點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM技術(shù)對既有建筑改造的應(yīng)用

余 浩，黨星海,2*，李文洲，李延盛，丁 星，項(xiàng)長生,4，賈麗奇

（1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省應(yīng)急測繪工程研究中心，甘肅 蘭州 730050；3.甘肅路橋第三公路工程有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；4.西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050；5.蘭州理工大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)作為一種新興的空間信息獲取方式，采用激光測距的方法，將激光掃描到的點(diǎn)所具有的三維坐標(biāo)等信息采集下來，并能由點(diǎn)到面記錄目標(biāo)實(shí)體表面的真實(shí)情況[1]。三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的特點(diǎn)為：①非接觸式的數(shù)據(jù)采集方式；②受時(shí)間、空間的影響較?。虎蹟?shù)據(jù)采集速率高、精度高；④數(shù)據(jù)兼容性和拓展性強(qiáng)[2]。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)在既有建筑改造中的應(yīng)用

既有建筑是工程施工前就已存在的建筑物與構(gòu)筑物的統(tǒng)稱。以古建筑為例，既有建筑往往因歷史或人為因素，導(dǎo)致建筑圖紙缺失。大量木質(zhì)結(jié)構(gòu)的使用，也使古建筑的安全性隨著使用年限的增加而 降低。

在對這類建筑進(jìn)行測量時(shí)，相較于傳統(tǒng)的測繪技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)能節(jié)約大量的人力和時(shí)間成本。分階段對既有建筑進(jìn)行掃描，準(zhǔn)確且高效的采集其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。一方面，可以對比不同時(shí)期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到既有建筑物沉降等真實(shí)情況，為結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測提供依據(jù)；另一方面，在改造過程中對既有建筑的實(shí)時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，可模擬各施工階段，作為既有建筑改造的設(shè)計(jì) 依據(jù)[3]。

2 BIM技術(shù)

2.1 BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)是一種基于三維數(shù)字信息技術(shù)，涵蓋了工程項(xiàng)目全生命周期，將各時(shí)期各類別的信息高度整合在統(tǒng)一的平臺中，應(yīng)用于工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造、管理等階段的數(shù)字化工具。相較于傳統(tǒng)的二維圖紙，BIM技術(shù)在繪制過程中能將材質(zhì)、用料、空間、結(jié)構(gòu)等二維圖紙難以表達(dá)的信息整合到模型中，生成更加直觀便利的三維信息模型，并能對模型中各組成部分進(jìn)行獲取、查詢、統(tǒng)計(jì)、修改等操作[4]。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，對模型做出任何修改都會在平臺中實(shí)時(shí)同步更新，降低了各學(xué)科各部門之間協(xié)調(diào)溝通的門檻，從而提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和項(xiàng)目進(jìn)度[5]。

2.2 三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)的結(jié)合

將三維激光掃描技術(shù)的即時(shí)數(shù)據(jù)采集與BIM技術(shù) 在三維可視化方面的優(yōu)勢相結(jié)合，能為工程項(xiàng)目建設(shè)提供一種新的可能。在目前的工程實(shí)際中，這兩種 技術(shù)可視化的交互方式以及上下級平臺的溝通方式，在以下方面有著重要的發(fā)展空間[6]：

1）資料存檔。通過三維激光掃描技術(shù)實(shí)時(shí)采集施工現(xiàn)場的真實(shí)數(shù)據(jù)，特定構(gòu)件或關(guān)鍵部位的信息采集應(yīng)準(zhǔn)確、客觀、完整，并以電子文檔形式加以保存。

2）質(zhì)量檢測。采集施工周期中各時(shí)期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并與已建立的BIM模型進(jìn)行參數(shù)對比。相較于傳統(tǒng)全站儀等測量檢測手段，該方法具有高效便捷、適用性廣、得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

3）逆向建模。在圖紙缺失或既有建筑的改擴(kuò)建工程中，通過掃描既有建筑獲得建筑各參數(shù)數(shù)據(jù)，再逆向建立BIM模型，常用于古建筑加固保護(hù)等領(lǐng)域。

4）施工模擬。在對鋼結(jié)構(gòu)等大型預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行施工前，可采用構(gòu)件數(shù)據(jù)建模的方式進(jìn)行模擬施工，以輔助解決實(shí)際施工中存在的問題。

5）輔助施工量統(tǒng)計(jì)。BIM模型中各構(gòu)件都可被賦予參數(shù)和屬性，支持對模型各組成部分的分離和整合，常用于統(tǒng)計(jì)材料用量、建筑施工量等。

3 逆向建模

在既有建筑，特別是年代久遠(yuǎn)但現(xiàn)在仍具有使用價(jià)值或文物保護(hù)價(jià)值的建筑（如醫(yī)院、圖書館、古寺等）中，或多或少都存在因圖紙保存不善、部分缺失、已經(jīng)過改造或位移等導(dǎo)致的現(xiàn)有圖紙不能表達(dá)其準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息的情況，需對其進(jìn)行重新勘測，從而得到最新詳盡的圖紙信息[7]。

在實(shí)際操作中，逆向建模通過采集和擬合點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)而建立BIM模型，相較于GPS，無需考慮GPS信號的遮擋問題，適用性大大增強(qiáng)；與傳統(tǒng)的全站儀相比，避免了測量過程中人為因素導(dǎo)致的誤差累計(jì)，同時(shí)數(shù)據(jù)獲取的速率也有顯著提高。

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

由于觀測儀器設(shè)備的自身精度等內(nèi)因以及在掃描過程中不可避免地會受自然風(fēng)、振動等外因影響，掃描場地周圍與目標(biāo)建筑無關(guān)的物體也可能會被儀器采集，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)中必然存在噪聲點(diǎn)、失真點(diǎn)和冗余數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理需過濾掉錯誤、冗余的點(diǎn)云，消除數(shù)據(jù)拼接中誤差的積累，對后續(xù)模型建立具有重要的作用。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑處理，即對數(shù)據(jù)中可能存在的隨機(jī)性誤差進(jìn)行平滑濾波處理；再利用去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立表面光滑且具有一定精度的三維模型。常用的去噪方法包括均值濾波、高斯濾波和中值濾波等。本文采用均值濾波和高斯濾波兩種方法，其中均值濾波可通過統(tǒng)計(jì)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值來代替原點(diǎn)，處理后的數(shù)據(jù)從整體來看具有較平滑的狀態(tài)；高斯濾波可濾除某指定區(qū)域內(nèi)的高頻信息，能較好地維持原數(shù)據(jù)的真貌。

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)由多個測站掃描采集，屬于多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且不同測站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系相互獨(dú)立，因此兩兩相鄰測站在掃描目標(biāo)時(shí)需設(shè)定掃描的重疊部分，并在掃描重疊處選取標(biāo)靶點(diǎn)（不少于3個），布設(shè)靶標(biāo)作為拼接的依據(jù)。對多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)統(tǒng)一，可通過軟件對處理過的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多視對齊。其配準(zhǔn)原理為：

式中，(X,Y,Z)為點(diǎn)云配準(zhǔn)處理后統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)； (x,y,z)為掃描獲得的初始點(diǎn)云坐標(biāo)；Δx、Δy、Δz分別為沿X、Y、Z軸平行正方向的平移量；α、β、γ分別為以X、Y、Z軸正方向?yàn)檩S的旋轉(zhuǎn)量[8]。

3.2 模型構(gòu)建

在逆向建模前，需確定建模目標(biāo)的軸網(wǎng)和標(biāo)高，由于本次實(shí)驗(yàn)的對象是形狀規(guī)則的建筑，因此可對其點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片分層處理，將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)切片分層后可看作不同樓層平面的二維點(diǎn)云，再根據(jù)不同樓層平面的數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)建筑墻、柱等結(jié)構(gòu)物的位置信息[9]。

基于在Revit軟件中鏈接處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，參照原圖對目標(biāo)建筑的梁、板、柱、墻體、門窗的位置進(jìn)行繪制。預(yù)先設(shè)立族庫，族作為BIM模型中的基本圖元包含了豐富的信息，以墻體的族為例，墻體可按照其屬性分為類型和功能兩大類，分別包含墻體組成、厚度、功能等子項(xiàng)。在模型繪制前，通過創(chuàng)建不同種類的族，直接放置在對應(yīng)的位置上。當(dāng)屬性結(jié)構(gòu)不同時(shí)，可先修改族中結(jié)構(gòu)物的尺寸材質(zhì)組成等信息，再利用上述途徑創(chuàng)建模型[10]。逆向建模流程如圖1所示。

圖1 逆向建模技術(shù)路線圖

4 應(yīng)用實(shí)例

本文以蘭州理工大學(xué)蘭工坪校區(qū)一號教學(xué)樓為例，探究了逆向建模輔助房屋改造的可行性。蘭州理工大學(xué)蘭工坪校區(qū)一號教學(xué)樓房屋位置較平坦，目標(biāo)建筑前后分別為圖書館前的小廣場和小花園，周圍遮擋物較少通視良好；但建筑物內(nèi)外裝修和配套設(shè)備陳舊，為適應(yīng)現(xiàn)代建筑功能和教學(xué)需要，需對其進(jìn)行改建、裝修。

4.1 儀器與參數(shù)

本次掃描采用徠卡RTC360掃描儀，具體儀器參數(shù)如表1所示。徠卡RTC360掃描儀可結(jié)合配套的徠卡Cyclone FIELD 360外界操作App直接安裝在iPad上，通過WiFi無線鏈接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、自動下載項(xiàng)目點(diǎn)云，能在現(xiàn)場對采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的檢查和查詢。

表1 徠卡RTC360掃描儀參數(shù)

4.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)期間一號教學(xué)樓處于正常使用狀態(tài)，內(nèi)部教室、辦公室和自習(xí)室的使用情況頗為復(fù)雜，因此本文基于采集的一號教學(xué)樓外立面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合教學(xué)樓原本的圖紙來構(gòu)建模型。由于一號教學(xué)樓的外形較簡單，出于盡可能減少測站數(shù)量和兩個測站間需有重疊部分的考慮，經(jīng)過實(shí)地勘察，本文在目標(biāo)建筑周圍設(shè)立了14個測站進(jìn)行掃描，并采集相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

外業(yè)結(jié)束后將掃描儀連接電腦，導(dǎo)出掃描后的原始數(shù)據(jù)；然后采用與儀器配套的Cyclone軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、正交變換，拼接等處理；最后得到完整且光滑的點(diǎn)云模型，如圖2所示。將點(diǎn)云模型鏈接到Revit軟件中，參照點(diǎn)云模型，在Revit軟件中調(diào)整東、南、西、北4個立面視角，調(diào)整剖面角度，通過模型點(diǎn)云確定BIM模型在立面、水平面的標(biāo)高、軸網(wǎng)，結(jié)合點(diǎn)云模型對外立面的墻體、窗戶、雨棚、臺階、大門等結(jié)構(gòu)物進(jìn)行擬合，利用圖紙和采集的現(xiàn)場照片調(diào)整模型構(gòu)件的屬性信息，使其真實(shí)反映一號教學(xué)樓的真實(shí)狀態(tài)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合的BIM模型如圖3、4所示。

圖2 一號教學(xué)樓點(diǎn)云模型

圖3 東立面門窗擬合逆向構(gòu)建一號教學(xué)樓BIM模型

圖4 一號教學(xué)樓BIM模型效果圖

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1）模型精度分析。在對點(diǎn)云模型進(jìn)行擬合、逆向建立BIM模型后，需對已建立的模型精度進(jìn)行分析。本文采用的精度分析方式為：在各測站點(diǎn)上架設(shè)全站儀，選取離測站最近的窗臺上右側(cè)拐點(diǎn)作為特征點(diǎn)，將測量測站與特征點(diǎn)之間的距離與從模型中提取的 14 組數(shù)據(jù)的相對距離進(jìn)行分析比對，得到客觀的精度評價(jià)。精度分析結(jié)果如表2所示，可以看出，最小的距離差值為1 mm，最大的距離差值為11 mm，通過計(jì)算得到特征點(diǎn)距離的中誤差為δ= 5.654 mm，可見通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模建立的BIM模型具有不錯的精度。

表2 BIM模型精度對比分析表

2）工程量統(tǒng)計(jì)。本文以一號教學(xué)樓改造范圍內(nèi)涉及的外立面墻體上的木框窗戶為例，基于BIM技術(shù)在BIM模型中對需要改造的木制窗戶進(jìn)行工程量計(jì)算。由于安裝時(shí)間較長，木制窗框本體發(fā)生了變形，窗戶的密封性變差且部分窗戶已無法正常開閉，影響到樓體本身保溫和采光等問題，打算將其換成強(qiáng)度更高、密封性更好的PVC塑料窗戶，因此需對外立面窗戶的數(shù)量、尺寸大小進(jìn)行工程量的統(tǒng)計(jì)，用于施工預(yù)算的計(jì)量。利用Revit軟件的明細(xì)表功能，能在完成數(shù)量尺寸統(tǒng)計(jì)的同時(shí)，呈現(xiàn)窗戶在不同樓層的分布情況，如表3所示。

表3 樓體外立面窗明細(xì)表

3）三維可視化展示。三維可視化作為BIM模型區(qū)別于傳統(tǒng)建筑圖紙的巨大突破，將圖紙中的建筑以三維模型的形式鮮活地呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)、施工人員的眼前。在既有建筑的改造中，可利用其可視化的優(yōu)點(diǎn)，在模型中對房屋內(nèi)部的照明設(shè)備、管網(wǎng)的排布等進(jìn)行布置；對原有設(shè)計(jì)進(jìn)行改動前，可在BIM模型中進(jìn)行仿真模擬，直觀準(zhǔn)確地將修改后的效果表現(xiàn)出來；在維修改建影響結(jié)構(gòu)完整的構(gòu)件時(shí)，可在模型中對改動部位進(jìn)行碰撞測試來驗(yàn)證改動設(shè)計(jì)的可行性。相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中施工方發(fā)現(xiàn)問題先向設(shè)計(jì)方反映、溝通后再對現(xiàn)場進(jìn)行考察修改的方式，該方法更加便捷直觀。

本文以一號教學(xué)樓一層?xùn)|側(cè)教室的照明設(shè)計(jì)為例，可在模型中對該位置上的教室進(jìn)行三維可視化模擬。選取合適的位置放置“相機(jī)”功能，得到該位置上某一 教室的三維剖切圖；再結(jié)合該教學(xué)樓所處地區(qū)日照 情況，對該教室內(nèi)燈光布置進(jìn)行粗略檢查；最后根據(jù)仿真的情況選擇合適的排布方式。教室內(nèi)照明設(shè)備三維可視化效果如圖5所示。

圖5 一號教學(xué)樓東側(cè)教室照明設(shè)備三維可視效果圖

5 結(jié) 語

在經(jīng)濟(jì)高速騰飛的現(xiàn)代社會，對既有建筑進(jìn)行改造升級順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展要求。以BIM技術(shù)為中心，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)的逆向工程的應(yīng)用，避免了傳統(tǒng)測量方式的繁瑣和不確定性的影響，為信息采集、模型構(gòu)建和實(shí)時(shí)管理提供了一個高效、便捷的新方法。本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆向工程中三維激光掃描技術(shù)信息采集的準(zhǔn)確性，同時(shí)逆向建立的BIM模型中的各組成構(gòu)件都被賦予了屬性信息和三維可視化的優(yōu)勢，為改建過程中的設(shè)計(jì)、施工提供了大量幫助（如優(yōu)化設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)、監(jiān)督施工質(zhì)量等）。作為一種新興的輔助工程建設(shè)方式，其在既有房屋改建中具有廣闊的應(yīng)用前景，值得在今后的工程實(shí)際中 推廣。