既有建筑逆向建模方法與實踐

陳玉璽

摘要：隨著建筑信息化和智慧城市建設(shè)發(fā)展，BIM建模技術(shù)在既有建筑運維管理、提質(zhì)改造、老舊建筑保護、危舊建筑拆除等方面應(yīng)用越來越廣泛。以某中學(xué)校園園區(qū)為例，對既有建筑逆向BIM建模的工作流程進行了剖析，闡述在傾斜攝影、三維激光掃描等測繪數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，快速構(gòu)建滿足要求的建筑信息模型的逆向建模方法。實踐表明，模型數(shù)據(jù)符合建筑信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)；建模方法可以滿足建筑信息模型快速創(chuàng)建的要求，大量節(jié)省了人力和時間成本；建筑模型與結(jié)構(gòu)構(gòu)件合理，可以通過系統(tǒng)合法性、一致性檢查，滿足可視化展現(xiàn)和主要運行管理維護場景需求。

關(guān)鍵詞：既有建筑；逆向建模；點云；建筑信息模型（BIM）

一、前言

既有建筑是已經(jīng)建設(shè)完成真實存在的建筑，由于年代久遠，往往遇到原有施工圖紙、技術(shù)文件資料缺失情況[1]，需要逆向建模以修正現(xiàn)況偏差，滿足智慧城市建設(shè)和建筑運維管理的需要。由于既有建筑傳統(tǒng)測繪效率低、精度不足，大大影響模型構(gòu)建速度，隨著傾斜攝影、激光點云掃描、360全景攝影等技術(shù)不斷成熟，由傾斜攝影、點云到自動建筑建模已經(jīng)有了大量的研究實踐，并形成了較為成熟的方法[2]，但這些方法難以滿足既有建筑構(gòu)件及重要設(shè)備信息化及屬性標(biāo)識要求。以某中學(xué)校園園區(qū)建筑為例，利用已有外業(yè)掃描、點云數(shù)據(jù)、室內(nèi)360全景等測繪數(shù)據(jù)，詳細闡述手動快速逆向BIM建模方法實踐過程，并對其實踐效果進行了簡單分析，為既有建筑信息模型快速構(gòu)建提供有益的參考。

二、項目概況

（一）工程總體概況

某中學(xué)校園園區(qū)項目包括教學(xué)樓、格物樓、綜合樓、標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)雨操場及全部地下三層，總建筑面積約60000m2。園區(qū)全貌如圖1所示，教學(xué)樓平面為回字形，內(nèi)嵌部分為圖書館，地上6層，總高度26.6m；格物樓地上8層，總高度36.6m，綜合樓內(nèi)設(shè)學(xué)生食堂和大禮堂，地上4層，建筑總高度21.6m。所有建筑物地下相互聯(lián)通，組成了一個復(fù)雜的地上地下建筑綜合體。

（二）工程重難點分析

建筑物已實際存在，需要按照既有建筑建模要求，依據(jù)實測數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)形式、尺寸信息，拾取實際顏色，在計算機建模軟件輔助下完成三維模型的建立。由于既有建筑一般圖紙不全，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，空間幾何信息采集困難[3]，或是與當(dāng)前實際裝修改造有較大差異，所以在建筑的信息化過程中，需要根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行分析，然后建模。

教學(xué)樓、格物樓、綜合樓及風(fēng)雨操場之間均有錯層高差。由于既有建筑均帶有裝修層，錯層高差實際尺寸需要根據(jù)點云掃描及360實測數(shù)據(jù)，并結(jié)合模數(shù)要求進行綜合確定。由于工程量較大，在團隊分工協(xié)同建模過程中，錯層高差會導(dǎo)致模型組合時產(chǎn)生較大的對接誤差。

地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，點云數(shù)據(jù)地下部分采集不夠詳盡。該校園園區(qū)建筑物下部分相互連通，分布有籃球場、網(wǎng)球場、活動室等地下空間。通過傾斜攝影、點云、360全景攝影等方式得出的測量數(shù)據(jù)都難以顯示地下空間的外輪廓特征，地下空間的構(gòu)件尺寸一般根據(jù)360全景照片并結(jié)合其他數(shù)據(jù)測量方式或材料模數(shù)等分析得出。

建筑造型相對復(fù)雜，色彩多樣。地上主要建筑物教學(xué)樓、格物樓、綜合樓平面并不完全規(guī)整，建筑立面造型多變、線條凸凹，外觀色彩花紋多樣，在建模操作過程中細節(jié)處理工作量大。

三、數(shù)據(jù)來源與應(yīng)用

本工程主要提供傾斜攝影、激光點云、360全景照片三種類型數(shù)據(jù)，外業(yè)實測數(shù)據(jù)情況如表1所示。

（一）傾斜攝影

傾斜攝影是近些年在測繪領(lǐng)域發(fā)展出來的一種高新技術(shù)。它是通過在飛行平臺上搭載可采集信息的傳感器從多個不同角度對建筑進行數(shù)據(jù)采集的，不僅能夠真實地反映地物情況，還可以高精度地獲取表面紋理信息。在實際應(yīng)用中，傾斜攝影可以快速通過融合、建模等技術(shù)，生成真實的三維城市模型，但只有傾斜攝影數(shù)據(jù)難以精確構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)及內(nèi)部空間。傾斜攝影采用旋翼無人機搭載攝影相機從垂直、傾斜等五個不同的角度進行了數(shù)據(jù)采集，相機最高分辨率可達2.0cm，數(shù)據(jù)主要用于分析建筑平立面、建筑高度、錯層高差，確定建筑層高，并進行外觀、造型、線條、紋理等細節(jié)處理。

（二）三維激光點云

點云數(shù)據(jù)是通過三維激光掃描技術(shù)對已真實存在的物體進行掃描，獲取了該物體的空間幾何信息，即對其進行數(shù)字化[4]，然后進行數(shù)據(jù)拼接，必要時進行數(shù)據(jù)修補的一種建筑實物數(shù)據(jù)獲取方法。這種數(shù)據(jù)采集方式需要合理布置測點，通過對拾取的數(shù)據(jù)進行點云擬合，可以利用軟件生成BIM模型。由于本項目地下部分提供的點云數(shù)據(jù)并不詳盡，需要分別手動創(chuàng)建建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備的模型并進行合模。所以本項目點云數(shù)據(jù)主要是用于建筑、結(jié)構(gòu)建模中的平、立、剖底圖尺寸或?qū)δＰ蛿?shù)據(jù)進行修正，如圖2所示。

（三）360全景照片

采用360全景相機采集建筑空間全景照片，布設(shè)點位要考慮覆蓋全部可見部分，包括建筑空間、梁柱結(jié)構(gòu)主體、重要設(shè)備等，同時也注意相鄰點位的銜接，避免出現(xiàn)中斷。園區(qū)共布設(shè)全景掃描點位4587個，其中教學(xué)樓及地下部分布設(shè)2512個，格物樓及地下部分布設(shè)597個，綜合樓布設(shè)457個，風(fēng)雨操場及地下室布設(shè)990個，其他部位31個，覆蓋園區(qū)所有房間和全部可見部分。由于本項目不宜使用點云擬合技術(shù)自動生成建筑模型，所以建筑內(nèi)部細節(jié)、構(gòu)件實際尺寸以及重要設(shè)備屬性的建模都依賴360全景數(shù)據(jù)。

四、建模過程與方法分析

對實測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，依據(jù)傾斜攝影數(shù)據(jù)及360全景影像確定各樓層標(biāo)高及樓棟間高差，在Revit軟件中鏈接處理后的點云數(shù)據(jù)確定軸線，然后分區(qū)、分組進行模型構(gòu)建，參照實測數(shù)據(jù)對目標(biāo)建筑的梁、板、柱、墻體、樓梯、門窗、屋頂?shù)冗M行繪制。繪制可使用系統(tǒng)自帶族庫，對于系統(tǒng)沒有的構(gòu)件，可以預(yù)先設(shè)立族作為BIM模型中的基本圖元存儲在協(xié)同平臺，不同分區(qū)的模型均可調(diào)用，避免了大量重復(fù)建族導(dǎo)致的效率低下。完成各分區(qū)的模型后再進行合模，形成建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備信息完備的模型，然后在場地上進行模型組裝。建模流程如圖3所示。

（一）建模前準(zhǔn)備工作

由于數(shù)據(jù)量大、時間緊，建筑內(nèi)外結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為加快進度，在建模操作開始前需要預(yù)先做好兩個方面的工作。一是對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。由于觀測儀器設(shè)備自身精度等內(nèi)因以及在掃描過程中不可避免地會自然振動等外因影響，點云數(shù)據(jù)中會存在噪聲點、失真點和冗余數(shù)據(jù)[5]，建模前需要對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，去除點云數(shù)據(jù)中的錯誤及冗余，減少誤差的累積，統(tǒng)一坐標(biāo)并進行切片分層處理，分割為不同樓層平面的二維點云數(shù)據(jù)。二是對已有的傾斜攝影、激光點云、360全景照片數(shù)據(jù)進行綜合分析。由于既有建筑已有大量的裝飾裝修會影響點云數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，加之采集過程的操作不規(guī)范性也導(dǎo)致某些點云數(shù)據(jù)的重疊或缺失，而360全景照片并不能保證獲取滿足構(gòu)件建立所需的全部幾何信息，所以要進行數(shù)據(jù)分析，如發(fā)現(xiàn)房間、構(gòu)件、設(shè)備等信息不足，可以補充采集以保證模型的精度。

（二）數(shù)據(jù)導(dǎo)入與應(yīng)用

對采集點云數(shù)據(jù)進行切片分層處理后，可以在Revit中各樓層中插入點云樓層平面圖，再根據(jù)不同樓層平面的數(shù)據(jù)獲取軸線位置信息。根據(jù)點云數(shù)據(jù)采集精度和圖片分辨率，對插入的平面圖進行縮放，使其與建模比例相符合?？s放方法如式（1）所示。

M=L×P （1）

M—模型建模尺寸，單位m。

L—樓層平面圖尺寸，單位cm，取平面圖分辨率長或?qū)捪袼刂怠?/p>

P—點云底圖數(shù)據(jù)采集精度，此處根據(jù)圖片精度取0.02。

將導(dǎo)入的平面圖進行合適比例縮放，對精確定位建筑物軸網(wǎng)、建筑邊界、墻柱等構(gòu)件有重要意義，可以極大提高建模的精確度，快速構(gòu)建符合標(biāo)準(zhǔn)要求的建筑信息模型，滿足客戶的要求。為了避免主軸線傾斜帶的不利影響，加快建模進度提高建模效率，需要依據(jù)坐標(biāo)對導(dǎo)入的平面圖進行旋轉(zhuǎn)，使建筑主軸線處于水平和豎直位置，所有建筑物均按主軸線與水平線夾角進行調(diào)整，精確到0.01，如圖4所示。

（三）標(biāo)高設(shè)置與軸網(wǎng)確定

由于各建筑物、風(fēng)雨操場及園區(qū)地下部分相互連通且存在錯層或高差，而手動建模是采取分區(qū)、分組方式協(xié)同作業(yè)，為了避免在最后模型組裝時各部分的銜接誤差，需要對整個園區(qū)確定統(tǒng)一的標(biāo)高。需要確定教學(xué)樓、格物樓、綜合樓及風(fēng)雨操場四者之間的底標(biāo)高差值，樓層內(nèi)部標(biāo)高差值數(shù)據(jù)來源于點云，外部高差主要參照傾斜攝影和360全景圖，統(tǒng)一采用大地2000坐標(biāo)系，按照教學(xué)樓一層地面絕對標(biāo)高22.23m作為園區(qū)正負零標(biāo)高，樓層結(jié)構(gòu)面比建筑面低0.05m。每一分塊利用協(xié)同平臺進行建筑建模，依據(jù)建筑模型進行結(jié)構(gòu)模型和水電暖通設(shè)備的建模，各部分完成后再進行合模。各樓棟依據(jù)左下角點為定位點，預(yù)先統(tǒng)一坐標(biāo)并對各建筑物進行定位，確定主軸線和內(nèi)部附加軸線。在后續(xù)的分區(qū)、分組協(xié)同建模過程中，標(biāo)高和軸網(wǎng)主定位點的統(tǒng)一確定避免了各部分的錯位與誤差，大大減少了后期模型合并、修改工程量。

（四）分塊協(xié)同與模型構(gòu)建

根據(jù)園區(qū)工程量分為四個區(qū)域，分組協(xié)同建模，如表2所示。分區(qū)、分組遵循工程量均衡原則。分區(qū)、分組情況如表2所示。按照既有重要建筑建模交付技術(shù)指引的要求，既有建筑的裝飾裝修層信息不作要求，在模型構(gòu)件過程中，建筑構(gòu)件的實際尺寸根據(jù)點云數(shù)據(jù)及360全景照片結(jié)合建筑構(gòu)件常用模數(shù)確定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸依據(jù)建筑構(gòu)件尺寸確定，要滿足各模型合并后不出現(xiàn)重疊閃爍的要求。由于建筑內(nèi)外構(gòu)件的相對復(fù)雜，建筑信息模型的建模工程量要到全部建模工程量的60%—90%。先完成各分區(qū)建筑模型構(gòu)建，結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型依據(jù)建筑模型可同時構(gòu)建，有效加快模型構(gòu)建的進度。

（五）數(shù)據(jù)檢查與模型交付

所有建筑模型構(gòu)建完成后，需要對模型進行自查，主要項目包括模型完整性、文件及構(gòu)件的命名、構(gòu)件屬性、空間坐標(biāo)配置等信息。結(jié)合實測數(shù)據(jù)利用Navisworks進行實模一致性檢查。Navisworks軟件可以將不同專業(yè)，不同平臺搭建的模型進行整合，快速流暢地查看模型的整體效果，對比實景與模型之間的信息狀態(tài)差異，實現(xiàn)模型問題的快速修正。

模型交付需符合既有重要建筑建模交付技術(shù)指引及數(shù)字模型存儲標(biāo)準(zhǔn)，其中，建筑材質(zhì)配色需要與外業(yè)照片和測繪資料保持一致，構(gòu)件標(biāo)識符必須合理賦值，各類文件格式符合提交要求，并提交實物與模型一致性對比報告，結(jié)構(gòu)模型應(yīng)保持其結(jié)構(gòu)合理性，與建筑模型保持一致，設(shè)備構(gòu)件無遺漏，模型整體滿足可視化展現(xiàn)和主要運行、運維場景需求。

五、結(jié)語

以某中學(xué)校園園區(qū)既有建筑的逆向建模為例，提供一種基于逆向工程技術(shù)的建筑信息模型（BIM）構(gòu)建的方法，剖析了BIM逆向建模的工作流程，并系統(tǒng)闡述各流程階段對數(shù)據(jù)合理應(yīng)用與建模的注意事項，最后利用Revit、Navisworks及相關(guān)輔助工具完成滿足甲方要求的全園區(qū)建筑、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)及場地的建模任務(wù)。實踐表明，各專業(yè)構(gòu)件級模型單元最低幾何精度符合要求，模型完整性、合標(biāo)性、合理性、一致性檢查關(guān)鍵性指標(biāo)通過率達到100%，其他相關(guān)指標(biāo)通過率達到80%以上，成果符合既有重要建筑建模交付技術(shù)指引的相關(guān)要求，滿足可視化展現(xiàn)和主要運行、運維場景需求，為既有重要建筑逆向高精度建模提供了便捷的方法，具有較高使用價值。由于測繪誤差及掃描的局限性，以及數(shù)據(jù)調(diào)用的主觀性，在快速逆向建模過程中存在無法客觀反映既有建筑的真實情況，還需進一步研究如何提高建模的精度與效率。比如在結(jié)構(gòu)建模過程，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的隱蔽性，實測數(shù)據(jù)無法覆蓋所有梁、板、柱等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，實際結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件結(jié)果會與既有建筑本身有一定的差異，但這種差異并不影響完整性、合標(biāo)性等關(guān)鍵性指標(biāo)的檢查、驗收。既有建筑工程逆向建模應(yīng)用存在一定的改進空間，可實施性仍需更多嘗試與總結(jié)，以推動建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型及BIM行業(yè)發(fā)展。

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基金項目：湖北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳建設(shè)科技計劃項目“綠銅山礦區(qū)既有代表性居住建筑數(shù)字化保存”（立項序號：186）

作者單位：長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

責(zé)任編輯：尚丹