基于三維激光掃描測繪技術(shù)的BIM逆向建筑建模方法研究

伍根,熊小龍

(1.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 咸寧 437100; 2.湖北曉雲(yún)科技有限公司,湖北 武漢 430073)

0 引 言

隨著建筑結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜、建筑體量日益龐大,傳統(tǒng)的二維線條很難表達清楚建筑設(shè)計意圖以及建筑物空間關(guān)系,同時也增大了施工方理解圖紙的難度,不利于施工質(zhì)量的保證。另外,在利用圖紙傳遞工程信息時,各方提出的修改意見不能及時反映到圖紙當(dāng)中,從而極易造成工程信息丟失[1]。而BIM技術(shù)的核心是通過建立包含建筑物真實信息的三維建筑信息模型,使得建設(shè)項目不同階段的不同參與方都可以在這個信息模型中獲取所需的信息,實現(xiàn)建設(shè)項目全生命周期的信息高效共享,提高建設(shè)項目全生命周期內(nèi)的管理效率,解決了二維設(shè)計以及傳統(tǒng)三維設(shè)計所具有的不足和局限性的問題。基于此,本文針對三維激光掃描的逆向建筑建模方法展開研究。

1 基于點云數(shù)據(jù)的BIM逆向建筑建模實現(xiàn)

1.1 基于點云數(shù)據(jù)的BIM逆向建筑建模流程

BIM逆向建筑建模的過程就是建筑逆向設(shè)計的過程,雖然建筑物的表現(xiàn)形式各有不同,但將建筑物拆分來看,都是由柱、梁、墻、門、窗等幾種重要構(gòu)建組成,基于此,可以將重要構(gòu)建的模型控制為不變量,將構(gòu)件的材料、尺寸、布設(shè)方式設(shè)置為變量,根據(jù)建筑物實際情況,改變變量后再拼接組合即可,所以基于點云數(shù)據(jù)的BIM逆向建筑建?？傮w流程中,重要建筑構(gòu)件逆向建模和建立族是核心環(huán)節(jié),總體逆向建筑建模流程圖如圖1所示。

圖1 基于點云數(shù)據(jù)的BIM逆向建筑建模流程圖

1.2 重要建筑構(gòu)件的逆向建模

對于建筑結(jié)構(gòu)的點云數(shù)據(jù)圖像來說,可以把其看作由墻點云、柱點云、梁點云、板點云及其他各類構(gòu)件的點云所組成,建筑結(jié)構(gòu)BIM逆向建模過程即是對構(gòu)件的BIM逆向建模。而在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件中,很大一部分構(gòu)件的截面形狀為規(guī)整的矩形或正方形,如墻、柱、梁、樓板等構(gòu)件,這類構(gòu)件的建模一般只需確定其截面尺寸和標高數(shù)值便可以被創(chuàng)建出來。

BIM逆向建模也是一種逆向設(shè)計過程,參考建筑BIM模型設(shè)計中的參數(shù)化設(shè)計概念,由于兩者所面對的對象是一致的,因此它們可用于指導(dǎo)模型重建過程。從FaroScene和ReCap360中提取單個構(gòu)件(例如管,柱,梁等)的點云,然后將其導(dǎo)入BIM建模軟件,完善成單一構(gòu)件的點云BIM模型。每種類型的構(gòu)件都有一種模型,模型的尺寸和特性由參數(shù)控制,可根據(jù)實際情況更改數(shù)據(jù)。最后,通過堆疊不同構(gòu)件,可以建立整個建筑的點云BIM模型。

Faro(法如)公司的As-built插件能夠進行重要構(gòu)建的逆向建模,能夠與主流BIM建模軟件相匹配,并且具備從點云數(shù)據(jù)中自動提取構(gòu)件信息的功能,操作簡單、構(gòu)件界面數(shù)據(jù)信息準確、建模效率較高。以下列舉柱、梁、墻三種關(guān)鍵構(gòu)件,說明逆向建模的要點。

(1)柱的BIM逆向建模

柱的創(chuàng)建需要確定柱的位置、類型、截面尺寸、材質(zhì)及標高等信息,其中類型、材質(zhì)等屬性信息在點云數(shù)據(jù)中可以方便地獲取,而截面尺寸信息的獲取比較煩瑣和費時,As-built插件中集成了矩形截面提取算法,對柱子截面尺寸的獲取非常方便[6]。As-built插件中有柱擬合創(chuàng)建的功能,需在創(chuàng)建柱的選項表中選擇柱的類型,若選項列表中沒有所需的柱類型,則需要從軟件自帶的族庫中載入合適的柱族,或自行創(chuàng)建柱族。然后在柱點云的兩個側(cè)面上任意選擇三個點,軟件會根據(jù)這三個點提取柱的截面尺寸,并自動擬合出柱模型[7]。

(2)梁的BIM逆向建模

在As-built插件中,梁的創(chuàng)建方式與柱類似,需要確定的信息包括梁的位置、類型、截面形式、材質(zhì)及標高等[8]。首先,根據(jù)點云中梁的形態(tài)在梁的創(chuàng)建窗口中選擇合適的類型,沒有的梁類型可以在Revit族庫中選擇添加。然后通過點選梁對角面上的四個端點軟件即可自動提取梁的截面尺寸,并擬合出梁的模型[9]。

(3)墻的BIM逆向建模

創(chuàng)建墻體前要先提取出墻體的輪廓線,輪廓線是確定墻體厚度、位置的重要參照。墻輪廓線的提取可以通過As-built插件完成,選擇好一個視圖平面并設(shè)置好合適的視圖范圍,以便能盡量多且準確地提取墻體部分的點云數(shù)據(jù),再通過“準備點云”功能的識別和計算,視圖平面中就會自動生成一個準備平面并在上面給出墻的輪廓線,接著需要通過“擬合墻面”功能計算墻的位置、厚度以及給出墻的類別。如果擬合得到的參考模型不滿足要求,可以修改以上參數(shù),直至滿足要求為止[10]。經(jīng)“擬合墻面”生成墻后還需對其進行對齊和連接處理,對齊是指使墻的軸線都位于同一條直線上,插件的“對齊墻”功能可以分析計算出目前墻的偏差情況,通過設(shè)置“參考方向的最大偏差”和“墻面的最大旋轉(zhuǎn)角度”參數(shù)可實現(xiàn)墻的對齊[11]。墻體BIM逆向建模如圖2所示。

圖2 墻體BIM逆向建模

1.3 點云BIM模型族的建立

Revit族是建筑信息模型中的組成單元,它既是一種類型的建筑構(gòu)件的外部形態(tài)表示,又是這種類型構(gòu)件的數(shù)據(jù)集合,而控制該類型建筑構(gòu)件外部形態(tài)特征的就是其內(nèi)部的數(shù)據(jù)組成。每一種不同構(gòu)件類型Revit族都具有各自的參數(shù),如材質(zhì)、尺寸、物理屬性等,通過參數(shù)的變換一種類型的族可以創(chuàng)建多種不同形態(tài)的建筑構(gòu)件,這便是族參數(shù)化建模思路。

在Revit中創(chuàng)建族有兩種途徑,第一種是直接打開Revit中的自帶族文件,Revit內(nèi)置有很多常用的標準族文件,故而使用者可以通過修改已有族文件的方式創(chuàng)建新的族文件,第二種是可以通過Revit中的族樣板文件直接創(chuàng)建新族。

創(chuàng)建參數(shù)化族的主要步驟如圖3所示:

圖3 Revit族圖元

(1)輔助線定位:通過標高、軸網(wǎng)等輔助線對Revit族的位置、輪廓、規(guī)格調(diào)整和定位。

(3)測試族:初步創(chuàng)建完畢后測試Revit族的精確度,可以上傳到BIM的項目環(huán)境中對族模擬測試,確保Revit族的定位、參數(shù)均符合實際工況要求后,才能投入使用。

對于建立點云BIM模型的族文件來說,也可以參照上述建立族的標準流程,唯一的不同是創(chuàng)建前期的工作更復(fù)雜。對基于點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建族來說,其實質(zhì)是將整體建筑點云切割成單獨的構(gòu)件點云,在族創(chuàng)建時以其作為參照開展建模作業(yè)。雖然這種方法一定程度上使創(chuàng)建的模型更符合實際,但實際上過程較為煩瑣,若能直接通過拾取點云數(shù)據(jù)便能自動擬合出構(gòu)件模型才是一種更有利于實際應(yīng)用的BIM模型創(chuàng)建方式,目前這種方法正在越來越多地被探索。

2 BIM逆向建筑建模實例分析

2.1 工程概況

以某理工大學(xué)教學(xué)樓為四層剪力墻結(jié)構(gòu)建筑,該建筑占地面積為 1 600 m2,高度為 20 m,該建筑及周圍環(huán)境如圖4所示。

圖4 建筑及周邊環(huán)境圖

目前該建筑使用時間已經(jīng)超過40年,使用期間經(jīng)過多次局部改造和裝修,基本可以滿足現(xiàn)階段教學(xué)功能需求。但考慮到建筑投入使用時間較長,建筑內(nèi)部設(shè)備、部件等存在老化情況,為進一步提高建筑安全性,擬通過點云數(shù)據(jù)建立BIM模型,以此來為教學(xué)樓的改造和維護提供參考依據(jù)。

2.2 點云數(shù)據(jù)獲取

利用三維激光掃描儀向待測物發(fā)射激光光束掃描,獲取掃描數(shù)據(jù)并統(tǒng)一上傳到計算機存儲系統(tǒng)中。點云數(shù)據(jù)的采集主要分為準備和掃描兩個階段,其中,準備階段需要開展測區(qū)勘探、控制測量兩項工作;掃描階段需要開展標靶布設(shè)、標靶中心坐標獲取、掃描儀設(shè)置、掃描參數(shù)設(shè)置、粗略掃描、精確掃描、場景拍照七項工作。

點云數(shù)據(jù)采集過程中需要注意以下問題:盡量避開樹木、建筑等遮擋物;相鄰測站掃描區(qū)域應(yīng)有重疊部分;根據(jù)測繪區(qū)域情況設(shè)置觀測站,在保證點云數(shù)據(jù)完整性的同時,盡量提高外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集效率。

2.3 點云數(shù)據(jù)處理

(1)BIM模型族的建立

①輔助線定位:根據(jù)實際建筑面積、標高、尺寸等,設(shè)置三維模型的定位輔助線,調(diào)整三維模型中的各個族的規(guī)格、輪廓和位置,確保各項族符合實際情況。

建筑工程施工單位在管理工作中，沒有建立科學(xué)的管理制度，對于建筑工程施工質(zhì)量問題沒辦法做到實時監(jiān)管，這對于建筑工程管理工作的開展造成了一定的影響。同時對于施工的具體環(huán)節(jié)也沒有建立完備的監(jiān)督和管理制度，未建立科學(xué)的質(zhì)量監(jiān)督理念，對于施工質(zhì)量的監(jiān)督工作缺乏重視。另外，在監(jiān)督建筑工程的時候，也沒有創(chuàng)建一個有效的責(zé)任追究制度和獎勵懲罰制度，假使在監(jiān)督過程中發(fā)現(xiàn)有人違反操作條例，也沒有什么措施對其進行處罰，這也導(dǎo)致很多施工人員蒙混過關(guān)，不按照公司的規(guī)章制度去完成工作，嚴重影響了建筑工程的施工效率和質(zhì)量。

②添加參數(shù):根據(jù)實際建筑尺寸,將其轉(zhuǎn)化為等比例參數(shù),使三維實景模型中族的尺寸、布設(shè)方式、材質(zhì)等符合實際情況,為進一步提高三維模型精度,除了以上參數(shù)外,還需要設(shè)置顏色、光滑度、光照度等參數(shù),參數(shù)越多,三維模型精度越高。

③測試族:三維實景模型族創(chuàng)建完成后,對族運行測試,檢查族的各項參數(shù)是否符合實際建筑情況,并修改存在誤差的族。

(2)點云配準、去噪和濾波

①點云配準,首先通過RTC360掃描儀配套軟件CycloneRegister360預(yù)處理教學(xué)樓的原始數(shù)據(jù),該軟件能迅捷高效地處理大量點云數(shù)據(jù),能在軟件中對教學(xué)樓掃描結(jié)果配準處理,將各測站采集到的點云數(shù)據(jù)合并成一個能反映掃描目標的點云數(shù)據(jù)。在預(yù)處理軟件中可根據(jù)掃描儀采集到的相鄰測站上相互重疊區(qū)域內(nèi)的點云與圖像資料實施自動拼接。

②點云去噪和濾波,將之前已經(jīng)配準好的點云導(dǎo)入Cloudcompare軟件中,為將周圍車輛、樹木等點云噪聲刪減,可使用“裁剪”功能對配準后的點云完成粗剪;此時點云仍需精細去噪將粗剪中剩余的噪聲點云進一步刪除,針對這步操作可在軟件中選擇“SORfilter”命令以及“Noisefilter”命令,完成點云的去噪工作。

點云數(shù)據(jù)處理后需要將其轉(zhuǎn)換為適用于BIM逆向建模軟件可以處理、識別的數(shù)據(jù)格式,然后將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模軟件獲取三維模型,如圖5所示。

圖5 導(dǎo)入Revit的點云數(shù)據(jù)

2.4 點云數(shù)據(jù)逆向構(gòu)建BIM模型

首先根據(jù)點云數(shù)據(jù)繪制建筑模型輪廓線,包括三維模型邊界,將建筑構(gòu)建,如墻體、窗戶等放置于相應(yīng)位置;繪制構(gòu)件輪廓,利用標注、測量等功能獲取實際建筑構(gòu)建尺寸數(shù)據(jù),并將其作為墻體、門窗等構(gòu)件建模的參考依據(jù)。

(1)柱的逆向建模

首先,根據(jù)點云繪制柱的輪廓線。繪制的輪廓線主要作用為確定模型邊界,對創(chuàng)建的柱體構(gòu)件對齊放置;根據(jù)點云繪制柱構(gòu)件輪廓,并借助測量、標注等功能收集柱構(gòu)件尺寸信息。除了該操作方式外,還可以選擇或生成項目視圖,通過調(diào)整二維平面、立面視圖或者剖切框來優(yōu)化柱體構(gòu)件設(shè)計的精準性。

(2)梁的逆向建模

在構(gòu)建梁體時需要創(chuàng)建約束條件,為模型圖元的建立提供位置、尺寸等信息。標高約束條件設(shè)置是梁體構(gòu)建的第一步,其在劃分樓層、確定梁體位置等方面具有重要作用。以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的BIM模型,可以利用點云數(shù)據(jù)直接獲取測繪區(qū)域點云在豎向或垂直方向的分布情況,以此來自動生成梁體構(gòu)件。

軸網(wǎng)是BIM模型約束條件的一部分,其可以為模型梁構(gòu)件的設(shè)置提供參考。BIM模型構(gòu)建過程中,可以直接將教學(xué)樓層平面CAD圖紙導(dǎo)入建模軟件中,然后利用其中的“軸網(wǎng)”功能完成建筑軸網(wǎng)的繪制。

(3)墻的逆向建模

墻體為三維模型的主體設(shè)計,以外立面墻體建模為例,首先在建模軟件中選擇“創(chuàng)建墻”的基本功能,然后設(shè)置相應(yīng)墻體族類型,墻體創(chuàng)建對話框如圖6所示。點云擬合時,可以直接通過“Rect”功能,選擇相應(yīng)的視角和視圖,在同一面墻體創(chuàng)建時,應(yīng)盡量多采用墻體點云,以保證墻體結(jié)構(gòu)的完整性和墻面的平整度。設(shè)置墻體臨界點、形狀容差值等擬合參數(shù)后,可以在建模軟件中自動生成建筑墻體模型。

圖6 墻體建模操作

如果生成墻體模型尺寸與實際位置不相符,則需要根據(jù)墻體外立面點云數(shù)據(jù)調(diào)整墻體,以此來使BIM模型符合實際建筑。

完整的BIM模型除了建筑外墻、門窗等基礎(chǔ)構(gòu)件外,還包括桌椅、照明設(shè)備等附屬設(shè)置,該類構(gòu)件數(shù)量較多、點云數(shù)據(jù)不易表達。針對該問題可以利用BIM建模軟件預(yù)制族庫,在實際建模過程中可以在族庫中選擇相應(yīng)構(gòu)件進行建模,以此來提高建模工作效率。

為了使三維模型真實還原實際建筑外貌,需要對建筑門窗、墻體等設(shè)置物理屬性,豐富內(nèi)部結(jié)構(gòu),以此來完善建筑模型,構(gòu)建模型如圖7所示。

圖7 最終建筑模型

(4)三維模型屬性設(shè)置

在完成以上模型創(chuàng)建工作后,整體模型創(chuàng)建的工作已經(jīng)基本完成,在模型中各組成部分結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的物理屬性、結(jié)構(gòu)形態(tài)、位置尺寸都已初步具備。但為了使模型更加貼近真實,能夠更準確地還原建模對象的原貌,還需豐富墻體、梁柱、樓板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)材質(zhì)等類型參數(shù);對于附屬構(gòu)件的物理屬性也需進一步完善,例如門、窗的填充色彩、材質(zhì)和裝飾等。

2.5 模型精度評價

利用分解法將建筑三維模型分解為基元線、基元點,然后根據(jù)局部精度評價分析建筑三維模型整體精度。首先將建筑三維模型導(dǎo)入EPS分析軟件中,并選取20個建筑點坐標和10個邊長。其次由人工利用測距儀和全站儀開展實地測量工作,并統(tǒng)計測量點建筑坐標和邊長實際參數(shù),統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 三維模型測量結(jié)果

從表1中可以看出,建筑三維模型測量點與外業(yè)測量點在X軸方向上的最小測量誤差為 -0.4 cm,最大測量誤差為 4.2 cm,中誤差為 2.5 cm;在Z軸方向上,最小測量誤差為 -0.5 cm,最大測量誤差為 3.7 cm,中誤差為 1.6 cm;在Y軸方向上,最小測量誤差為 0.3 cm,最大測量誤差為 -3.2 cm,中誤差為 2.1 cm;測量點位△s最小測量誤差為 0.7 cm,最大測量誤差為 4.8 cm,中誤差為 3.1 cm;測量距離△l最小測量誤差為 2.2 cm,最大測量誤差為 5.4 cm,中誤差為 3.2 cm。

3 總 結(jié)

綜上所述,本文研究了BIM逆向建筑建模方法,并得出以下結(jié)論:

(1)點云數(shù)據(jù)是逆向建筑建模的核心,目前主流三維激光掃描儀參數(shù)不一且各有優(yōu)點,需要根據(jù)項目實際需求選擇匹配的三維激光掃描儀。

(2)獲取點云數(shù)據(jù)后需要開展預(yù)處理工作,包括點云拼接與配準、格式轉(zhuǎn)換兩個環(huán)節(jié)。格式轉(zhuǎn)換可以使用專業(yè)的點云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件,如Autodesk公司旗下的ReCap360。

(3)基于點云數(shù)據(jù)的BIM逆向建筑建模流程包括點云數(shù)據(jù)采集、構(gòu)件逆向建模、構(gòu)件族創(chuàng)建、構(gòu)建拼接等。

(4)重要建筑構(gòu)件的逆向建模和點云BIM模型族的建立是逆向建筑建模的兩個重要環(huán)節(jié),其中重要建筑構(gòu)件的逆向建?？梢允褂密浖寮鏏s-built等;點云BIM模型族的建立需要執(zhí)行輔助線定位、添加參數(shù)、測試族三個步驟。