基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)逆向建模方法研究及應(yīng)用

朱留洋，楊鑫，劉守宇，周亮

（1 中鐵大橋局集團第八工程有限公司，重慶 400026； 2 重慶科技學院 建筑工程學院，重慶 401331；3 重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016）

0 引言

逆向建模技術(shù)是指運用各種掃描工具來獲取點云數(shù)據(jù)， 然后采用軟件進行處理進而形成模型的過程。 數(shù)碼攝影測量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、 智能全站儀測量技術(shù)等各種新型觀測技術(shù)在許多國家已經(jīng)有研究和利用[1]。BIM 技術(shù)是指從設(shè)計、施工到管理各階段協(xié)同的過程。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指使用RFID、GPS、紅外感應(yīng)等信息傳感器設(shè)備，與工程項目中各項要素、物品進行連接，在互聯(lián)網(wǎng)的運行環(huán)境下實現(xiàn)各種交互通信，實現(xiàn)遠程運營維護。

近年來，在建筑工程中，對于三維激光逆向建模技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。 姚習紅等[2]以多個建模軟件為對象，針對逆向建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，探究逆向建模實現(xiàn)方法，解決不同建模軟件的跨界使用問題，但是沒能解決物聯(lián)網(wǎng)的跨界使用問題。徐巍等[3]利用逆向建模技術(shù)對已有球形鋼網(wǎng)架實物情況進行真實還原，通過模擬分析，優(yōu)化拆除方案，并結(jié)合MR 設(shè)備進行可視化交底，保證施工安全，但沒有運用BIM 技術(shù)進行協(xié)調(diào)。 胡春梅等[4]利用正逆向建模相結(jié)合的混合建模方法，得到完整古建筑構(gòu)件模型，但沒有將其運用到實際的施工中去。 王代兵等[5]利用BIM 技術(shù)與三維激光掃描儀在幕墻的深化設(shè)計、現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)進行逆向設(shè)計、施工，提高了深化設(shè)計、生產(chǎn)施工的精確度，但沒有把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合進來。梁棟等[6]提出一種基于3D 激光掃描的鋼橋塔節(jié)段虛擬裝配方法，可實現(xiàn)對鋼橋塔整體裝配誤差的有效調(diào)控，但這個方法只運用了三維激光掃描技術(shù)。 陳小松等[7]通過應(yīng)用API 激光跟蹤測量技術(shù)，對鋼桁梁制造關(guān)鍵工序的尺寸精度進行動態(tài)跟蹤測量，并確保了鋼桁梁構(gòu)件的制造精度滿足設(shè)計要求，但這個技術(shù)只能運用于工程的一小部分。 可見，這些研究都有一定的局限性，尤其是沒有將BIM、物聯(lián)網(wǎng)、逆向建模三者進行結(jié)合，全面運用到工程中去。

因此，本文通過相關(guān)建模案例，運用近年來BIM 技術(shù)研究成果，討論正向建模、三維激光掃描逆向建模、基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)逆向建模三種不同建模方式，并對這三者進行對比分析。這有助于項目方選擇適合的建模方法，以及施工現(xiàn)場運維階段的數(shù)字化、智能化。

1 常見的建模方法

1.1 正向建模

正向建模的步驟，一般來說，都是先準備好由設(shè)計人員畫好的設(shè)計圖紙，在建模軟件中對整體工程進行建模， 按照工程設(shè)計圖紙的標注對三維幾何圖像進行構(gòu)建[8]。 在完成幾何模型建模工作后，然后再加上和工程項目以及構(gòu)件相關(guān)的信息。最后，再完善部分細節(jié)，這樣就建立了一個完整的工程信息模型。正向構(gòu)建的BIM 模型不僅直觀地展示項目，還可以看到項目相關(guān)信息。 模型可以用來進行模擬施工、安全演練等，有助于提高施工效率、保障工程安全。但是，正向建模的工程量一般都不小。因為前期需要閱讀的圖紙量較多，創(chuàng)建模型的工作量大且復雜，形狀不規(guī)則的部分更加麻煩，所以，正向建模需要花費很多時間。

工程案例為施工階段某大橋BIM 模型， 所有的鋼箱梁模型、基礎(chǔ)、橋墩、斜拉索、機電一體化等都根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)進行了調(diào)整和優(yōu)化。 它有模型深度為LOD400 的市政橋梁檢查模型，包括工程統(tǒng)計、施工數(shù)據(jù)、預算和設(shè)備，以滿足現(xiàn)場要求。 模型深度結(jié)合圖紙及模型滿足項目需求，確保做到圖模一致，真實反映設(shè)計情況，如圖1 所示。

圖1 某大橋BIM模型

1.2 三維激光掃描逆向建模

三維激光掃描逆向建模首先要準備好設(shè)備以及掃描方案，掃描工作中所需要的儀器設(shè)備有：法如掃描儀、三腳架等。 設(shè)計掃描方案時，有必要對建筑周圍情況進行繪圖，全面了解周邊環(huán)境，然后根據(jù)天氣、物體與環(huán)境的關(guān)系以及外部植被的密度等，來設(shè)置設(shè)施及控制點的數(shù)量。 最后使用掃描儀對工程進行點云數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建點云模型。 將獲得的點云數(shù)據(jù)導出，用配套軟件進行點云的拼接、去噪、抽稀，導出所需格式的點云數(shù)據(jù)。 進行三維激光掃描逆向構(gòu)建的模型在外觀上與實物相差無幾， 但是沒有內(nèi)在信息。 逆向建模不需要復雜的操作，依靠序列圖像就可以進行模型的重構(gòu)，整個過程方便快捷。

工程案例為某橋塔點云模型，在施工過程中對某大橋的橋段進行逆向建模， 運用掃描儀按照制定好的方案對橋段進行掃描，得到橋段點云模型，如圖2 所示。

圖2 某橋段點云模型

2 基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)逆向建模

基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)逆向建模是在三維激光掃描逆向建模的基礎(chǔ)上結(jié)合BIM、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)形成的。 首先，將三維激光掃描逆向建模得到的點云模型導入到建筑建模軟件中，當前建筑建模軟件有很多，本文選擇應(yīng)用最廣泛的Revit 軟件，能識別三維激光掃描格式點云文件。為了在Revit 中構(gòu)建模型，需要創(chuàng)建標高、軸網(wǎng)，然后根據(jù)不同的標高進行繪制，為了將不同的構(gòu)造元件放在正確的位置，必須將它們移到不同的視圖方向[9]。 創(chuàng)建的對象可輸入相關(guān)屬性， 這些對象都可以在之后進行碰撞檢查和受力分析等， 其中，Revit 自帶了許多族庫，這樣建立的模型就很精細，許多的細節(jié)都能反映出來，能夠較好地符合實際。 然后存儲為BIM 軟件通用格式，這樣逆向構(gòu)建的幾何模型到BIM 模型的轉(zhuǎn)換就完成了。最后，將逆向的BIM 模型引入到智慧工地中來，加入工地可視化管理系統(tǒng)， 能實現(xiàn)對工程施工現(xiàn)場的各個要素信息的實時采集監(jiān)控，幫助管理人員快速掌握施工現(xiàn)場的信息，進而實現(xiàn)施工現(xiàn)場以及運維階段的數(shù)字化、智能化。

以某在建大橋工程為例， 通過三維激光掃描獲得點云模型，如圖3 所示，將其導入到BIM 基礎(chǔ)軟件中，將模型上傳至精細化協(xié)同管理平臺，同智慧工地進行運維協(xié)同管理。

圖3 BIM平臺的逆向模型

3 對比分析

將正向建模、三維激光掃描逆向建模、基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)逆向建模這三個建模方法進行對比分析，如表1 所示。

表1 三種建模方法的對比分析

在建模速度上：正向建模需閱讀大量圖紙再進行建模，完成一般的項目需要3～5 天， 花費時間最多； 對于三維激光掃描逆向建模， 本文案例中所選擇的掃描儀以360°×300°的視場角和每秒9760000 點的數(shù)據(jù)獲取速度， 完成一次典型斷面的掃描測量任務(wù)只需幾分鐘，花費時間最少；而基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)逆向建模，在三維激光掃描逆向建模基礎(chǔ)上多了兩個步驟，即導入BIM 軟件和智慧工地系統(tǒng)，完成一般的項目，需要1～2 天左右，花費時間較少。

在兼容性上：正向建模的建模軟件國內(nèi)外有很多，如Revit、Projectwise、Archi CAD、CATIA 等， 雖然存儲格式和內(nèi)容不同，但是IFC 格式（國際標準建筑文件格式）能解決兼容性的問題，IFC自1997 年1 月發(fā)布IFC1.0 以來，已經(jīng)歷了6 次主要的改版，其中IFC2×3 是目前大多數(shù)市面上的BIM 軟件支持的版本，而2010 年底所發(fā)表的IFC2×4 被認為是最符合Open BIM 協(xié)同設(shè)計概念跨時代的版本； 三維激光掃描逆向建模中點云數(shù)據(jù)處理軟件有很多，每個品牌的掃描儀會有相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)處理軟件，如天寶系列的使用Trimble Realworks 來處理、 思看系列的使用Geomagic后期處理軟件等[10]。 各處理軟件支持的格式有限，導致點云數(shù)據(jù)在不同軟件中出現(xiàn)不兼容的現(xiàn)象， 基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)逆向建模是在三維激光掃描逆向建模的基礎(chǔ)上構(gòu)成的，所以兼容性與三維激光掃描逆向建模相同。

在BIM 協(xié)同上， 正向建模和基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)逆向建模的模型經(jīng)過在BIM 基礎(chǔ)軟件中的處理后，具有完整的工程信息，能導入到BIM 平臺中進行運維協(xié)同；三維激光掃描逆向建模的模型只是在對應(yīng)的點云數(shù)據(jù)軟件中經(jīng)過簡單處理， 只有三維幾何信息，不能進行BIM 協(xié)同。

在適用范圍上， 正向建模是當前建筑工程最常用的方法，而且只需要在電腦上就能實現(xiàn)，無需額外的設(shè)備費用，適用于當前新建建筑的設(shè)計、施工、維護、管理等各個階段；三維激光掃描逆向建模能快速建模，與BIM 設(shè)計模型對比對照，了解施工質(zhì)量的真實情況，適用于當前建筑施工、檢測等方面；基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)逆向建模，并結(jié)合前面兩者的優(yōu)勢，所以適用的范圍相對更大。

4 結(jié)論

在現(xiàn)代建筑設(shè)計復雜、體量龐大的背景下，使用逆向建模技術(shù)來輔助工程已成為一種趨勢。 本文對正向建模、三維激光逆向建模以及BIM+物聯(lián)網(wǎng)逆向建模三種建模方法進行了一般性討論以及對比，分析各個方式的優(yōu)缺點，得出BIM+物聯(lián)網(wǎng)逆向建模在橋梁工程中的優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)其能快速建模并結(jié)合BIM 技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提高橋梁施工現(xiàn)場的數(shù)字化管理水平，豐富了逆向建模橋梁施工應(yīng)用經(jīng)驗。