激光點(diǎn)云與BIM結(jié)合的古橋梁數(shù)字模型重構(gòu) ①

桂玉環(huán)， 鄭純茉， 劉 楊， 方 浩

(1.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院,云南 昆明 650504；2.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

“橋梁是代表文化的一種物質(zhì)建設(shè)”，中國古橋梁作為歷史文化遺產(chǎn)的重要部分，自古以來都在人類的技術(shù)發(fā)展、藝術(shù)創(chuàng)造、文化傳承過程中有著舉足輕重的作用[1]。三維激光掃描技術(shù)具有定位精準(zhǔn)、遠(yuǎn)程控制、反應(yīng)靈敏等顯著優(yōu)勢[2]，可在獲得完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)，避免對古建筑產(chǎn)生二次破壞。BIM廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造和管理的數(shù)字化工作，能夠在虛擬空間中建立與實(shí)物完全一致的三維模型[3]。點(diǎn)云結(jié)合BIM逆向重構(gòu)古建筑模型是一項(xiàng)全新的技術(shù)，引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究興趣[4-10]。Barazzetti等首次提出Cloud-to-BIM-FEM方法，將基于點(diǎn)云重構(gòu)的某城堡BIM模型轉(zhuǎn)換為有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真，有效分析了建筑元素的結(jié)構(gòu)內(nèi)部異常情況[4]；Fryskowska通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立歷史建筑信息模型(HBIM)，并提出一種評估HBIM準(zhǔn)確性的方法[5]；王超在西安市民居保護(hù)工程中，探討了點(diǎn)云與BIM技術(shù)應(yīng)用的新方向[6]，劉旭春[7-8]等使用 CAD結(jié)合點(diǎn)云繪制建筑物的平面圖，優(yōu)化建筑物的圖紙復(fù)原效率；盛德新[9-10]等基于被測物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Revit建立古建筑三維模型，增加被測物的虛擬可視化程度，改善制定修復(fù)方案的參考方法。結(jié)合上述，古建筑的研究已較為廣泛，而古橋梁模型重構(gòu)研究卻少有涉及。以云南省開遠(yuǎn)市長虹大橋?yàn)檠芯繉ο螅ㄟ^采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)古橋梁的參數(shù)化建模和圖紙復(fù)原。激光掃描技術(shù)和BIM技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，為橋梁遺產(chǎn)保護(hù)工作的發(fā)展提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 技術(shù)路線

古橋梁的空間坐標(biāo)信息及影像數(shù)據(jù)能夠被三維激光掃描系統(tǒng)高效采集，BIM技術(shù)可以建立橋梁的仿真三維模型，兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于古橋梁研究領(lǐng)域，為圖紙缺失的橋梁復(fù)原修繕、異地保護(hù)工作提供有效的參考依據(jù)。利用三維激光點(diǎn)云結(jié)合BIM技術(shù)重構(gòu)古橋梁模型的主要步驟為規(guī)劃路線、實(shí)地掃描、數(shù)據(jù)處理和Revit建模，總體技術(shù)路線如圖1所示。

1.1 規(guī)劃路線

前期通過實(shí)地踏勘合理規(guī)劃掃描路線，以提高后期點(diǎn)云拼接工作效率。參考站點(diǎn)與站點(diǎn)之間的掃描重疊度不應(yīng)小于10%，并根據(jù)掃描儀種類，規(guī)劃站點(diǎn)間距和角度。對于被測物體的細(xì)部結(jié)構(gòu)，應(yīng)單獨(dú)設(shè)置測站點(diǎn)，用于在Revit中以“族”的形式對構(gòu)件逆向建模。

圖1 總技術(shù)路線

1.2 實(shí)地掃描

本團(tuán)隊(duì)擬采用徠卡BLK360迷你激光掃描儀對目標(biāo)古橋梁開展點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作。與傳統(tǒng)掃描儀相比徠卡BLK360掃描儀具有微型、輕量、便攜等特點(diǎn)，操作便捷。測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)將會(huì)實(shí)時(shí)導(dǎo)入到電腦并完成初步智能拼接工作，便于操作者及時(shí)查看掃描效果做出相應(yīng)調(diào)整。表1為BLK360掃描儀物性參數(shù)。

表1 BLK360掃描儀物性參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過平板電腦將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone Register 360中，實(shí)現(xiàn)各個(gè)測站點(diǎn)間數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、拼接、降噪等工作。在Register中剔除與被測橋梁無關(guān)的測點(diǎn)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)的同時(shí)生成點(diǎn)云拼接成果質(zhì)量檢測報(bào)告。Register的點(diǎn)云格式無法直接導(dǎo)入Revit，因此需要將導(dǎo)出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)接入Autodesk Recap進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，形成.rcp或.rcs格式的數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理。

1.4 Revit建模

Revit逆向建模中，使用“族”功能項(xiàng)可以單獨(dú)建立橋梁的組成構(gòu)件，并對單個(gè)構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置空間、材質(zhì)、尺寸等信息，參數(shù)化的優(yōu)勢在于后期建立相同或相似構(gòu)件時(shí)，只需在點(diǎn)云中輸入物體的尺寸，即可構(gòu)建新的模型，減少操作流程。構(gòu)件族與點(diǎn)云模型共同載入Revit的項(xiàng)目操作平臺，依據(jù)點(diǎn)云模型拼接各構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)被測古橋梁模型的三維逆向重構(gòu)。

2 應(yīng)用案例

2.1 古橋梁簡介

長虹大橋，坐落于云南省紅河州開遠(yuǎn)市，始建于1960年，是世界最長的獨(dú)拱石橋，全長171 m，橋梁全景如圖2所示。憑借高超的石拱橋建造技藝，1978年長虹大橋榮獲國家一級保護(hù)橋梁，1983年納入開遠(yuǎn)市文物保護(hù)單位。2003年文保單位組織36名工程師對橋梁進(jìn)行一次全面檢查，發(fā)現(xiàn)已出現(xiàn)部分損壞，亟待修繕，但由于建橋年份較早，歷史橋梁圖紙資料也已殘損缺失，古橋梁部分構(gòu)件的修復(fù)保護(hù)工作未能得到較好的解決。

圖2 長虹大橋全景圖

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

結(jié)合長虹大橋所處的地形地貌、植被生長情況，長虹橋可分成橋頭、橋中、橋尾三段。每段中間與兩邊布設(shè)測點(diǎn)，橋梁兩側(cè)橋墩、橋洞均增設(shè)測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)橋梁整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。為降低樹木遮擋對數(shù)據(jù)采集的影響，采取多方位布設(shè)測站點(diǎn)的方法解決。針對橋梁的細(xì)部構(gòu)件，利用影像采集判斷構(gòu)件的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，輔助點(diǎn)云逆向建模，細(xì)化紋理結(jié)構(gòu)。在外業(yè)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集中，長虹橋測站點(diǎn)數(shù)共有39個(gè)。圖3為掃描測點(diǎn)位置分布示意圖。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理由以下三個(gè)部分組成：配準(zhǔn)、刪減降噪以及格式轉(zhuǎn)化。首先將采集到的長虹橋各測站點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一導(dǎo)入Cyclone Register 360，利用軟件的自動(dòng)配準(zhǔn)功能進(jìn)行站點(diǎn)數(shù)據(jù)的初步配準(zhǔn)拼接，通過手動(dòng)調(diào)整刪去不需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)拼接的精度；隨后剔除橋面雜亂點(diǎn)云，獲取更平整的路面模型；最后將長虹橋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件導(dǎo)出，利用Autodesk Recap轉(zhuǎn)化成.rcp格式，為后期逆向建模做準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)處理前后的橋梁點(diǎn)云模型如4圖所示。

3 BIM功能實(shí)現(xiàn)

3.1 參數(shù)化構(gòu)件族

根據(jù)完整的點(diǎn)云拼接模型，如欄板、欄桿等可重復(fù)使用。拼接的細(xì)部構(gòu)件族，在每個(gè)族中標(biāo)注構(gòu)件全方位尺寸并參數(shù)化。構(gòu)件族的參數(shù)化設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件尺寸間的相互關(guān)聯(lián)。建立橋梁構(gòu)件族文件時(shí)，可在族類型中添加構(gòu)件的名稱、影像、材質(zhì)、受損程度等屬性信息，同時(shí)還能夠添加構(gòu)件的創(chuàng)建日期、檢修時(shí)間、修復(fù)次數(shù)、負(fù)責(zé)單位等其它相關(guān)信息。

3.2 模型重構(gòu)

模型重構(gòu)過程中，首先通過新建項(xiàng)目文件，將橋梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)載入到項(xiàng)目文件中，利用旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等命令調(diào)整點(diǎn)云模型，更合理地放置構(gòu)件族，并且對于橋墩、橋臺、橋體等大型結(jié)構(gòu)則可以根據(jù)規(guī)整后的點(diǎn)云模型利用內(nèi)建族功能來實(shí)現(xiàn)。

橋梁主體結(jié)構(gòu)的三維模型參照點(diǎn)云模型構(gòu)建。考慮到點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)存大，內(nèi)建模型時(shí)移動(dòng)速度緩慢將影響建模效率，因此利用剖面功能，創(chuàng)建正視與左視剖面，按需設(shè)置可視范圍，提高三維模型與點(diǎn)云模型吻合度。主體結(jié)構(gòu)完成建模后，導(dǎo)入細(xì)部構(gòu)件族，依照從下至上，從左至右的原則順序放置構(gòu)件族，沿著點(diǎn)云模型進(jìn)行精準(zhǔn)拼接。對于橋面上方的欄桿等相同構(gòu)件存在尺寸偏差時(shí)，可實(shí)測點(diǎn)云以便于構(gòu)建新的子族。重構(gòu)的橋梁三維模型如圖5所示。

3.3 其他功能實(shí)現(xiàn)

Revit的管理功能中可以設(shè)置除橋梁自身屬性外的項(xiàng)目信息，如建筑名稱、管理單位、項(xiàng)目狀態(tài)、修建日期等，增加相關(guān)管理工作人員對橋梁狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性和預(yù)見性。

此外，在Revit中可利用完善后的仿真模型快速生成標(biāo)準(zhǔn)的CAD平面圖，復(fù)原缺失的圖紙。并導(dǎo)入Auto CAD中標(biāo)記橋梁損壞的具體位置，生成橋梁修復(fù)施工圖紙，提高后期維護(hù)和修繕效率，并且結(jié)合上述信息為古橋梁的數(shù)字檔案建設(shè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。長虹大橋的CAD平面示意圖如圖6所示。

圖6 長虹大橋的CAD平面示意圖

同時(shí)，建立橋梁構(gòu)件參數(shù)化后的族庫，為后續(xù)仿建工作提供參考依據(jù)；再結(jié)合Revit中相關(guān)插件的渲染功能使模型的仿真性更高，有利于橋梁保護(hù)的宣傳和呼吁工作，渲染效果圖如圖7所示。

圖7 模型渲染效果示意圖

3.4 精度檢測分析

為驗(yàn)證基于點(diǎn)云模型建立的Revit三維模型相對精度，以實(shí)地測量的數(shù)據(jù)作為原始值，點(diǎn)云測量的數(shù)據(jù)作為參考值，參照上述數(shù)據(jù)對橋梁模型的精度進(jìn)行評定。精度檢測結(jié)果及對比情況如表2所示。由表2可知，模型數(shù)據(jù)值與實(shí)際測量值對比偏差在cm范圍內(nèi)，滿足文保單位后期修繕工作中的精度要求。

表2 精度檢測結(jié)果表 單位：m

4 結(jié) 論

選取長虹大橋?yàn)檠芯繉ο螅杉瘶蛄旱狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)后通過導(dǎo)入Revit中實(shí)現(xiàn)模型的逆向重構(gòu)，并對模型精度進(jìn)行了檢測和分析，最終得出如下結(jié)論：

(1)三維激光掃描結(jié)合BIM技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真模型，并生成橋梁施工平面圖，為修復(fù)工作提供全方位可視化環(huán)境，提高工作效率。

(2)通過精度檢測分析，表明該項(xiàng)研究技術(shù)路線在橋梁遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域具有可行性，為橋梁遺產(chǎn)保護(hù)工作的發(fā)展提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

(3)研究中使用的掃描儀重量輕，提高工作效率的同時(shí)保證了采集精度，為后續(xù)用于古建測繪中掃描儀的選型提供了更好的選擇。