B IM +A R& 三維掃描在軌道交通中的智慧運(yùn)用

許展鵬 張忠瑜＊ 車永富

（中交二公局鐵路建設(shè)有限公司，陜西西安 710100）

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展過程中，BIM 技術(shù)、三維掃描技術(shù)、AR技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域得到了充分的運(yùn)用，為軌道交通工程領(lǐng)域的發(fā)展提供了充足的驅(qū)動力。通過將BIM 技術(shù)與三維掃描技術(shù)、AR 技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，可以進(jìn)一步提高軌道交通工程的管理效率，降低不必要返工風(fēng)險(xiǎn)，為軌道交通工程施工效益的提升提供支持。因此，探究BIM+AR&三維掃描智慧化管理方案的搭建及應(yīng)用過程非常必要。

1 BIM+AR&三維掃描的概念

1.1 BIM

BIM（Building Inform Modeling）即建筑信息模型，主要是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，依據(jù)IFC（Industry Foundation Class）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工程項(xiàng)目各種信息集成，搭建工程數(shù)據(jù)模型[1]。在多年的發(fā)展過程中，BIM 技術(shù)不僅可以應(yīng)用于工程造價(jià)、進(jìn)度管理，而且潛藏著設(shè)備管理能力，為工程管理思維方式創(chuàng)新提供了充足支持。

1.2 AR

AR（Augmented Reality）即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，強(qiáng)調(diào)將虛擬信息、真實(shí)世界有機(jī)融合。AR 技術(shù)將三維建模、智能交互、多媒體、傳感、實(shí)時(shí)跟蹤等技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)整合，可以將計(jì)算機(jī)生成圖像文字與音樂視頻進(jìn)行虛擬仿真[2]。AR 軌道交通主要是運(yùn)用AR 技術(shù)進(jìn)行軌道交通設(shè)施建設(shè)、工具設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)，在基于AR 的三維環(huán)境內(nèi)，工作者可以“全身心”地投入到軌道交通工程中。

1.3 三維掃描

三維掃描即三維激光掃描，主要是以測繪技術(shù)為基礎(chǔ)，面向特定目標(biāo)某一點(diǎn)位，開展精準(zhǔn)三維坐標(biāo)測量。測量得到一個(gè)單獨(dú)或部分離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為全景點(diǎn)坐標(biāo)關(guān)聯(lián)奠定基礎(chǔ)。當(dāng)前三維掃描主要利用三維激光掃描儀，其可以通過向旋轉(zhuǎn)式鏡頭中心發(fā)射紅外線光束，實(shí)現(xiàn)環(huán)境周圍激光的旋轉(zhuǎn)監(jiān)測。進(jìn)而根據(jù)紅外線位移數(shù)據(jù)，進(jìn)行激光發(fā)射點(diǎn)、物體距離計(jì)算，最終經(jīng)編碼器，進(jìn)行鏡頭旋轉(zhuǎn)角度、水平角度的測量，獲得每一點(diǎn)Z 軸、X軸與Y 軸坐標(biāo)。

2 BIM+AR&三維掃描智慧化管理方案的搭建

2.1 BIM+AR

2.1.1 開發(fā)APP

BIM 技術(shù)與AR 技術(shù)結(jié)合的過程，就是以移動終端軟件為載體將現(xiàn)實(shí)場景、虛擬場景有機(jī)交融的過程。在這個(gè)過程中，需要利用移動智能終端攝像頭，開展位置追蹤、場景判別，經(jīng)移動智能終端屏幕顯現(xiàn)虛擬三維模型。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，應(yīng)利用三維掃描點(diǎn)云，進(jìn)行對應(yīng)的BIM 模型構(gòu)建。在BIM 模型構(gòu)建完畢后，可以進(jìn)行型號、材質(zhì)、尺寸等屬性信息添加。在屬性信息添加完畢后，可以導(dǎo)出為FBX 格式的文件。在獲得FBX 格式的文件后，準(zhǔn)備Vuforia AR 插件（Unity 3D 軟件），經(jīng)Vuforia AR 插件完成FBX 格式文件向Unity3D 軟件的導(dǎo)入。進(jìn)而通過Unity3D 軟件，進(jìn)行腳本編寫、操作，完成移動智能終端軟件的開發(fā)。開發(fā)完畢后，將軟件安裝在移動智能終端。經(jīng)移動智能終端攝像頭，完成軌道交通圖像掃描、虛擬軌道交通信息模型顯示。

2.1.2 AR 拆裝模擬。

BIM+AR 工作流程如圖1。

圖1 BIM+AR 工作流程

2.2 BIM+三維掃描

BIM+三維掃描流程如圖2。

圖2 BIM+三維掃描流程

2.2.1 點(diǎn)云掃描

點(diǎn)云掃描是BIM+三維掃描的第一步，需要利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行軌道交通復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵部位的掃描。并初步對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理。鑒于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，直接應(yīng)用可行性不高，因此，可以利用專業(yè)非接觸式的三維掃描軟件，獲得特定軌道交通實(shí)體點(diǎn)位三維坐標(biāo)值，并將其輸入位FBX 格式，完成網(wǎng)格面數(shù)優(yōu)化，降低數(shù)據(jù)量。優(yōu)化前后數(shù)據(jù)如表1。

表1 優(yōu)化前后網(wǎng)格面數(shù)對比

如表1 所示，優(yōu)化后頂點(diǎn)數(shù)為25124（優(yōu)化前為216351），法線數(shù)為11214（優(yōu)化前為216321），三角面數(shù)為31425（優(yōu)化前為456231）。

2.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理與曲面重構(gòu)

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理的基礎(chǔ)上，還需要利用評估、濾波技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。數(shù)據(jù)評估處理主要是基于發(fā)現(xiàn)重復(fù)區(qū)域雜亂點(diǎn)、測量遺漏點(diǎn)的目的，確定是否需要再次掃描；數(shù)據(jù)濾波則需要從減少數(shù)據(jù)量入手，進(jìn)行表面噪聲去除以及測量數(shù)據(jù)平滑處理[3]。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理后，還需要面向含有自由曲面的復(fù)雜型面，結(jié)合軌道交通原型特征，進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的多區(qū)域分割，為每一個(gè)區(qū)域擬合出對應(yīng)的曲面。進(jìn)而利用曲面間過渡、求交手段，進(jìn)行多曲面的連接。

2.2.3 模型構(gòu)建

在三維激光掃描軌道交通目標(biāo)物的基礎(chǔ)上，可以在3D max軟件內(nèi)將FBX 格式轉(zhuǎn)換為DWG 格式，為后續(xù)AUTODESK 軟件運(yùn)行提供支持。進(jìn)而將DEG 格式文件導(dǎo)入到Revit 軟件內(nèi)，利用剖面框，完成點(diǎn)云裁剪、分割、遮擋去除操作[4]。同時(shí)根據(jù)軌道交通實(shí)體構(gòu)件輪廓，選取特征點(diǎn)進(jìn)行放樣、拉伸、空心剪切、融合操作，完成點(diǎn)云翻模，保證三維軌道交通模型輪廓精確度。在這個(gè)基礎(chǔ)上，經(jīng)現(xiàn)場視頻、照片、實(shí)體勘測數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行軌道交通構(gòu)件內(nèi)部原始信息的完善。一站掃描并無法保證完整的軌道交通實(shí)體信息的反映，因此，完成初步點(diǎn)云翻模后應(yīng)選擇不同位置進(jìn)行多站三維掃描。利用多站三維掃描控制點(diǎn)坐標(biāo)、方位，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，為點(diǎn)云合并、拼接打好基礎(chǔ)。

3 BIM+AR&三維掃描在軌道交通中的智慧運(yùn)用案例

3.1 案例概述

深圳市城市軌道交通6 號線支線車站為地下二層島式車站，地下一層、二層分別為站廳層、站臺層，總建筑面積為13654m2。車站包括4 個(gè)出入口。該工程作業(yè)面自然采光效果不佳，且各系統(tǒng)管線層疊密集，極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)主體尺寸與安裝尺寸偏差，加之專業(yè)配合接口較多、設(shè)備重體積運(yùn)輸量大，對工程管理提出了較高的要求。工程擬采用BIM+AR&三維掃描智慧化應(yīng)用方案，事先準(zhǔn)備有三維激光掃描儀，用于指示、測量放樣點(diǎn)，放大倍率為32 倍，測距精度與高速測距精度分別為1.0mm、2.0mm。同時(shí)準(zhǔn)備了外業(yè)移動智能手持終端（平板電腦），用于導(dǎo)入BIM 模型，安裝AR 軟件，直觀顯示、控制放樣點(diǎn)，見圖3-4。

圖3 現(xiàn)場實(shí)際圖

圖4 BIM+AR 應(yīng)用呈現(xiàn)圖

3.2 應(yīng)用過程

BIM+AR&三維掃描智慧化應(yīng)用方案可以為軌道交通可視化交底、機(jī)電管線綜合深化防碰撞、安全消防疏散模擬、縮尺3D打印提供支持[5]。以機(jī)電管線綜合深化防碰撞為例，工程管理人員可以將各專業(yè)操作參數(shù)壓縮后導(dǎo)出到AR 軟件內(nèi)，利用AR軟件提供的編輯器工具與放樣機(jī)器人進(jìn)行信息交互，指導(dǎo)放樣機(jī)器人在虛擬環(huán)境中完成各專業(yè)操作內(nèi)容預(yù)先碰撞模擬。同時(shí)為不同專業(yè)碰撞風(fēng)險(xiǎn)設(shè)置對應(yīng)的描述、標(biāo)題、邀請碼，并上傳到云端，全程展示，促使各專業(yè)明確本專業(yè)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)，降低軌道交通工程開展過程中各專業(yè)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)而根據(jù)軌道交通現(xiàn)場基準(zhǔn)點(diǎn)、放樣點(diǎn)位置，協(xié)調(diào)優(yōu)化方案[6]。并利用AR 軟件內(nèi)安裝的三維模型，對多個(gè)可視基準(zhǔn)點(diǎn)位置、方向進(jìn)行聚焦計(jì)算。通過激光掃描，在對應(yīng)計(jì)算位置進(jìn)行標(biāo)記，為模擬操作優(yōu)化提供支持。

3.3 應(yīng)用結(jié)果

在以往軌道交通工程開展過程中，經(jīng)常因各專業(yè)間溝通不到位，導(dǎo)致專業(yè)碰撞問題頻發(fā)。而通過BIM+AR＆三維掃描智慧化方案的應(yīng)用，可以在滿足各專業(yè)意愿的情況下，保證軌道交通系統(tǒng)運(yùn)用功能不受干擾，解決軌道交通工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工期緊張、凈高要求嚴(yán)格等問題，促使軌道交通施工效益進(jìn)一步提高。BIM+AR＆三維掃描智慧化方案應(yīng)用前后專業(yè)碰撞率如表2。

由表2 可知，通過BIM+AR&三維掃描智慧化應(yīng)用方案的實(shí)踐，可以大大提高各專業(yè)協(xié)調(diào)性，降低非必要返工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省項(xiàng)目工期，提高項(xiàng)目完成效率。

表2 BIM+AR＆三維掃描智慧化方案應(yīng)用前后各專業(yè)碰撞率

4 結(jié)論

綜上所述，BIM+AR&三維掃描的智慧化運(yùn)用方案，可以在提升工程管理水平的同時(shí)，促進(jìn)軌道交通工程建設(shè)事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，應(yīng)立足便攜式移動智能設(shè)備大面積普及背景，將BIM 技術(shù)、三維掃描與AR 技術(shù)應(yīng)用平臺由電腦端轉(zhuǎn)移到移動端。通過移動智能軟件的開發(fā)應(yīng)用，為軌道交通工程開展過程的高效率管理提供充足支持。