基于BIM與三維掃描的建筑物智能拆除方法研究*

王立波 林重才 韓錦文

(安陽(yáng)工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院, 河南安陽(yáng) 455000)

0 引 言

近年來(lái),隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),建筑拆除工程活動(dòng)不斷增長(zhǎng)。2018年,我國(guó)產(chǎn)生的建筑固廢達(dá)到15.9億t[1],其中超過(guò)60%來(lái)源于既有建筑的拆除,并保持約10%的年增長(zhǎng)率[2]。拆除產(chǎn)生的建筑固廢的處理也帶來(lái)了諸多環(huán)保和安全問(wèn)題,包括粉塵污染、有害物質(zhì)[3]等。因此,應(yīng)用生命周期理論,在建筑物的拆除工作中,從拆除前調(diào)查、拆除方案制定、現(xiàn)場(chǎng)拆除到拆除后的建筑固廢處理全周期中,尋找高效、低碳、安全的建筑拆除與固廢消納的方法,逐漸成為建筑行業(yè)研究與應(yīng)用的關(guān)注點(diǎn)。

在歐洲,成熟的建筑拆除流程主要包括:拆除前調(diào)查、拆除計(jì)劃與實(shí)施、固廢管理[4]三個(gè)階段。但在我國(guó),建筑拆除的相關(guān)研究與實(shí)踐仍聚焦于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拆除方案的數(shù)值模擬和施工組織管理[5-7]:通過(guò)既有手段對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估,來(lái)確保結(jié)構(gòu)物按照預(yù)期方案順利倒塌[7],而對(duì)于建筑拆除前的調(diào)查仍處于起步階段。文獻(xiàn)[8-9]指出,我國(guó)在2001—2010年間拆除的建筑大部分壽命僅為30年,其中始建于20世紀(jì)80年代[9]的建筑所占比例最高。由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與施工管理水平的不足,既有建筑的設(shè)計(jì)資料大多已經(jīng)無(wú)法獲得;同時(shí),隨著服役時(shí)間的增加,材料劣化與荷載效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形也使得待拆結(jié)構(gòu)與有限的設(shè)計(jì)資料不符。因此,獲得待拆結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確、詳細(xì)信息,是執(zhí)行安全、高效的建筑拆除的基礎(chǔ)。

另一方面,我國(guó)的研究學(xué)者對(duì)于建筑拆除產(chǎn)生的固廢處理及資源化的研究課題,主要集中于如何提升再生固體廢物的材料學(xué)特性和工程應(yīng)用價(jià)值,如:毛以衛(wèi)[10]、彭立港[11]等研究了再生骨料新舊界面參數(shù)(ITZ),探究了界面參數(shù)與再生粗骨料取代率、水灰比、力學(xué)及耐久性能的相關(guān)關(guān)系;劉錕[12]等從再生混凝土的宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)上,分析并提出了再生混凝土未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì);田青[13]等分析了化學(xué)激活、熱激活、機(jī)械激活等幾種再生微粉的主要激活的內(nèi)在機(jī)理,并指出了現(xiàn)階段再生微粉激活研究存在的問(wèn)題。然而,溯其根源,高效有序的建筑固廢管理才能生產(chǎn)高品質(zhì)的再生骨料及微粉,從而才能提高再生產(chǎn)品的質(zhì)量、推廣其應(yīng)用場(chǎng)景。如何從建筑的全生命周期角度,實(shí)現(xiàn)建筑物從拆除至固廢資源化的全過(guò)程管理:即以固廢資源最大化為導(dǎo)向,保障建筑拆除的安全、高效、環(huán)保、有序,促進(jìn)建筑固廢的再利用與再循環(huán),是目前亟待解決的行業(yè)問(wèn)題。

隨著B(niǎo)IM、三維掃描等信息化技術(shù)在建筑領(lǐng)域的深入融合應(yīng)用,一種以信息化的方法,實(shí)現(xiàn)智能、安全、可持續(xù)的建筑拆除工程,并為建筑固廢資源化提供先行保障為特點(diǎn)的拆除方案被提出——“智能拆除”。它旨在以三維掃描為數(shù)據(jù)采集手段、點(diǎn)云逆向建立的BIM模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),借助BIM的可視化、信息化、集成化優(yōu)勢(shì),為建筑物拆除和固廢管理的全流程管理提供智能化解決方案。相關(guān)的研究已經(jīng)證明,BIM應(yīng)用于建筑拆除及固廢管理優(yōu)勢(shì)明顯[2]。Cheng等使用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了建筑固廢的分類、體量計(jì)算和處置策略制定[14];于向東等在斜交跨線連續(xù)梁快速拆除工程中,使用BIM技術(shù)對(duì)拆除過(guò)程進(jìn)行了模擬[15];黃瑋征等在跨內(nèi)河航道橋梁拆除工程中,應(yīng)用BIM技術(shù)預(yù)先對(duì)施工方案進(jìn)行了模擬,論證了施工方案的合理性[16];羅春燕以BIM為基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)了適用于建筑拆除工程的建筑固廢決策管理系統(tǒng)[17]。同時(shí),作為一種既有建筑的信息采集手段,三維掃描能夠幫助獲取待拆結(jié)構(gòu)精確的幾何與紋理數(shù)據(jù)[18-20],為后續(xù)拆除方案的制定和固廢管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此,融合三維掃描與BIM技術(shù)進(jìn)行建筑拆除,在城市更新和工業(yè)信息化的迫切需求下具有先天優(yōu)勢(shì)。

在此背景下,本文結(jié)合BIM和三維掃描技術(shù),以舊城改造過(guò)程中既有建筑物的拆除工程為案例,提出“建筑物智能拆除”的系統(tǒng)框架:首先使用三維掃描技術(shù)獲取既有建筑的精確幾何信息,并提出了一種基于三角錐靶標(biāo)的點(diǎn)云精確注冊(cè)方法;然后,開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)住宅建筑的點(diǎn)云處理算法,以重建其BIM模型;緊接著,基于該BIM模型,分析了建筑拆除方案的安全性和經(jīng)濟(jì)性。最后,依據(jù)上述方案,以成都市某舊城改造項(xiàng)目的一棟磚混結(jié)構(gòu)建筑為例,進(jìn)行了全流程試驗(yàn),以驗(yàn)證所提方法的可行性。

1 基于BIM與三維掃描的建筑物智能拆除框架

目前的建筑物拆除實(shí)踐中,工程師或管理者多聚焦于現(xiàn)場(chǎng)操作,而時(shí)常忽視前期調(diào)查、拆除計(jì)劃,進(jìn)而為后續(xù)資源化利用帶來(lái)多重障礙(如多種類建筑固廢的分離、高質(zhì)量再生骨料的制造等)。借鑒于歐美較為成熟的“選擇性拆除”[21]體系,結(jié)合BIM信息化集成的優(yōu)勢(shì),本文提出以下建筑物智能拆除與建筑固廢管理系統(tǒng)。系統(tǒng)具體模塊如圖 1所示。

圖1 基于BIM的智能拆除與固廢管理系統(tǒng)框架Fig.1 The framework of intelligent demolition and building solid waste management system based on BIM

1.1 點(diǎn)云采集

為獲取詳盡的待拆結(jié)構(gòu)信息,制定安全可持續(xù)的拆除方案和固廢處置策略,本文使用三維激光掃描采集待拆結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云信息,進(jìn)而獲取精確幾何參數(shù)和材料紋理。

在大型的土木工程結(jié)構(gòu)掃描中,不同設(shè)站點(diǎn)之間的點(diǎn)云注冊(cè)是一個(gè)棘手的問(wèn)題,特別是在精度要求較高的情況下。目前普遍使用的是球形靶標(biāo),將它放置在兩個(gè)設(shè)站點(diǎn)之間的目視范圍內(nèi),作為相鄰兩站點(diǎn)云之間的共同特征來(lái)進(jìn)行后續(xù)的點(diǎn)云注冊(cè)。然而,大型結(jié)構(gòu)的掃描過(guò)程中,由于掃描距離差異,一個(gè)標(biāo)記球體上的點(diǎn)云數(shù)量可能是稀少的;且由于球體的特性,過(guò)大的激光反射角將引起球體表面的點(diǎn)云漂移[22],產(chǎn)生隨機(jī)噪聲,不利于點(diǎn)云的精確注冊(cè)。

為克服以上問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種新的三角錐形標(biāo)靶:該標(biāo)靶由3塊可活動(dòng)的板組成,各塊板之間的角度可以自由調(diào)節(jié),以適應(yīng)不用掃描距離和角度(圖2b)。在三維空間中,3個(gè)互不平行的表面可以確定一個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系。因此,理論上只需在每相鄰兩站之間使用一個(gè)三角形靶標(biāo)即可完成點(diǎn)云的精確注冊(cè)。

a—三角錐形標(biāo)靶; b—標(biāo)靶的點(diǎn)云。圖2 三角錐形標(biāo)靶示意Fig.2 Schematic diagrams of triangular conical target

在點(diǎn)云注冊(cè)過(guò)程中,相鄰點(diǎn)云集A和點(diǎn)云集B含有同一個(gè)三角錐標(biāo)靶面。點(diǎn)云注冊(cè)的目的是,將注冊(cè)點(diǎn)云集B的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到與參考點(diǎn)云集A一致。具體步驟為:1)首先,將三角錐形標(biāo)靶中的共同面分離出來(lái),并計(jì)算其最佳擬合平面;2)緊接著,使用ICP算法計(jì)算兩個(gè)最佳擬合平面的旋轉(zhuǎn)參數(shù)(旋轉(zhuǎn)矩陣[R]和平移矩陣[T],如式(1)),通過(guò)迭代計(jì)算使得兩個(gè)擬合平面的距離函數(shù)F(對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間距離的平方和)取得最小值,進(jìn)而使得兩個(gè)點(diǎn)云集A和B精確注冊(cè)。

[CA]=[R][CB]+[T]

(1)

其中:

式中:α,β,γ分別是繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)角;tx,ty,tz分別是沿繞x、y、z軸的平移距離。

由于該三角錐形標(biāo)靶各個(gè)不同面是互不相交的,因此在大體量點(diǎn)云中很容易被分離出來(lái);同時(shí),空間平面的檢測(cè)與擬合效率要比空間球面更高。因此,使用該方法在理論上可以提高點(diǎn)云注冊(cè)精度和效率。

1.2 幾何參數(shù)提取與BIM重建

為建立待拆結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)精確BIM模型,在點(diǎn)云的基礎(chǔ)上進(jìn)行逆向重建是許多研究與實(shí)踐采用的思路。為此,本節(jié)提出了從點(diǎn)云中提取構(gòu)件幾何參數(shù)的MATLAB算法。其具體流程為:

1)點(diǎn)云分割。由于采集的點(diǎn)云帶有三維空間坐標(biāo),而建筑物在高度方向具有顯著特征,因此,本文按照點(diǎn)云Z坐標(biāo)的差異,將三維點(diǎn)云按照結(jié)構(gòu)樓層分割為N個(gè)集合,即:

{P}={Pi=(xi,yi,zi)∈R3|i=1,2,…,N}

N=樓層數(shù) (2)

2)點(diǎn)云投影與聚類。在每個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)云集合Pi中,將所有點(diǎn)投影至xy平面,得到各層的平面點(diǎn)云集合{Pi,xy}={(xi,yi)∈R2|i=1,2,…N},這個(gè)集合反映了建筑物在該層的平面布置和幾何,包括墻、柱等構(gòu)件的邊線;而后,在每個(gè)平面點(diǎn)云集合{Pi,xy}中,采用聚類優(yōu)化算法[23-24]將不同構(gòu)件的點(diǎn)云進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類,以得到單獨(dú)構(gòu)件的點(diǎn)云集合{Pm,xy}:

{Pm,xy}={(xi,yi)∈R2|i=1,2,…,m}

m為構(gòu)件數(shù) (3)

3)特征線檢測(cè)。在每個(gè)構(gòu)件的點(diǎn)云集合{Pm,xy}中,使用基于上述點(diǎn)云對(duì)該構(gòu)件邊線(或者軸線)的曲線進(jìn)行檢測(cè)和擬合,以得到該構(gòu)件的幾何特征和空間位置。由于本文中的特征線為梁、板、柱、墻的邊線,且均為直線,檢測(cè)較為簡(jiǎn)單,無(wú)需使用復(fù)雜的特征線檢測(cè)算法[25]。其具體方法如圖3所示。

4)特征線擬合與幾何計(jì)算?；谏鲜霾襟E中檢測(cè)到的特征點(diǎn)集合,通過(guò)最小二乘法擬合曲線(式(4a)),計(jì)算上述曲線的長(zhǎng)度L,即為該構(gòu)件的長(zhǎng)度;計(jì)算各構(gòu)件內(nèi)外邊線之間的平均距離D,即可得到構(gòu)件的寬度;

圖3 特征線檢測(cè)算法流程Fig.3 The flowchart of feature line detection algorithm

f(xk)=a1xm+a1xm-1+…+amx+am+1

(4a)

(4b)

(4c)

式中:m的取值根據(jù)特征線的具體特征而定。同理,在xz、yz平面內(nèi)分別運(yùn)行此步驟,即可得到建筑物完整的幾何參數(shù)。表 1為上述步驟的偽代碼。

基于上述方法,可以從點(diǎn)云提取結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),并最終形成各類構(gòu)件幾何參數(shù)的Excel表格,以通過(guò)Dynamo參數(shù)化建模工具建立結(jié)構(gòu)BIM模型。大量研究表明[26-28],使用Excel參數(shù)表驅(qū)動(dòng)Dynamo建立結(jié)構(gòu)BIM模型已十分成熟,限于篇幅,本文亦不再詳細(xì)敘述其具體步驟。技術(shù)上講,由點(diǎn)云幾何建立的BIM模型,將有別于從二維圖紙“翻?！倍玫腂IM模型,具有更高精細(xì)度,與現(xiàn)場(chǎng)高度契合,更有利于工程師詳細(xì)了解結(jié)果狀況,制定拆除計(jì)劃和固廢管理策略;工程角度,相比于人工測(cè)量,使用三維掃描的重建方法,多數(shù)操作將由機(jī)器替代,在很大程度上減少人工投入的同時(shí),獲得人工測(cè)量無(wú)法比擬的完整性數(shù)據(jù)。

表1 點(diǎn)云處理與幾何計(jì)算偽代碼Table 1 Pseudocode of point cloud processing and geometric calculation

1.3 拆除計(jì)劃

1.3.1拆除方法選擇

基于上述預(yù)調(diào)查信息和精細(xì)化BIM模型,結(jié)構(gòu)各部分的資源化利用潛能得到判斷,各構(gòu)件、材料的再利用策略得以確定;同時(shí),對(duì)應(yīng)的詳細(xì)拆除計(jì)劃可以被制定。

對(duì)于城市建筑物而言,主要的拆除方法有:人工拆除、機(jī)械拆除、爆破拆除。其中,人工拆除主要用于低矮建筑物的拆除工作或其他拆除方法的預(yù)先處理與輔助工程,節(jié)能環(huán)保但拆除效率低,工人安全得不到保障;爆破拆除多用于大型結(jié)構(gòu)物的快速拆除,高效、經(jīng)濟(jì),但該方法產(chǎn)生的噪聲、揚(yáng)塵、有害氣體和地震效應(yīng)[5-7,29],具有不可忽視的環(huán)境影響。相比較而言,機(jī)械拆除方法允許各種類型機(jī)械裝備配合使用[30-32],能夠最大程度地保留完整構(gòu)件、減小倒塌范圍,降低環(huán)境影響;同時(shí)又能減少人力投入,保障工人安全,有利于建筑固廢的后續(xù)再利用。

拆除流程的總體原則[29,33]是,先切斷(水、電、氣、管道等)、先上后下、先內(nèi)后外、先附屬后結(jié)構(gòu)。同時(shí),機(jī)械拆除也包含兩種不同拆除順序:1)正向拆除:即逆施工順序,按照結(jié)構(gòu)的荷載傳遞路徑,自上而下逐步拆除。該方法無(wú)需或僅需少量臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu),傳力明確;2)逆向拆除:即按照建筑施工順序,自下而上進(jìn)行拆除施工。該方案需要在拆除底層結(jié)構(gòu)時(shí)有足夠的臨時(shí)支護(hù),以提供豎向支撐能力和抗側(cè)能力;同時(shí)該支撐體系也需要具備豎向下降功能[34]。相比較而言,正向拆除施工簡(jiǎn)單、傳力明確,但需要高空作業(yè)和垂直運(yùn)輸;逆向拆除雖然需要額外的千斤頂系統(tǒng),操作困難、成本較高,但該方法將作業(yè)平臺(tái)轉(zhuǎn)移至地面,減少了場(chǎng)地組織難度和機(jī)械投入,適宜在城市中心場(chǎng)地狹小的地方采用。因此,實(shí)際操作中應(yīng)依據(jù)具體結(jié)構(gòu)特征和拆除要求來(lái)確定具體方案。

基于精細(xì)化BIM模型,拆除方法和拆除順序可以通過(guò)三維模擬進(jìn)行優(yōu)化和確定。在BIM模型中,對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)按空間區(qū)域、平面區(qū)域、單獨(dú)構(gòu)件的層級(jí)劃分層次,按照優(yōu)先級(jí)將各空間區(qū)域、平面區(qū)域和構(gòu)件賦予時(shí)間依存信息,在虛擬環(huán)境中按照預(yù)定方案和拆除順序進(jìn)行模擬,找出施工交叉點(diǎn)和矛盾點(diǎn),反過(guò)來(lái)對(duì)拆除方案、順序和進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,從而得到最優(yōu)的拆除計(jì)劃。

1.3.2安全性評(píng)估

在確定拆除方案時(shí),預(yù)先確保方案的安全性是至關(guān)重要的工作。然而,多數(shù)建筑物在服役多年后,設(shè)計(jì)文件的缺失,以及服役期間產(chǎn)生的傾斜、形變、材料退化等現(xiàn)象,給拆除方案的安全性帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

本系統(tǒng)中,得益于BIM的三維可視化及其與有限元結(jié)構(gòu)分析平臺(tái)的良好互操作性,通過(guò)轉(zhuǎn)換接口[35-37]將BIM模型轉(zhuǎn)換為有限元(FEM)分析模型,可以快速建立待拆結(jié)構(gòu)物的力學(xué)計(jì)算模型;接下來(lái),按照前述步驟制定的拆除方案,分階段進(jìn)行全過(guò)程的受力分析,通過(guò)研究結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)來(lái)判斷拆除方案的安全性[29,33],并依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)拆除方案和順序進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,最終確定安全、高效、節(jié)能、環(huán)保的拆除方案。綜合多種模擬方法,滿足安全的建筑拆除方案優(yōu)化思路如下:

(5)

式中:P為結(jié)構(gòu)拆除順序;S(P)為當(dāng)前拆除階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力;S(c)為控制應(yīng)力;U(P)為當(dāng)前拆除階段的結(jié)構(gòu)變形;U(c)為控制變形;W(m)為當(dāng)前拆除階段的材料損失率。

由1.1節(jié)可知,本文的BIM模型帶有建筑物實(shí)時(shí)狀態(tài)信息,通過(guò)將BIM轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的有限元分析模型,其構(gòu)件尺寸、節(jié)點(diǎn)形式和連接狀況、材料屬性仍然保留。相較于傳統(tǒng)方法從原始設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量數(shù)據(jù)[38]中建模,由BIM模型直接轉(zhuǎn)換得到的FEM模型,其數(shù)據(jù)來(lái)源更為完整可靠;且轉(zhuǎn)換得到的FEM模型為實(shí)體模型,可以根據(jù)所需精細(xì)程度自定義模型的精細(xì)程度。這從信息源和精細(xì)程度上均提高了有限元模型的準(zhǔn)確性,從而進(jìn)一步確保了分析拆除方案的安全性。

1.4 建筑固廢管理

1.4.1材料分類與數(shù)量統(tǒng)計(jì)

固廢管理與資源化的總體原則是,盡可能提高固廢回收利用率,并盡可能按照不同材料特點(diǎn)制定精細(xì)化利用策略。而預(yù)先確定待拆建筑物的材料類別和對(duì)應(yīng)體量,是制定回收處置方案的前提。BIM模型為我們提供了建筑物固廢材料分類與體量計(jì)算的可能。BIM模型建立時(shí),構(gòu)件按照功能進(jìn)行了分類,包括門(mén)、窗、墻、柱、梁、板等,其對(duì)應(yīng)的材料種類及特性也已經(jīng)被記錄在構(gòu)件本身的屬性信息中。通過(guò)BIM平臺(tái)的計(jì)算模塊,可以快速計(jì)算整個(gè)待拆結(jié)構(gòu)的材料種類及其對(duì)應(yīng)數(shù)量[14]。值得注意的是,從BIM模型中計(jì)算得出的材料體積,并非最終需要處理的材料數(shù)量時(shí),有以下幾個(gè)因素會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響:1)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的損耗;2)粗處理造成的體積變化;3)單位轉(zhuǎn)換時(shí)的密度取值?？紤]三者的綜合影響后,本文引入體積變化系數(shù)Fv[14],并根據(jù)式(6)計(jì)算最終的待處理建筑固廢數(shù)量:

Mi=Voi×Fvi×Di

(6)

式中:Mi為材料i的待處理工程量,t;Voi為從BIM中提取的材料i的體積,m3;Fvi為材料i的體積變化系數(shù);Di為材料i的平均密度,kg/m3。

1.4.2處置方案選擇與成本估算

為進(jìn)一步促進(jìn)建筑固廢再利用,對(duì)于每種不同的材料類型,需要依據(jù)其退化狀況和材料特性制定不同的回收與處置方案,并依據(jù)對(duì)應(yīng)數(shù)量計(jì)算相應(yīng)的處置成本,以便工程管理人員實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。主要的處置方法包括:回收(直接)再利用、回收(處理后)再利用、選擇性回收、填埋[39]。由待拆結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的建筑固廢處理所產(chǎn)生的費(fèi)用按照下列方法計(jì)算?？傎M(fèi)用分為4類[40-41]:1)收集費(fèi)用。產(chǎn)生于拆除現(xiàn)場(chǎng)的粗處理和轉(zhuǎn)運(yùn);2)運(yùn)輸費(fèi)用。表示從拆除現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸至處理工廠的費(fèi)用;3)回收處置費(fèi)用。表示建筑固廢回收處置所需要花費(fèi)的費(fèi)用,本例中用回收處理廠的報(bào)價(jià)作為參考;4)填埋費(fèi)用。當(dāng)材料性能無(wú)法滿足回收利用的要求時(shí),須進(jìn)行填埋處置,該過(guò)程產(chǎn)生的費(fèi)用屬于填埋費(fèi)用。按照式(7)可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的處置成本C:

(7)

式中:Mi為材料i的待處理工程量,t;Ci為材料i的單位收集費(fèi)用,元/t;Ti為材料i的單位運(yùn)輸費(fèi)用,元/t;di為對(duì)應(yīng)運(yùn)輸距離,km;Ri為材料i的單位回收處理費(fèi)用,元/t;Li為材料i的單位填埋費(fèi)用,元/t。

在BIM提供了詳細(xì)工程量數(shù)據(jù)下,不同的處置方案成本比較模型是容易實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)對(duì)不同方案的成本比較,可以在考慮經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境效益雙重因素下,制定各項(xiàng)材料的收集和存放位置,并確定后續(xù)運(yùn)輸、處置方案,為整個(gè)拆除項(xiàng)目提供經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)參考。

2 工程實(shí)踐

為闡明本文所提出的智能拆除框架的過(guò)程,作者以西南地區(qū)某舊城改造項(xiàng)目中一棟磚混結(jié)構(gòu)的拆除工作為例,詳細(xì)介紹了基于BIM的智能拆除與固廢管理實(shí)施流程。該建筑始建于20世紀(jì)80年代,已經(jīng)使用近40年,圖紙和設(shè)計(jì)文件早已缺失,而當(dāng)?shù)卣Ｍ栽摻ㄖ槔?探索一個(gè)智能與可持續(xù)的建筑拆除新方法。

2.1 數(shù)據(jù)采集與BIM模型重建

在本項(xiàng)目中,研究人員使用3D地面掃描儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)物的調(diào)查和數(shù)據(jù)采集。整個(gè)采集工作主要分為3部分:1)建筑物外立面點(diǎn)云采集。在建筑物周圍,選取合適的設(shè)站位置及三角錐標(biāo)靶設(shè)置位置,使用掃描儀對(duì)整個(gè)建筑物外立面進(jìn)行掃描,其原則是:盡可能減少設(shè)站次數(shù)以降低拼站誤差,同時(shí)保證每相鄰兩站點(diǎn)云間包含同一個(gè)三角錐標(biāo)靶面。2)建筑物內(nèi)部點(diǎn)云采集。建筑物內(nèi)部按照空間和功能分區(qū),分別采集各區(qū)域的完整點(diǎn)云。3)內(nèi)外連接處點(diǎn)云采集。為保證建筑物內(nèi)外點(diǎn)云的融合,需要對(duì)建筑物內(nèi)外連接處(如窗、門(mén))進(jìn)行加強(qiáng)掃描,以保證在連續(xù)兩站點(diǎn)云中包含同一掃描對(duì)象的特征點(diǎn)云,以作為后續(xù)點(diǎn)云拼接的參考點(diǎn)。值得注意的是,由于掃描儀的視角限值,結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角處和內(nèi)外連接處需增設(shè)站點(diǎn)對(duì)相鄰兩個(gè)平面進(jìn)行點(diǎn)云加強(qiáng)采集。

在建筑物完整點(diǎn)云獲取后,使用1.1節(jié)中的方法進(jìn)行點(diǎn)云注冊(cè),將各站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行全局注冊(cè)、拼接,得到建筑物的三維點(diǎn)云模型(圖 4a)。緊接著,使用1.2節(jié)的點(diǎn)云處理和幾何參數(shù)提取方法,對(duì)建筑物原始點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云投影、聚類、特征線檢測(cè)等處理,得到各層的幾何參數(shù);最后,使用Excel參數(shù)表格驅(qū)動(dòng)Dynamo重建該建筑物的BIM模型。圖 4b、4c展示了本項(xiàng)目特征線檢測(cè)結(jié)果,以及依據(jù)幾何參數(shù)重建的BIM;圖 5以2層點(diǎn)云為例,詳細(xì)展示了點(diǎn)云投影、聚類、去噪及特征線的檢測(cè)和擬合過(guò)程。

a—原始點(diǎn)云; b—特征線檢測(cè); c—BIM模型。圖4 點(diǎn)云處理及BIM重建Fig.4 Point cloud processing and BIM reconstruction

a—點(diǎn)云投影; b—點(diǎn)云聚類、去噪; c—特征線檢測(cè)、擬合。圖5 點(diǎn)云處理結(jié)果(以二層為例)Fig.5 Point cloud processing results (taking the 2nd layer as an example)

2.2 拆除計(jì)劃

受限于現(xiàn)場(chǎng)條件和環(huán)境影響要求,本文選擇機(jī)械拆除、輔以人工的拆除方法。如圖 6,將待拆除構(gòu)件按照類別分為不同集合:門(mén)、窗、瓷磚、樓梯間、墻、板、樓梯、框架梁、框架柱、基礎(chǔ)等,并分別賦予必要的工作時(shí)間;在Naviswork的可視化施工模擬平臺(tái)中,可以對(duì)整個(gè)拆除方案按時(shí)間進(jìn)度進(jìn)行模擬。

本文依據(jù)文獻(xiàn)[29,33]的方法,將整個(gè)拆除過(guò)程分為16個(gè)小項(xiàng),4個(gè)大項(xiàng),分別為:1)準(zhǔn)備工作。包括正式拆除前期的場(chǎng)地清理與規(guī)劃、水電氣等能源截?cái)?、有害物質(zhì)清除以及人員和機(jī)械準(zhǔn)備;2)非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件拆除。對(duì)門(mén)、窗、墻磚等非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件進(jìn)行人工+機(jī)械拆除。這些構(gòu)件拆除工作相對(duì)簡(jiǎn)單,且部分具有回收利用價(jià)值;3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件分層拆除。由于該結(jié)構(gòu)為服役多年的磚混結(jié)構(gòu),按照正向拆除順序,按照荷載傳遞路徑,從頂層樓梯間開(kāi)始至底層分層拆除;每層按照墻、板、樓梯的構(gòu)件順序進(jìn)行拆除;每個(gè)構(gòu)件先拆除其表層瓷磚、砂漿混凝土,再拆除其內(nèi)部混凝土、燒結(jié)磚等,并暫時(shí)堆放在對(duì)應(yīng)各樓層樓板上,待整層全部拆除結(jié)束后再轉(zhuǎn)運(yùn)至臨時(shí)堆放場(chǎng)地;4)框架柱拆除。待所有其他構(gòu)件全部拆除結(jié)束后,使用大型機(jī)械對(duì)框架梁和柱進(jìn)行拆除。模擬結(jié)果表明,樓梯及其隔墻的拆除應(yīng)調(diào)整至各樓層隔墻與樓板拆除之后最后進(jìn)行,否則無(wú)法為人工、材料和機(jī)具轉(zhuǎn)運(yùn)提供通道和臨空作業(yè)保護(hù)。進(jìn)度模擬表明,在人員固定的情況下,數(shù)據(jù)采集、準(zhǔn)備工作和非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件拆除工作可以穿插施工,以提高施工效率。按照標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)計(jì)算,該拆除項(xiàng)目需要耗時(shí)5個(gè)工作日(從前期準(zhǔn)備至材料轉(zhuǎn)運(yùn)至回收處理廠),其中,樓層構(gòu)件的拆除和臨時(shí)存儲(chǔ)耗時(shí)接近2.5個(gè)工作日。雖然該方案在施工效率上稍有犧牲,但實(shí)現(xiàn)了各類材料的精細(xì)化分類拆除,推動(dòng)了后續(xù)建筑固廢的資源化利用的高效進(jìn)行。

a—拆除方案模擬; b—進(jìn)度計(jì)劃制定。圖6 拆除方案與進(jìn)度計(jì)劃模擬Fig.6 Deconstruction scheme and schedule simulation

2.3 安全性評(píng)估

ABAQUS作為經(jīng)典有限元分析軟件,與Revit有共同的內(nèi)核ACIS,均支持.sat格式的讀取,因此具有良好的交互性[36-38]。但是,由于.sat本身僅存儲(chǔ)ACIS的點(diǎn)、線和實(shí)體,目前僅支持Revit以Part的形式進(jìn)行導(dǎo)出,然后在ABAQUS中進(jìn)行修正[36-37]。當(dāng)結(jié)構(gòu)由多種復(fù)雜構(gòu)件組成時(shí),這種傳輸方法反而會(huì)增加修正時(shí)間、降低傳輸效率。因此,本文基于Revit API中的應(yīng)用程序接口,在Revit中過(guò)濾和提取所有構(gòu)件類型、材料類型、構(gòu)件編號(hào)和位置,然后將其寫(xiě)入INP文件的相應(yīng)字段下,整合并檢查正確性后寫(xiě)入ABAQUS以實(shí)現(xiàn)Revit模型至有限元分析模型的快速轉(zhuǎn)換[14,36],來(lái)避免重復(fù)建立有限元模型。其轉(zhuǎn)換方法、數(shù)據(jù)流如圖7所示。

圖7 Revit模型信息提取方法流程Fig.7 The flowchart of Revit model information extraction method

由于在Revit模型中,結(jié)構(gòu)的荷載狀況難以準(zhǔn)確獲取[42],因此需要在ABAQUS中,按照實(shí)際情況設(shè)定荷載情況,檢查邊界條件,并按照預(yù)定義的拆除方案設(shè)置分析步后進(jìn)行仿真模擬。特別的,每層前序拆除的臨時(shí)堆放物,根據(jù)BIM模型中的體量和密度,換算為相應(yīng)的恒載均勻施加在樓板上:例如,當(dāng)拆除二層樓板和側(cè)墻時(shí),將二層以上已經(jīng)拆除的側(cè)墻和樓板按其重力換算為均布荷載施加于二樓樓板[43]。機(jī)械振動(dòng)按照其自重的1.2倍施加于樓層側(cè)墻。表 2列舉了本例中必要的材料特性,由現(xiàn)場(chǎng)工程師使用無(wú)損檢測(cè)方法獲得。如圖 8,頂樓拆除階段,最大主拉應(yīng)力為0.210 8 MPa,出現(xiàn)在二層樓板跨中位置,最大形變量為1.43 mm;二層拆除階段,最大主拉應(yīng)力為0.147 6 MPa,出現(xiàn)在一層南面圈梁跨中位置,最大形變量為3.69 mm;結(jié)果表明,其最大拉應(yīng)力和形變均在混凝土抗拉強(qiáng)度和可控形變[43]范圍內(nèi),不會(huì)產(chǎn)生突然倒塌現(xiàn)象,上述拆除方案安全。

表2 待拆建筑物材料特性Table 2 Material properties of the buildings to be demolished

需要注意的是,本方法僅對(duì)該案例中的梁、板、柱和墻單元的轉(zhuǎn)換進(jìn)行了試驗(yàn)分析,證明了其有效性。但由于本案例結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,包含結(jié)構(gòu)類型少且需要提取的數(shù)據(jù)量和類型不大,該方法仍具有限制性,對(duì)大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的信息流轉(zhuǎn)換仍需進(jìn)一步研究。

a—頂樓拆除階段;b—二層拆除階段。圖8 不同拆除階段的應(yīng)力云圖 MPaFig.8 Stress cloud maps of different demolition stages

2.4 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

在本模塊中,結(jié)構(gòu)構(gòu)件按照其材料類型進(jìn)行分類和統(tǒng)計(jì),主要包括:混凝土、金屬、木材、玻璃、砌體磚、瓷磚。對(duì)于BIM中每個(gè)被選中的構(gòu)件,Revit的材料參數(shù)函數(shù)可以自動(dòng)計(jì)算該構(gòu)件組成材料的數(shù)量,并按照類別累加。例如,本例中的室內(nèi)門(mén)由木材、金屬、玻璃3種材料組成,而該函數(shù)會(huì)分別提取這3種不同材料的類型、體積參數(shù)。本例中對(duì)應(yīng)材料類型、體積及待處理數(shù)量如表 3所示。

表3 材料分類與數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 3 Material classification and quantity statistics

為評(píng)估和確定各類材料的不同處置方案,本文通過(guò)比較3個(gè)典型方案下的經(jīng)濟(jì)成本:1)回收;2)填埋;3)選擇性回收,其結(jié)果如圖 9所示。經(jīng)測(cè)算,若將上述各類型固廢全部回收處置,總成本達(dá)到12 674.30元;其中,混凝土和黏土磚在專業(yè)處置工廠回收處置階段的成本分別占據(jù)29%和31%;若將上述所有固廢進(jìn)行填埋,總成本僅為3 905.02元;其中混凝土和黏土磚的現(xiàn)場(chǎng)收集各自占比16%,填埋成本各占比25%左右。當(dāng)選擇將再利用價(jià)值高的混凝土、木材、玻璃、金屬進(jìn)行回收,而對(duì)回收價(jià)值相對(duì)低的黏土磚、瓷磚進(jìn)行填埋處理時(shí),其總成本為9 435.07元;其中,混凝土的回收和黏土磚的運(yùn)輸成本占據(jù)39.5%和20.7%。值得注意的是,該比較模型中,拆除現(xiàn)場(chǎng)至回收站的運(yùn)輸距離為35 km,至填埋現(xiàn)場(chǎng)的距離為5 km。

基于上述比較分析可以看出,將該項(xiàng)目全部建筑固廢回收處理成本較高,而全部直接填埋又會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境負(fù)荷;綜合分析下,同時(shí)考慮降低施工成本、并最大化建筑固廢的回收利用,本文決定采用選擇性回收方案,即將混凝土、木材、玻璃、金屬轉(zhuǎn)運(yùn)至固廢綜合處理工廠進(jìn)行回收處置,將黏土磚、瓷磚運(yùn)輸至另一公路工程施工場(chǎng)地埋場(chǎng)處理。其最終的各類材料的不同處理過(guò)程費(fèi)用見(jiàn)表 4。由計(jì)算結(jié)果可知,整個(gè)建筑物的固廢處置費(fèi)用總計(jì)約9 435.07元,其中混凝土的回收處置費(fèi)用占據(jù)了整個(gè)過(guò)程的大部分成本(39.5%),這是由于當(dāng)?shù)氐慕ㄖ虖U產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成,少量的幾家企業(yè)缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的價(jià)格偏高;同時(shí),由于回收處置的單價(jià)偏高,鋼筋等金屬的回收處理成本仍不容忽視,盡管在本例中其數(shù)量較少、所占用處理成本較小。另外,由于該建筑為磚混結(jié)構(gòu),黏土磚的填埋成本也不容忽視。

a—回收;b—填埋; c—選擇性回收。圖9 3種不同處置方案的成本分析Fig.9 Cost analysis of three different disposal options

總體來(lái)講,基于精細(xì)化BIM模型,本框架實(shí)現(xiàn)了建筑固廢的材料分類、算量,并基于該數(shù)據(jù),對(duì)各類固廢的處置方案的相應(yīng)成本進(jìn)行了詳細(xì)估算。該方法能夠?yàn)楣こ坛邪痰某杀究刂铺峁﹨⒖?也更有利于生產(chǎn)出高質(zhì)量的固廢再生產(chǎn)品。

表4 各類建筑固廢的處置費(fèi)用計(jì)算Table 4 Calculation of disposal costs for all types of building solid waste

3 結(jié) 論

在分析了我國(guó)建筑拆除和垃圾管理現(xiàn)狀的背景下,提出了基于三維掃描和BIM的建筑物智能拆除與管理系統(tǒng),對(duì)建筑物拆除過(guò)程中的預(yù)調(diào)查、拆除計(jì)劃、固廢管理提供了智能化的解決方案。以我國(guó)西南地區(qū)某建筑物拆除項(xiàng)目為例,應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)該建筑物完成了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、BIM模型創(chuàng)建、拆除方案與計(jì)劃模擬、安全性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。總體來(lái)說(shuō),該方案具有以下優(yōu)勢(shì):

1)提出了一種基于三角錐形標(biāo)靶的建筑結(jié)構(gòu)點(diǎn)位精確注冊(cè)方法,降低了圓形標(biāo)靶的點(diǎn)云散射飄移問(wèn)題,提高了建筑結(jié)構(gòu)多站點(diǎn)云的注冊(cè)精度;

2)采用開(kāi)發(fā)的相關(guān)算法,計(jì)算了建筑物的幾何參數(shù),并據(jù)此重建了待拆結(jié)構(gòu)的完整BIM模型,降低了人工測(cè)量與調(diào)查時(shí)的安全威脅,并提高了數(shù)據(jù)的真實(shí)性、完整性和可視化程度;

3)BIM為建筑物拆除的方法選擇、順序確定和進(jìn)度計(jì)劃提供了可靠的三維可視化工具,可以對(duì)計(jì)劃中的不合理單項(xiàng)進(jìn)行順序調(diào)整、工期優(yōu)化,以獲得最安全、高效的拆除方案;

4)基于BIM可快速建立待拆建筑物FEM模型,對(duì)各拆除階段進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算,確保擬定拆除方案的安全性;

5)BIM模型提供了精確的材料分類、數(shù)量統(tǒng)計(jì)功能,基于此可實(shí)現(xiàn)拆除后各類固廢的分類收集、處理、轉(zhuǎn)運(yùn)、填埋等成本計(jì)算,為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、資源最大化的固廢管理提供了更為精細(xì)化的數(shù)據(jù)。

本文提出的基于BIM的建筑物智能拆除方案,能夠提升其信息化、可視化程度,并為拆除方案制定和后續(xù)建筑固廢的處置提供精細(xì)化管理工具,有利于實(shí)現(xiàn)既有建筑的安全,提升建筑固廢的再生利用率,實(shí)現(xiàn)智能化、可持續(xù)的建筑拆除生命周期管理。