基于三維激光點云的既有建筑BIM建模方法研究與應用

劉勝男，陶鈞，史艾嘉

（1.江蘇城鄉建設職業學院，江蘇 常州 213147；2.常州市武進規劃與測繪院，江蘇 常州 213159）

1 引言

近年來，隨著建筑行業信息化程度的逐漸提高，BIM（Building Information Modeling）技術被越來越為人們所熟知。BIM即建筑信息模型，是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎，進行建筑模型的建立，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息[1]。BIM以三維模型為載體，通過在模型中整合項目的各項信息，將建筑項目的設計、施工、運營管理等各個階段串聯起來，實現建設項目全生命周期內的建筑信息數據不斷更新和協同管理?，F階段，BIM技術的主要應用集中于新建建筑的方案設計、施工模擬和成本管控等方面[2]。隨著BIM技術的應用普及，如何快速獲取高精度既有建筑幾何模型，將BIM應用于既有建筑的運維管理中具有極強的現實意義。

2 既有建筑BIM建模的難點

根據數據的不同來源，BIM主要分為兩類：一類是針對新建建筑，在建筑的設計階段，依據設計數據建立BIM，實現建筑項目信息的整合，為業主、設計方、施工方等提供所需的信息，提高項目的完成效率，實現建筑全生命周期的管理[3]。另一類是針對既有建筑，通過現場勘測，對已經建成的建筑進行數據采集，進行實景建模，用于建筑物運營管理、后期維護和改造。

目前的BIM建模方法的研究主要是針對新建建筑的正向建模[4]。不同于新建建筑，既有建筑是已經建設完成，并投入使用的建筑，在BIM模型建立的過程中，存在著以下兩個難點。

①既有建筑通常存在著資料缺失或因長年累月的變形而導致與竣工圖紙不符等情況，這就意味著采用設計和竣工資料進行既有建筑BIM模型構建可操作性不高，建模精度也難以達到應用要求。

②既有建筑空間幾何信息采集困難。用于BIM模型構建的建筑物空間幾何信息必須有足夠高的精度，能夠準確反映建筑物的真實情況。采用傳統測繪手段進行建筑信息，尤其是一些歷史保護建筑信息采集時，受建筑造型和建筑細節影響，較難實現快速、高精度的建筑信息采集。

3 基于點云數據的既有建筑BIM建模方法

3.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，利用激光測距的原理，對目標進行三維坐標數據量測，獲得完整的全景點坐標數據，這些連續的點數據被稱作“點云”[5-6]。三維激光掃描技術區別于傳統的單點式測量，采用了連續式、整體式的數據采集方式，具有測量速度快、精度高、使用方便等優點。運用三維激光掃描技術對既有建筑物進行外部和內部進行掃描，得到實體或實景的點云數據，進行相應處理，可以獲取建筑物細節信息，快速構建建筑物信息模型[7-8]。三維激光掃描技術突破了傳統單點式測量方式的局限，采用自動式采集方式，避免了人為誤差和時間誤差的影響，可以較好地應用于復雜建筑模型的構建。三維激光掃描技術與傳統全站儀信息采集特點的對比，如表1所示。

三維激光掃描技術與全站儀特點對比 表1

3.2 基于點云數據的既有建筑BIM建模方法

①點云數據采集

依據建筑物結構特點和現場環境，設計合理的數據采集方案，使用三維激光掃描設備，完成點云數據采集。在數據采集過程中，受現場環境和掃描距離的影響，一般需進行多站掃描。應合理設計測站位置和測站數量，在保證點云數據完整的基礎上，使用盡量少的測站進行數據采集，避免點云數據量過大以及測站數據拼接時的誤差累積。

②點云數據預處理

獲取點云數據之后，需要使用專業的點云數據處理軟件對其進行去噪、拼接、分割等數據預處理[9]。將三維激光掃描技術應用于既有建筑的建筑幾何信息獲取時，建筑物周圍的行人車輛、設備甚至空氣中的塵埃都會在點云數據中留下斷續跳躍的噪聲點。進行點云數據處理時可以采用人工或者軟件自動去噪的方式判別無效點云并進行刪除[10]。另外，在進行多站掃描時，在各測站掃描重疊區域內會產生大量的冗余數據，需要進行消冗處理，減少點云數據量，提升后期建模效率。

③BIM軟件鏈接點云模型

將三維點云數據進行格式轉換為dxf、3ds、stl等格式，導入建模軟件（如Revit、3Dmax、Sketchup）中，作為構件建筑模型的基礎幾何數據。需要注意的是在建模前，要根據建筑構件情況，將點云數據進行分割。

④模型構建

使用建模軟件，根據點云數據的分布規律，將符合建筑構件表面幾何特征規律的點云擬合為建筑構件模型，賦予模型名稱、材質、顏色等屬性信息，進而構建建筑整體BIM模型。

圖1 基于點云數據的既有建筑BIM建模流程

4 應用實例

4.1 項目概況

常州武進蓮花館位于江蘇省常州市武進區，占地面積達3.5hm2，是由坐落在人工湖上的二層市政設施的基礎上進行擴建。之所以被稱之為蓮花館，是由于其外觀是三朵蓮花造型的綜合體，猶如盛開的蓮花，花瓣主體部分采用鋼結構建造。由于蓮花館結構復雜，并且投入運營，白天到夜晚都具有使用功能。為快速獲取蓮花館建筑信息，完成BIM建模，實現場館運維階段的綜合信息管理，因此采用以上基于三維激光點云的BIM建模方法，使用三維激光掃描技術獲取點云數據，繼而進行BIM模型構建?？紤]到蓮花館作為教育、娛樂和社區集中藝術項目，為更好地再現蓮花館原貌，提高建模的辨識度和觀賞性，在采集點云數據的同時進行了紋理信息的采集。

圖2 蓮花館實景圖

4.2 信息模型構建

①三維激光點云數據的獲取

項目采用Trimble TX8三維激光掃描儀對蓮花館進行掃描作業。由于蓮花館造型復雜，為盡可能詳細地獲取建筑點云數據，掃描前，項目組對場館進行了現場踏勘，并制定了詳細的現場掃描方案，包括測站位置、掃描分辨率和標靶位置的設計。點云數據采集應分站進行，各測站間采用球形標靶進行配準，每一測站標靶不少于3個，同時對不同部位采取不同的掃描分辨率。

②三維激光點云數據預處理

點云數據預處理在Trimble三維激光數據處理軟件Realwork中進行，將全部點云數據導入到軟件中，進行自動拼接配準。在消除噪聲時，對過往的游客、車輛等這類噪聲，不能通過設置閾值的方式進行消除，因此采用人工識別進行消除。另外，由于采集的點云數據量較大，為了在滿足建模精度要求的同時提高建模效率，項目組采用了分區域消冗的方法，對不同部位的點云數據進行了消冗處理。蓮花會展中心為異形鋼結構建筑，直接使用軟件進行建模定位，工作量較大。本次建模還在Realwork中進行了關鍵控制點和參考線的定義，保證后續建模準確性和工作效率。蓮花館點云模型如圖3所示。

圖3 蓮花館點云模型圖

③BIM的建立

BIM的建立選用芬蘭Tekla公司開發的TeKla Structures軟件進行。TeKla Structures是一個交互性的鋼結構3D建模系統，用戶可以在虛擬空間中搭建一個完整的鋼結構模型并自動生成所需的鋼結構詳圖和報表。TeKla Structures支持多種數據格式的輸入輸出，將預處理完成后的點云數據導入TeKla Structures軟件中，在軟件中定義構建幾何模型，構件類型，賦予屬性信息，進而形成整體蓮花館BIM模型。高精度的點云數據確保了蓮花館各構件幾何信息的準確性，通過與設計圖紙的對比，其外形尺寸誤差均在厘米級。將模型數據導出，在3Dmax中完成紋理映射。形成的蓮花館BIM模型，如圖4所示。

圖4 蓮花館BIM模型

④模型精度分析

為了更好地評價本項目建筑信息模型精度，項目組選取了8組特征點，將特征點間的相對距離與全站儀測量的距離進行對比分析。選取測距精度為（2+2×10-6D）mm的高精度全站儀，使用免棱鏡方法測出特征點間相應距離，與模型中距離對比如表2所示。

從上表中可以看出，8組特征點間全站儀測距與模型距離差值較小，均在20mm以內，可以滿足大部分建筑三維模型的精度要求。

5 結語

既有建筑建模是因受建筑結構和建筑運營情況影響，建筑信息采集往往較困難。采用三維激光掃描技術可以快速有效獲取建筑物空間幾何信息，為準確地建立建筑信息模型提供可靠的數據源。文章研究了基于三維激光電云數據的既有建筑BIM建模方法和工作流程，以武進蓮花館項目為例進行了建模研究。通過對模型數據的分析可以看出，三維激光掃描技術可以廣泛應用于既有建筑，尤其是結構較為復雜的建筑建模，實現建筑信息綜合管理。

模型特征點間距離與全站儀測距結果對比 表2