“BIM+三維掃描+GIS”融合技術(shù)在既有建筑綠色改造中的應(yīng)用探討

摘 要：在城市智慧建設(shè)和綠色建筑建設(shè)的理念下，越來越多建筑物不能滿足當下人們的需求，因此需要對其進行改造。既有建筑改造不能依賴于過去傳統(tǒng)的技術(shù)，尤其在綠色改造這樣的背景下，多維信息技術(shù)的綜合應(yīng)用就顯得至關(guān)重要。文章分析了“BIM+三維掃描+GIS”融合技術(shù)應(yīng)用到既有建筑改造中的意義，提出了對應(yīng)的策略。三維掃描技術(shù)可以快速獲得建筑結(jié)構(gòu)信息，將獲得的信息導(dǎo)入BIM軟件，通過BIM軟件構(gòu)建建筑模型，在既有的建筑模型基礎(chǔ)上進行改造方案的建模，結(jié)合GIS技術(shù)實現(xiàn)虛擬體驗，搭建多維信息技術(shù)數(shù)字應(yīng)用平臺，形成多維信息技術(shù)的融合應(yīng)用，最終可以提高建筑改造的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：BIM；三維掃描；GIS；建筑改造

1 前言

隨著BIM（建筑信息模型）、三維掃描和GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展，為既有建筑改造提供了新的解決方案。BIM技術(shù)可以應(yīng)用在整個建筑改造過程中，包括方案設(shè)計、工程施工、項目管理；三維掃描技術(shù)可以有效快速地對既有建筑的信息進行數(shù)據(jù)采集，為后期改造提供可靠的數(shù)據(jù)信息；GIS技術(shù)可以對地理空間數(shù)據(jù)進行有效的管理和規(guī)劃，為改造提供合理的空間結(jié)構(gòu)信息。將BIM、三維掃描、GIS技術(shù)融合起來，可以提高既有建筑綠色改造的質(zhì)量和效率，實現(xiàn)綠色建筑、智慧建筑的目標[1]。

2理論基礎(chǔ)與融合技術(shù)概述

2.1 BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)的意義就是建筑信息模型，將數(shù)字信息技術(shù)應(yīng)用到建筑設(shè)計、施工和管理中，實現(xiàn)綜合解決工程方案。BIM技術(shù)可以將建筑信息用數(shù)字表達，建立可視化及多維度的綜合性建筑模型，包括建筑幾何尺寸、材料屬性、空間關(guān)系等全面的建筑信息[1]。在設(shè)計、施工和運維階段中實現(xiàn)信息共享和更迭，因此會提高工程效率及質(zhì)量，降低工程成本，優(yōu)化改造方案。

2.2三維掃描技術(shù)概述

三維掃描技術(shù)是一種可以高效獲取既有建筑信息的技術(shù)。它通過發(fā)射激光或結(jié)構(gòu)光等，捕捉物體表面的點云數(shù)據(jù)，然后通過軟件處理生成物體的三維模型。三維掃描技術(shù)在既有建筑改造中具有重要應(yīng)用，能夠快速準確地獲取建筑的現(xiàn)狀信息，為改造設(shè)計提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。此外，三維掃描還可以用于建筑的歷史保護、損壞評估和施工監(jiān)測等方面。

2.3 GIS技術(shù)概述

GIS技術(shù)為地理信息系統(tǒng)技術(shù)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理、分析和可視化的數(shù)字信息技術(shù)[3]。在既有建筑改造中，GIS技術(shù)可以對建筑的地理位置、周邊環(huán)境、土地利用情況等進行分析，給建筑工程規(guī)劃決策提供科學(xué)依據(jù)及數(shù)據(jù)。

2.4融合技術(shù)的意義

將BIM、三維掃描和GIS融合技術(shù)應(yīng)用在既有建筑綠色改造中，這將是建筑改造行業(yè)的新方向，具有突破性意義。多維信息技術(shù)的價值在于數(shù)字化、信息化和全局觀，并不是單純的模型。與傳統(tǒng)改造技術(shù)對比，多維信息技術(shù)的應(yīng)用在于技術(shù)的創(chuàng)新，多種信息技術(shù)的配合，發(fā)揮不同的作用。

三維掃描技術(shù)體現(xiàn)在改造前建筑模型的信息采集，傳統(tǒng)的技術(shù)需要人工對每一個構(gòu)件進行現(xiàn)場測量復(fù)核，尤其對于棚戶區(qū)改造項目，工程量特別大，簡單的數(shù)據(jù)采集就會耗費大量人工與時間，但要是采用三維掃描，可以快速精確地得到點云數(shù)據(jù)生成三維模型，而生成的模型不僅和實物一樣，而且建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及幾何信息也是和實物完全一致的。然后利用三維掃描的信息建立BIM建筑改造模型，BIM模型使得改造后的建筑可視化更高，結(jié)合結(jié)構(gòu)驗算軟件進行結(jié)構(gòu)驗算，分析BIM模型與有限元模型的兼容性。有限元模型則采用BIM模型的數(shù)據(jù)對既有建筑進行結(jié)構(gòu)驗算，保證設(shè)計模型與計算模型的一致性，而后進行虛擬建造，對施工圖的錯漏碰撞進行檢測，對改造方案進行優(yōu)化設(shè)計，再結(jié)合開源信息GIS技術(shù)，可以讓用戶不受時間和空間限制地去體驗。

3“BIM+三維掃描+GIS”融合技術(shù)在既有建筑綠色改造中的應(yīng)用分析

3.1三維掃描技術(shù)在建筑改造中的應(yīng)用

既有建筑改造前，需要對建筑進行詳細的檢測分析評價，如實地掌握既有建筑現(xiàn)狀，但有些老舊建筑物已經(jīng)沒有相關(guān)的工程資料，如勘察報告、設(shè)計圖紙等核心資料都沒有，因此對于既有建筑的檢測鑒定分析帶來了更大的挑戰(zhàn)，需要技術(shù)人員去現(xiàn)場測量，這就大大增加了工作量，而且，現(xiàn)場人工測量也會產(chǎn)生誤差，因此，三維掃描技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。利用激光掃描或攝影測量等方法，快速獲取建筑的現(xiàn)狀幾何信息，形成高精度的云點數(shù)據(jù)，再將采集的數(shù)據(jù)進行處理。

此外，因為采集的數(shù)據(jù)數(shù)量比較大，并且每次采集的坐標不同，所以需要對云點數(shù)據(jù)進行坐標統(tǒng)一。在掃描的過程中會采集到部分無用的數(shù)據(jù)，在整理數(shù)據(jù)時需要將這些數(shù)據(jù)剔除，對數(shù)據(jù)進行精簡處理，形成較為全面精確的數(shù)據(jù)。隨后，將這些點云數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入BIM軟件中建立三維模型。在BIM模型中，建筑的各個組成部分，包括結(jié)構(gòu)、構(gòu)件尺寸、材料屬性、設(shè)備布置等都需要進行建模。這樣建模以后，可以將既有建筑的現(xiàn)狀信息精確地記錄和管理，保證后續(xù)的改造設(shè)計和施工數(shù)據(jù)的精確性。

3.2 BIM技術(shù)在建筑改造中的應(yīng)用

BIM技術(shù)在既有建筑改造的設(shè)計階段發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。建筑師根據(jù)已有的建筑模型信息進行分析，到了項目規(guī)劃階段，設(shè)計師就可以利用BIM技術(shù)對既有建筑空間進行高效、精確的評估，將臨時性和永久性的設(shè)施以3D模型的形式展示出來，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)可視化、具體化，避免人為檢查產(chǎn)生誤差，可以讓客戶更具體、直觀地體驗，進而對方案提出合理的反饋意見。設(shè)計師也可以在BIM模型中進行多方案的探索和比較，實現(xiàn)空間布局、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和能源效率等方面的優(yōu)化。利用BIM軟件的仿真和分析功能，可以對建筑的熱舒適性、照明效果、通風(fēng)性能等進行評估，從而為制定節(jié)能環(huán)保的設(shè)計方案提供幫助。

在項目設(shè)計過程中，既有建筑改造需要多個專業(yè)協(xié)同配合完成設(shè)計內(nèi)容，包括建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣等專業(yè)之間的相互協(xié)同配合，但傳統(tǒng)的技術(shù)無法預(yù)先知道各專業(yè)之間的碰撞問題，當發(fā)生碰撞以后就不得不返工，造成設(shè)計工作比較繁瑣以及設(shè)計效率降低的問題。利用BIM技術(shù)可以高效地解決這個難題，將各專業(yè)集合起來建立完整的模型，再模擬建造過程中產(chǎn)生的碰撞問題，設(shè)計師就可以據(jù)此及時調(diào)整設(shè)計方案，保障了后續(xù)的施工進度與質(zhì)量。

3.3 GIS在建筑改造中的應(yīng)用

GIS技術(shù)在既有建筑改造中主要用于宏觀層面的分析和規(guī)劃。通過GIS系統(tǒng)，規(guī)劃師可以對建筑所處的地理環(huán)境進行全面分析，包括周邊交通網(wǎng)絡(luò)、公共設(shè)施分布、自然景觀特征等。這些信息有助于制定符合城市發(fā)展規(guī)劃和社區(qū)需求的改造策略。GIS還可以用于土地利用規(guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施布局優(yōu)化，確保改造項目的整體協(xié)調(diào)性和可持續(xù)性。

3.4融合技術(shù)的應(yīng)用實例分析

“BIM+三維掃描+GIS”融合技術(shù)在全球范圍內(nèi)的既有建筑改造項目中得到了成功應(yīng)用。比如，某歷史建筑改造項目中，通過三維掃描技術(shù)獲取了建筑的精確現(xiàn)狀模型，然后使用BIM技術(shù)進行改造設(shè)計，同時利用GIS技術(shù)進行周邊環(huán)境分析和交通規(guī)劃[4]。這種融合應(yīng)用確保了改造方案的精準性和實用性，同時提高了項目的管理效率和協(xié)調(diào)性。通過這些成功案例，可以看出“BIM+三維掃描+GIS”技術(shù)在促進既有建筑可持續(xù)改造方面的巨大潛力。

再比如，深圳市某中心實驗樓的改造，該既有工程沒有完整的電子圖、改建數(shù)據(jù)不完整，以及歸檔資料不全，因此是一個很大的挑戰(zhàn)。于是，設(shè)計師在該工程中應(yīng)用BIM技術(shù)與三維掃描技術(shù)，強調(diào)了在建模和設(shè)計優(yōu)化方面的精確性和效率提升，強調(diào)了三維掃描技術(shù)在捕獲準確和完整空間信息方面的優(yōu)勢，為改造設(shè)計和施工提供了堅實的基礎(chǔ)。

4“BIM+三維掃描+GIS”技術(shù)在既有建筑綠色改造中面臨的問題

4.1建筑企業(yè)的科學(xué)認知不夠

部分施工企業(yè)及專業(yè)技術(shù)人員的認知不夠，不敢于積極接受新的技術(shù)，沒有重視多維信息技術(shù)在既有建筑改造中的應(yīng)用優(yōu)勢，尤其對于改造過程的復(fù)雜性缺乏高效的綜合認知，導(dǎo)致信息技術(shù)在施工階段的應(yīng)用不夠突出，影響了改造過程的施工效率。如果施工企業(yè)不夠重視多維信息技術(shù)的應(yīng)用，進而也會影響到設(shè)計企業(yè)對多維信息技術(shù)的應(yīng)用，最終導(dǎo)致多維信息技術(shù)在既有建筑改造整個過程中的應(yīng)用，無法廣泛推進該技術(shù)的應(yīng)用。

4.2專業(yè)技術(shù)人才不夠

“BIM+三維掃描+GIS”融合技術(shù)的應(yīng)用需要相關(guān)人員具備相應(yīng)的技術(shù)知識和操作技能，然而目前這方面的專業(yè)人才相對匱乏。尤其在既有建筑改造過程中，多維信息技術(shù)融合技術(shù)方面的人才數(shù)量較少，技術(shù)人員要么不懂信息技術(shù)，要么只懂某個單一的信息技術(shù)，但融合技術(shù)的應(yīng)用需要技術(shù)人員全面掌握多維信息技術(shù)。如果技術(shù)人員不懂多維信息技術(shù)的應(yīng)用，就會對改造方案的了解不夠全面，降低了改造過程中多維信息技術(shù)的優(yōu)勢，尤其對于施工過程中各專業(yè)之間的碰撞問題更加難以解決，大大降低了改造效率及質(zhì)量。

4.3技術(shù)整合的挑戰(zhàn)

融合BIM、三維掃描和GIS技術(shù)在技術(shù)層面上存在一定的挑戰(zhàn)。這些技術(shù)各自有不同的數(shù)據(jù)格式、處理流程和應(yīng)用領(lǐng)域，將它們整合到一個統(tǒng)一的平臺上需要克服數(shù)據(jù)兼容性和軟件互操作性的問題。多維信息技術(shù)之間的融合較為復(fù)雜，包括BIM和GIS技術(shù)之間數(shù)據(jù)格式不同、坐標系也不同，因此如何找到融合的平衡點是至關(guān)重要的。

4.4數(shù)據(jù)管理和安全挑戰(zhàn)

在“BIM+三維掃描+GIS”融合應(yīng)用中，將產(chǎn)生大量的空間數(shù)據(jù)和模型信息，在這個過程中需要對數(shù)據(jù)進行分析處理，而如何剔除無用的信息及數(shù)據(jù)是一個關(guān)鍵的問題，只有得到精確的數(shù)據(jù)信息才可以構(gòu)建更加精確的建筑模型。如何有效地管理這些數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性，是一個重要的挑戰(zhàn)。

5“BIM+三維掃描+GIS”技術(shù)在既有建筑綠色改造中的應(yīng)用策略

5.1加強企業(yè)的科學(xué)認知

從建筑企業(yè)角度方面來說，需要建筑企業(yè)高度重視多維信息技術(shù)的先進性和高效性，只有技術(shù)落實才可以推動建筑改造的綠色健康發(fā)展。從政府政策到企業(yè)管理制度都要為多維信息技術(shù)工作的開展提供有力的幫助，如開設(shè)多維信息技術(shù)研發(fā)部門等措施促進建筑改造的高效性。

5.2加強人才隊伍的建設(shè)

加大對三維掃描、BIM和GIS技術(shù)的應(yīng)用研究，專業(yè)人才的培養(yǎng)是關(guān)鍵，不管是設(shè)計單位還是施工單位，都需要建立專業(yè)人才隊伍，定期對多維信息技術(shù)人員進行培訓(xùn)，提高技術(shù)人員的專業(yè)素養(yǎng)，只有專業(yè)技術(shù)人員的技術(shù)過硬才可以保障綠色改造方案的先進性，進一步保障改造方案可視化，滿足綠色建筑改造的發(fā)展需求。

5.3技術(shù)整合的解決策略

三維掃描、BIM和GIS技術(shù)之間的融合解決策略，包括開發(fā)通用的數(shù)據(jù)交換標準和接口協(xié)議，以及采用開放式的軟件架構(gòu)來支持不同技術(shù)之間的無縫連接。搭建多維信息技術(shù)數(shù)字化平臺，實現(xiàn)設(shè)計成果的可視化交換，使傳統(tǒng)的設(shè)計成果在BIM技術(shù)的架構(gòu)下可視化集成，為后期數(shù)字平臺應(yīng)用于既有建筑綠色改造提供理論依據(jù)。

5.4解決數(shù)據(jù)管理和安全問題的策略

解決策略包括聯(lián)合行業(yè)權(quán)威機構(gòu)、龍頭企業(yè)、專家學(xué)者、骨干企業(yè)等力量，通過專家研討論證，建立標準化的數(shù)據(jù)管理流程，采用數(shù)據(jù)庫和云存儲技術(shù)進行數(shù)據(jù)存儲和備份，以及實施嚴格的數(shù)據(jù)訪問控制和加密技術(shù)來保護數(shù)據(jù)安全。

6結(jié)論

數(shù)字時代正快速發(fā)展中，“BIM+三維掃描+GIS”融合技術(shù)在既有建筑改造中的應(yīng)用展現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中仍面臨技術(shù)整合、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用經(jīng)驗方面的挑戰(zhàn)，因此需要進一步研究和探索，以推動這一融合技術(shù)在既有建筑改造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

參考文獻

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