn)云采樣數(shù)量485個，最大誤差值為7.363 7 mm，最小誤差值為-0.009 0 mm，平均誤差值為-1.550 1 mm，管線定位擬合的精度能夠滿足依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際完成BIM模型創(chuàng)建的需求。

3.3 BIM模型的整合輸出

按照上述方法，以消防泵房為對象進(jìn)行建模試驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)資料，該消防泵房安裝部分主要包括：①單級消防泵6臺；②立式消防專用增壓穩(wěn)壓設(shè)備；③各類管道及配套閥門，連接構(gòu)件；④配電柜及電纜、管線、照明設(shè)備等。首先創(chuàng)建墻體及管線的點(diǎn)云擬合BIM模型，依據(jù)精度色譜圖進(jìn)行修正；其次依據(jù)點(diǎn)云場景進(jìn)行閥門等連接構(gòu)件的布置；最后創(chuàng)建臺階及空間密閉門，最終完成消防泵房的BIM模型創(chuàng)建。圖10所示為本地下工程中消防泵房點(diǎn)云模型與重建的BIM模型的最終效果對比示意圖。

4 結(jié) 語

本文以地下人防工程為例，詳細(xì)闡述了基于三維激光點(diǎn)云完成BIM模型重建的過程，通過實(shí)踐證明，采用三維激光掃描設(shè)備獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有精度高、采集速度快、現(xiàn)場還原性強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理便捷等突出優(yōu)勢，能夠滿足后期BIM模型重建的各類要求。三維激光掃描技術(shù)作為當(dāng)前三維空間數(shù)據(jù)獲取的先進(jìn)手段之一，可在老舊工程改造、古建筑修繕、數(shù)字工廠建設(shè)等工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢，并在建設(shè)工程領(lǐng)域的信息化建設(shè)中充分體現(xiàn)其應(yīng)用價值。