BIM與三維激光交互在文物與工程沖突時的應用

王　飛， 鄭　驚

(重慶高科集團有限公司， 重慶 401121)

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BIM與三維激光交互在文物與工程沖突時的應用

王飛， 鄭驚

(重慶高科集團有限公司， 重慶 401121)

城市建設施工與古建筑保護二者之間歷來存在著難以協調的矛盾，而城市建設又是勢在必行。客觀地說，這個問題是當前我國許多城市在建設施工中都會遇到的問題。文章介紹了BIM與三維激光掃描交互在重慶來福士廣場項目宋代古城墻保護中的應用，為解決古建筑與新建工程的沖突尋求一條新途徑，為類似的工程提供參考。

BIM；三維激光掃描技術；古城墻測繪；點云配準

在施工現場發現文物及古建筑群，對于施工的連續性是個很大的難題。利用三維激光掃描技術對深基坑內城墻(保護文物)的位置和尺寸進行精確測量，將數據結合項目BIM模型點云配準，提前發現城墻與結構沖突區域，并提出修改意見，為施工場內存在文物時的不間斷施工提供可能性。

1　工程概況

重慶來福士廣場項目位于長江嘉陵江兩江交匯的朝天門，是一個集住宅、辦公樓、商場、服務公寓、酒店、餐飲會所為一體的城市綜合體。包括整體3層地下室、6層裙房(南側局部5層)、8個塔樓及連接其中4個塔樓的觀景天橋組。

在來福士廣場項目施工過程中，于項目西北側發現古城墻遺址，立即停止該位置的施工，將現場保護起來，等待市文化遺產研究院的考察。

重慶歷史上有4階段筑城，其中最為有名的是南宋時期彭大雅所筑的重慶城，在彭大雅“不把人當人看，不把錢當錢看”的筑城思路下，冒著戰火修筑而成的牢固宋代城墻，擋住了蒙古鐵騎數十年的進攻。數百年歲月過去，當時牢不可破的宋代城墻一度消失在了歷史的車輪下，讓人無處尋蹤。在考古專家堅持試掘過程中，主城首段宋代古城墻的遺址現身朝天門的嘉陵江邊。

在試掘現場，不僅發現了明代戴鼎所筑的明城墻，還首次發現了南宋時期彭大雅所筑的宋城墻。宋代城墻的墻寬約10 m，采用的是內部夯土夯筑，外部包裹巨石的方式砌筑而成。在宋代城墻之外，明代城墻緊貼而筑，明代城墻比宋代城墻更高更寬，它完全將宋代城墻包裹在了自己的“身體”之中。

古城墻其中一段穿過本項目深基坑，與地下室結構產生了沖突。經考古專家分析研究確定，此段古城墻不能拆除，應保護起來。考慮到古城墻建筑的文化重要性，在地下室施工過程中如何保護古城墻的完整性，是必須解決的問題。為解決這一難題，決定運用BIM與三維激光掃描技術建立地下室結構與古城墻的綜合模型，對比其沖突關系，從而找到合理的施工方案。

2　BIM與三維激光掃描技術應用

傳統的測量方法一般是在古建筑外部搭設腳手架，然后利用皮尺、紙筆、經緯儀、水準儀等工具來進行古建筑測繪工作。由于這種方法工作量巨大，不便于精確細致的測繪古建筑的每個細節部分，而且效率較低，采集的數據精度低，并不能精確、直觀反映出古城墻和地下室結構的關系，這給施工方制定施工方案帶來了很大的困難。

于是項目部決定運用BIM和三維激光掃描儀對現場進行逆向建模分析，利用三維激光掃描儀對物體進行非接觸式測量，得到三維點云數據。點云數據是一種可以精確表達物體表面三維特性和物體空間位置的集合文件。通過點云數據建立新的BIM模型，配準到原施工建筑模型，對比沖突區域，找到合理的施工方案。

3　BIM與三維激光掃描技術應用流程

3.1現場實地踏勘

掃描前到現場進行實地踏勘，踏勘過程中查看已有控制點的位置(圖1)。根據古城墻的空間分布和形態，為確保掃描精度，需要兩個站點進行掃描，掃描站點位置如圖2～圖4所示。

圖1　已有控制點的位置

圖2　測站點位置1站點

圖3　測站點位置2站點

圖4　測站點位置

3.2獲取點云數據

根據實地勘察結果，在選好的位置架設掃描儀、布置標靶等，設定掃描儀的各項參數進行掃描。選用天寶公司的三維激光掃描儀進行數據獲取。三維激光掃描儀精度較高，測速快、穩定性好，它完成一個全景(360°水平)的高精度掃描,激光安全等級高，能夠滿足應用要求[1]。對應掃描對象，設置可控制整體場景的標靶，在360°環境使用1個標靶，然后分別在兩站對古城墻像進行三維激光掃描。

3.3數據處理與點云配準

把三維激光掃描儀掃描的數據導入電腦，當建筑物數字化為大量離散的空間點云數據后，在此基礎上來構造建筑物的三維模型。通過該點云模型提取建筑物邊界點、特征線、高度等信息，為三維建模提供精確的幾何信息[2]，如圖5～圖7所示。采用Revit Architecture進行建模，再通過模型配準點云，查看建模是否準確。通過得出的精確模型，結合現場施工情況，重新制定合理的施工方案，在避免破壞文物的同時不耽誤現場施工。

圖5　三維激光掃描儀圖片

圖6　BIM環境下的古城及現場模型

圖7　點云和BIM配準模型

4　提出結構修改方案

通過已有模型數據分析，為了不破壞古城墻遺址，建議業主修改結構，具體結構方案如圖8所示。

圖8　結構修改方案

5　結束語

現階段，隨著城市建設的快速發展，舊城改造的步伐也越來越快，在舊建筑物拆除的基礎上新建的工程也越來越多，很有可能會碰到擬建建筑物旁邊有需要保護的古建筑的情況。本工程在古建筑物的保護措施中，既有設計階段采取的措施，也有施工、監測所采取的措施，可供類似工程參考。

施工工程中，很難在各個不同的項目組之間以及復雜的全工程范圍內進行溝通交流。建筑信息模型(BIM)技術目前在3D建筑模型中能夠被賦予諸如進度、投資等信息，形成4D乃至5D的BIM模型，使得建筑圖紙更加直觀，對于各個項目組之間的協調工作特別關鍵。但是在工程實施階段，如何能夠將BIM模型應用于現場管理和推進，就需要有效的手段作為輔助。基于此背景，采用三維掃描技術作為有效連接BIM模型和工程現場的紐帶，它能夠有效地、完整地記錄下工程現場復雜的情況。

5.1掃描技術的優點

掃描技術對于工程現場最大的好處在于優化現場人員主要以鋼尺、傳統圖紙作業這種繁瑣的工作方式。

(1)精簡現場工作只需在現場進行掃描工作，對比偏差與測量工作可在后臺完成。

(2)方便監理人員在現場的測量復核工作，可利用像素測量、點云測量技術完成一些費力、高危險部位的測量復核。

(3)減少監理人員的監督工作量，可以直接在圖像上標示，而無需再進行紙上記錄；也可直接得到掃描結果與設計模型的偏差，而無需先測量、后對照圖紙、最后確認偏差。

(4)完善各方人員的溝通，可以直接利用直觀的圖像、視頻甚至轉換后的模型與施工方進行溝通。

5.2掃描技術存在的問題及改進

作為新技術，三維激光掃描儀也存在很多問題，比如如何全面檢驗和評價三維激光掃描儀測量精度，軟件對海量數據的處理速度較慢，對作業人員要求較高及設備費用太高等。

三維激光掃描儀今后的研究和發展應該主要體現在以下三個方面：

(1)進一步改進硬件，使激光掃描儀有更高的測量精度、更快采樣速度以及低廉的價格，同時還具備全站儀的部分功能(如整平、定向、單次測量等)，使其能在精密工程測量和工業測量中得到廣泛應用；

(2)與其他傳感器集成，如與攝影測量/CCD的集成，與動態測量車的集成等，相互利用其優勢，擴展應用領域，提高工作效率；

(3)進一步完善和開發后處理軟件，使處理的數據量更大、數據處理的速度更快，軟件操作更容易。

三維建模要達到逼真的視覺效果,還需要有良好的紋理粘貼,如何有效的融合曲面模型和紋理數據,是值得研究的一項重要內容。將三維激光掃描技術擴展到其他更多領域,如考古、建筑、城市規劃等方面,與傳統方法取長補短,在各個領域得到更加有效應用,需要對三維激光掃描技術的意義和作用作更深入的研究[3]。

[1]何關培.BIM 總論[M].北京:中國建筑工業出版社, 2011.

[2]吳吉名.建筑信息模型系統(BIM)的本土化測量研究[D].北京:清華大學，2011.

[3]李德超，張瑞芝.BIM 技術在數字城市三維建模中的應用研究[J].土木建筑工程信息技術，2012(3).

王飛(1976～)，男，碩士，經濟師，從事地產項目策劃、設計、工程管理工作；鄭驚(1982～)，男，大學本科，工程師，從事規劃設計工作。

TU198

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[定稿日期]2016-05-07