精細(xì)BIM構(gòu)建及其在修繕工程中的應(yīng)用

王寶娟

(江西理工大學(xué)，贛州 341000)

引言

我國(guó)2008年就在大型工程項(xiàng)目中采用了BIM技術(shù)，如北京水立方、上海中心大廈、天津港國(guó)際郵輪碼頭及上海迪士尼樂(lè)園等項(xiàng)目，這些應(yīng)用也為后期運(yùn)營(yíng)管理提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[1]。

對(duì)于現(xiàn)有建筑利用三維激光技術(shù)與BIM融合的研究與應(yīng)用，同濟(jì)大學(xué)鄧林建等人在建筑物BIM重建方面也提出了一套方法。該方法融合了三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)影像，實(shí)現(xiàn)BIM重建，并且達(dá)到了很高的精度[2]； 同濟(jì)大學(xué)繆盾等人針對(duì)BIM結(jié)合三維激光掃描在建筑中的應(yīng)用進(jìn)行闡述與研究[3]； 華北水利水電大學(xué)推曉偉在工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與逆向建模方面使用Geomagic Studio、Autodesk Revit等軟件對(duì)結(jié)構(gòu)BIM 構(gòu)建方法與應(yīng)用進(jìn)行了研究[4]； 另外還有很多學(xué)者在古建筑修復(fù)、橋梁施工和地下工程方面也進(jìn)行了研究[5-7]。

通過(guò)對(duì)這些前人成果的研究，了解到如果直接通過(guò)三維激光獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，總會(huì)存在相關(guān)構(gòu)件信息缺失，提取信息過(guò)程復(fù)雜，BIM成果應(yīng)用單一，還總會(huì)缺少基礎(chǔ)以及樓梯等無(wú)法進(jìn)行掃描的構(gòu)建。因此，在此基礎(chǔ)上提出了結(jié)合建筑規(guī)范，基于室內(nèi)外點(diǎn)云數(shù)據(jù)與多源數(shù)據(jù)融合構(gòu)建BIM的方法，可以有效解決以上問(wèn)題。

近年來(lái)，政府出臺(tái)了很多政策來(lái)鼓勵(lì)審計(jì)行業(yè)將BIM技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際工作中去。2018年，習(xí)近平在中央審計(jì)委員會(huì)第一次會(huì)議中強(qiáng)調(diào)，“要堅(jiān)持科技強(qiáng)審，加強(qiáng)審計(jì)信息化建設(shè)”。BIM技術(shù)在審計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用旨在加強(qiáng)審計(jì)信息化，響應(yīng)國(guó)家政策的要求。BIM技術(shù)在審計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷研究與實(shí)踐。黃?，摲治隽爽F(xiàn)有的內(nèi)部審計(jì)面臨的風(fēng)險(xiǎn)和困境以及引入BIM后的優(yōu)勢(shì)[8]；孫少楠等人通過(guò)Revit、Navisworks等軟件研究了BIM在全過(guò)程審計(jì)中的應(yīng)用[9]；還有不少學(xué)者研究了在內(nèi)部工程的設(shè)計(jì)、施工和修繕等過(guò)程中應(yīng)用BIM的審計(jì)方法。中北大學(xué)韓江帆通過(guò)兩個(gè)審計(jì)案例研究了BIM在高校內(nèi)部基建和修繕過(guò)程中的應(yīng)用[10]； 易操研究了BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)階段的審計(jì)工作中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[11]； 王夢(mèng)蔚從設(shè)計(jì)、招投標(biāo)、施工、竣工結(jié)算和運(yùn)維五個(gè)審計(jì)階段進(jìn)行分析，說(shuō)明高校內(nèi)部工程審計(jì)中引入BIM的必要性[12]。以上研究通過(guò)理論和實(shí)踐闡述了將BIM應(yīng)用于審計(jì)的優(yōu)勢(shì)，為審計(jì)行業(yè)的信息化提供了思路和理論基礎(chǔ)。本文提出了多源數(shù)據(jù)融合的BIM構(gòu)建方法，結(jié)合實(shí)例，探討了精細(xì)BIM模型在修繕工程中的應(yīng)用。

1 三維激光掃描技術(shù)與建筑信息模型

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描儀，是根據(jù)激光測(cè)距原理進(jìn)行工作的。通過(guò)自身的測(cè)距系統(tǒng)測(cè)出目標(biāo)物體與三維激光掃描儀之間的空間距離，利用自身的測(cè)角系統(tǒng)測(cè)得目標(biāo)物體與三維激光掃描儀之間的水平角以及天頂距，根據(jù)相關(guān)公式就可以計(jì)算出目標(biāo)物體的空間坐標(biāo)信息。通過(guò)自身的水平和垂直馬達(dá)等轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，在設(shè)計(jì)的測(cè)站上對(duì)目標(biāo)物體的表面進(jìn)行全面且完整地掃描，獲取目標(biāo)物體表面完整且準(zhǔn)確的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)[13]。該技術(shù)具有數(shù)字化程度較高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、高分辨率、非接觸式等特點(diǎn)，并具有廣泛的應(yīng)用。

1.2 建筑信息模型

BIM是利用建設(shè)工程項(xiàng)目中的相關(guān)建筑信息，去建立建筑的三維數(shù)字模型，通過(guò)模擬和還原建筑物的真實(shí)情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的工程建設(shè)、設(shè)備管理、模擬施工等功能與應(yīng)用。在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，使用Revit、Archicad等軟件去創(chuàng)建BIM，而不是采用AutoCAD工作，不僅可以得到工作成果，也能很大程度地提升工程的內(nèi)在質(zhì)量。

2 多源數(shù)據(jù)融合的精細(xì)BIM構(gòu)建方法及審計(jì)應(yīng)用

2.1 基于三維激光點(diǎn)云構(gòu)建BIM

2.1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與處理

對(duì)于構(gòu)建BIM的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，首先明確構(gòu)建BIM的模型精度要求以及應(yīng)用需要。對(duì)于不同精度下，采集站點(diǎn)的布設(shè)，必須考慮直接或間接影響軸網(wǎng)、標(biāo)高等基準(zhǔn)圖元確定的構(gòu)件尺寸完整，例如墻板、梁、柱等構(gòu)件，針對(duì)一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸多變的構(gòu)件以及室內(nèi)點(diǎn)云采集，也要考慮該構(gòu)件的點(diǎn)云完整性和后期拼接配準(zhǔn)問(wèn)題，以便后期拼接配準(zhǔn)。

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理上，先進(jìn)行數(shù)據(jù)刪減、數(shù)據(jù)去噪、點(diǎn)云壓縮、點(diǎn)云配準(zhǔn)、生成矢量數(shù)據(jù)，以及導(dǎo)出.TXT等格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)等步驟。然后，在recap軟件中，可以把TXT點(diǎn)云文件導(dǎo)入，基于Autodesk ReCap對(duì)于點(diǎn)云瀏覽的簡(jiǎn)易性，可以在這里對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行識(shí)別、測(cè)量等，導(dǎo)出.rcp或.rcs格式的文件。

2.1.2 基于點(diǎn)云的Revit建模

通過(guò)三維激光點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)現(xiàn)有建筑物的BIM構(gòu)建，主要采取的方法是：利用Revit可以對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行任何標(biāo)高平面和任何立面的剖切，并且對(duì)每一個(gè)視圖的點(diǎn)云提供了基于法線的渲染方式，由此可以準(zhǔn)確地在樓層標(biāo)高平面，選取圖元對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云，從而創(chuàng)建BIM。流程包括創(chuàng)建項(xiàng)目與Revit點(diǎn)云加載、基準(zhǔn)圖元的判斷與確定、柱子、梁、墻、門、窗以及樓梯和其他復(fù)雜構(gòu)件的確定。

2.2 三維激光點(diǎn)云融合多源數(shù)據(jù)

2.2.1 融合現(xiàn)有工程圖紙

在三維激光點(diǎn)云的基礎(chǔ)上融合現(xiàn)有圖紙，可以大幅度地消除單一數(shù)據(jù)來(lái)源構(gòu)建BIM存在的各種缺陷。通過(guò)加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)與圖紙翻模的BIM模型在同一三維平臺(tái)上，通過(guò)不同視角的切換，實(shí)時(shí)對(duì)比出兩者的差異，并在點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，同步對(duì)圖紙翻模的BIM模型進(jìn)行修改、補(bǔ)充和完善。

2.2.2 融合一般測(cè)量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)

由于建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，會(huì)存在一定的拼接誤差與漏掃的情況。這時(shí)，可以引入免棱鏡全站儀等采集方式的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和補(bǔ)充，與已完成的BIM中構(gòu)件的參數(shù)尺寸進(jìn)行進(jìn)一步的比對(duì)，找到存在誤差位置，其中尤其重要的是基礎(chǔ)圖元和影響基礎(chǔ)圖元尺寸的構(gòu)件，例如標(biāo)高、明顯的梁墻等，都可以通過(guò)這種方法進(jìn)行誤差檢查。發(fā)現(xiàn)誤差后，可以直接在圖元尺寸上進(jìn)行更改，更改的數(shù)據(jù)，會(huì)在各個(gè)視圖中實(shí)時(shí)計(jì)算更新。

BIM是一個(gè)建筑的三維模型，除了基本的幾何信息(如長(zhǎng)、寬、高等)，也可以載入大量的非幾何信息，例如墻體材質(zhì)、門窗材質(zhì)、墻體裝修層材質(zhì)等，這些則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的影像以及尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)，在Revit中選擇相同的材質(zhì)，或者自定義材質(zhì)，添加到對(duì)應(yīng)的構(gòu)件中。

2.3 精細(xì) BIM在修繕工程中的應(yīng)用

2.3.1 老舊小區(qū)修繕工程審計(jì)

《關(guān)于全面推進(jìn)城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》中指出，城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造是重大民生工程和發(fā)展工程，對(duì)滿足人民群眾美好生活需要、推動(dòng)惠民生擴(kuò)內(nèi)需、推進(jìn)城市更新和開(kāi)發(fā)建設(shè)方式轉(zhuǎn)型以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展具有十分重要的意義。大力改造提升城鎮(zhèn)老舊小區(qū)，改善居民居住條件讓人民群眾生活更方便、更舒心、更美好。以江西省為例：《江西省城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造專項(xiàng)規(guī)劃(2021-2025年)》已編制完成并報(bào)省政府通過(guò)?！笆奈濉逼陂g，全省共計(jì)劃改造城鎮(zhèn)老舊小區(qū)6 243個(gè)，涉及總戶數(shù)約160.87萬(wàn)戶，估算總投資約498.59億元。

2.3.2 內(nèi)部修繕工程審計(jì)工作信息化

隨著城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造日益增多，鑒于老舊小區(qū)一般建筑年份久遠(yuǎn)，圖紙遺漏、缺失，前期需要勘察人員去現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量其幾何尺寸，計(jì)算工程量，這些都存在工作量大、效率低及精度低等一系列問(wèn)題，且大多數(shù)工程都是事后審計(jì)，對(duì)造價(jià)控制比較不利。結(jié)合精細(xì)BIM 的全過(guò)程跟蹤審計(jì)就能夠很好的解決這些問(wèn)題。首先，在修繕工程開(kāi)始前就建立好建筑物的融合精細(xì)BIM，將建筑物的各種信息數(shù)字化，再將修繕工程每一部分的做法、工程量等審計(jì)相關(guān)信息添加到BIM中，形成一個(gè)修繕工程的BIM數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于建筑物的結(jié)構(gòu)以及各個(gè)零部件的位置、材質(zhì)，修繕時(shí)要進(jìn)行的改動(dòng)都能夠一目了然，實(shí)現(xiàn)了修繕工程審計(jì)工作的信息化。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 江西理工大學(xué)校本部6棟學(xué)生宿舍BIM實(shí)例

3.1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與處理

江西理工大學(xué)校本部6棟學(xué)生宿舍是目前學(xué)校為數(shù)不多的老式宿舍之一，為6層磚混結(jié)構(gòu)，由兩邊對(duì)稱的主體和連接體組成，采取室外剪刀樓梯，東西兩側(cè)各有兩塊庭院空地，結(jié)構(gòu)規(guī)則分明，但缺乏圖紙資料。

本實(shí)例采用了rigel V1000三維激光掃描儀對(duì)六棟進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，再通過(guò)riscan pro軟件進(jìn)行建筑外點(diǎn)云的刪除，并進(jìn)行去噪處理。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)則采取先通過(guò)手動(dòng)選擇4個(gè)以上的特征點(diǎn)方式，進(jìn)行粗拼接并通過(guò)多站點(diǎn)調(diào)整，由于點(diǎn)云的站點(diǎn)數(shù)較多，為保證質(zhì)量，進(jìn)行了配準(zhǔn)效果檢查。除了控制拼接精度，還須通過(guò)不同站點(diǎn)的點(diǎn)云采取不同的顏色進(jìn)行顯示，并選擇各個(gè)方向上的共面位置，進(jìn)行剖切檢查點(diǎn)云閉合程度，使得整體拼接精度均達(dá)到毫米級(jí)，如圖1所示，最后導(dǎo)出.txt等格式點(diǎn)云文件保存。

圖1 不同站點(diǎn)采用不同顏色對(duì)6棟點(diǎn)云 進(jìn)行配準(zhǔn)效果檢查

3.1.2 基于點(diǎn)云的Revit建模

將處理后保存的點(diǎn)云文件，導(dǎo)入Recap進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換為.rcp文件，在Revit中以法線模式鏈接.rcp點(diǎn)云，如圖2所示，并分別基于點(diǎn)云，在立面圖上建立6棟各樓層標(biāo)高，在樓層平面圖上確立相應(yīng)的軸網(wǎng)，如圖3～圖4所示。完成軸網(wǎng)與標(biāo)高之后，在平面圖上，根據(jù)鏈接點(diǎn)云，依次建立柱子、梁、墻、樓板和樓梯等構(gòu)建，其尺寸可以通過(guò)切換不同視圖窗口的點(diǎn)云確定，或者通過(guò)Recap中的尺寸量取，進(jìn)行參數(shù)輸入，同時(shí)結(jié)合建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，輔助判斷是否出現(xiàn)點(diǎn)云選取中的較大錯(cuò)誤。

圖2 基于法線模式下的點(diǎn)云顯示效果

圖3 基于點(diǎn)云剖切立面進(jìn)行樓層標(biāo)高選取

圖4 基于點(diǎn)云剖切樓層平面進(jìn)行軸網(wǎng)布設(shè)

3.1.3 融合多源數(shù)據(jù)的BIM模型

對(duì)于室內(nèi)部分，因?yàn)槿S激光掃描儀的掃描限制和掃描時(shí)的疏忽，有部分沒(méi)有掃描完全或者完全沒(méi)有掃描，這時(shí)通過(guò)利用全站儀對(duì)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，得到室內(nèi)特征點(diǎn)的txt格式的數(shù)據(jù)，并通過(guò)Recap軟件進(jìn)行的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的.rcp文件，導(dǎo)入CAD，進(jìn)行室內(nèi)三維線框圖的勾繪，如圖5所示，完成后可導(dǎo)入Revit中進(jìn)行對(duì)缺少部分的補(bǔ)充，可獲得室內(nèi)BIM，如圖6所示。

圖5 基于全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)下繪制的三維線框

圖6 基于三維線框信息建立的室內(nèi)BIM

通過(guò)以上基于傳統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)與三維激光點(diǎn)云融合的BIM構(gòu)建方法，獲得了6棟BIM模型，如圖7所示。該模型具有基本建筑的空間位置、尺寸、材質(zhì)等屬性信息，構(gòu)建與構(gòu)建之間層級(jí)分明，互相聯(lián)系、互相約束，基于6棟BIM模型，就可以進(jìn)行構(gòu)建信息的查詢與統(tǒng)計(jì)以及出圖在修繕工程中就可以以構(gòu)建好的精細(xì)BIM為基礎(chǔ)開(kāi)展審計(jì)工作，通過(guò)融合的精細(xì)BIM可以直觀地看到建筑的三維實(shí)體模型，對(duì)每部分的位置、屬性都一目了然，比如通過(guò)剖切可以直接查看某一部件的位置，通過(guò)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)查看它的材質(zhì)信息等等。

圖7 6棟BIM成果

3.1.4 BIM模型的應(yīng)用與評(píng)價(jià)

國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議曾明確要?jiǎng)?chuàng)新投融資機(jī)制。老舊小區(qū)改造的資金籌集渠道可以按照“誰(shuí)受益、誰(shuí)出資”的原則，“居民出一點(diǎn)、社會(huì)支持一點(diǎn)、財(cái)政補(bǔ)助一點(diǎn)”，結(jié)合實(shí)際合理確定改造費(fèi)用分?jǐn)傄?guī)則。根據(jù)小區(qū)現(xiàn)狀與改造需求、改造內(nèi)容及工程方案，利用已建好的融合多源數(shù)據(jù)的BIM模型，提取相應(yīng)的工程量，以此計(jì)算出改造所需的經(jīng)費(fèi)，以便政府相關(guān)部門作出科學(xué)決策，為之后的改造費(fèi)用分?jǐn)偺峁┝擞辛Φ臄?shù)據(jù)支持。

在修繕工程的預(yù)結(jié)算階段，利用已建好的融合多源數(shù)據(jù)的BIM模型，可以精確的計(jì)算工程的預(yù)結(jié)算金額，為工程審計(jì)提供了科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)，并避免了工程預(yù)結(jié)算階段由于缺乏圖紙、人工測(cè)量誤差等引起的不必要的糾紛，確保了工程審計(jì)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)6棟的BIM構(gòu)建成果的分析可以得出：對(duì)于現(xiàn)有建筑的BIM建模，可根據(jù)建筑的實(shí)際情況，采取基于三維激光點(diǎn)云與圖紙、測(cè)量數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)融合的BIM構(gòu)建方法，適用與具備圖紙、易于掃描的大多數(shù)建筑，可以有效地彌補(bǔ)單靠一種數(shù)據(jù)來(lái)源構(gòu)建BIM存在的缺陷，成果精細(xì)且準(zhǔn)確。本文提到的對(duì)于現(xiàn)有建筑的BIM構(gòu)建方式，很好地利用Revit平臺(tái)提供的功能，對(duì)于一般建筑方便且實(shí)用，但也存在一定的局限性。例如，隨著建筑的復(fù)雜性越高，建模過(guò)程就越復(fù)雜，加上采取的人工建模的自動(dòng)化程度低，且僅適用于建筑內(nèi)外輪廓框架層面的BIM建模，對(duì)于管道、設(shè)備及線路等其他層面BIM構(gòu)建則需要其他的方式方法，進(jìn)行更專業(yè)、更細(xì)化的研究。目前BIM在審計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初步探索階段，但相關(guān)的研究和實(shí)踐以取得初步成效。本文構(gòu)建的多源數(shù)據(jù)融合的精細(xì)BIM具有精度高、信息豐富兩大特征，將這樣的精細(xì)BIM應(yīng)用到修繕工程的審計(jì)工作中，能夠提高審計(jì)工作的效率與精度，避免很多由于數(shù)據(jù)限制造成的漏審、多審的情況。