基于BIM的高精度塑石工程特征統(tǒng)計(jì)方法研究

侯 飛

（1.山東省國(guó)土測(cè)繪院,山東 濟(jì)南 250101）

BIM是一個(gè)工程項(xiàng)目物理和功能特性的數(shù)字表達(dá),是一個(gè)分享有關(guān)該設(shè)施信息,為其從建設(shè)到拆除的全生命周期中所有決策提供可靠依據(jù)的過(guò)程。在項(xiàng)目的不同階段,不同利益相關(guān)方通過(guò)在BIM中插入、提取、更新和修改信息,支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)。BIM以三維動(dòng)態(tài)顯示為基礎(chǔ),包含了諸多信息模型[1],在建筑、工業(yè)智造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而,不規(guī)則大型工程（如特大型JRC塑石工程）的BIM建模在技術(shù)上還存在一些難點(diǎn)。一般的大型工程項(xiàng)目可對(duì)組件進(jìn)行拆分建?；蜻M(jìn)行BIM預(yù)制驗(yàn)證,但大型塑石工程由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、整體性,無(wú)法拆分為具體組件進(jìn)行逆向建模。

地面三維激光掃描技術(shù)和設(shè)備的成熟與發(fā)展,為中小型不規(guī)則物體特別是雕塑表面積、體積等特征的精確統(tǒng)計(jì)提供了一種先進(jìn)手段。三維激光掃描誤差由系統(tǒng)誤差和偶然誤差組成[2],檢較后誤差一般可控制在mm級(jí)[3],但對(duì)于大型復(fù)雜對(duì)象,多站掃描數(shù)據(jù)融合引起的拼接誤差不容小覷。由于誤差積累等主要因素,目前該方法尚未被很好地引入到特大型JRC塑石工程特征統(tǒng)計(jì)中。復(fù)雜地面對(duì)象表面一般采用多測(cè)站、多視角、環(huán)繞式掃描方式,再通過(guò)分塊數(shù)據(jù)拼接處理獲得完整表面點(diǎn)云[4]；但特大型JRC塑石工程形體巨大、紋理復(fù)雜、盲區(qū)繁多,多視點(diǎn)激光點(diǎn)云的全自動(dòng)無(wú)縫拼接無(wú)法實(shí)現(xiàn)[5],累積誤差較大,因此制約了三維激光掃描BIM建模技術(shù)的應(yīng)用。鑒于此,本文提出了基于BIM和三維控制框架激光掃描技術(shù)的審計(jì)方案。

1 審計(jì)方法對(duì)比

1.1 傳統(tǒng)JRC塑石工程審計(jì)方法

傳統(tǒng)的測(cè)量方式包括:①沙盤模型法,非等比例縮小,與實(shí)際工程出入大,精度不高；②貼報(bào),適用于小型塑石假山,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,誤差較大；③鋼絲網(wǎng)法,相對(duì)準(zhǔn)確,主觀性大,不利于事后客觀審計(jì)；④估算法,單體最寬外接矩形乘以單體平均高度再乘以1～1.5的系數(shù),該方法簡(jiǎn)單易用,也是業(yè)界普遍適用的估價(jià)和預(yù)算方法,但缺少客觀依據(jù),主觀性大,在事后審計(jì)中頗具爭(zhēng)議。

1.2 基于BIM和三維控制框架激光掃描技術(shù)的JRC審計(jì)方法

大型塑石工程一般具有相應(yīng)的沙盤模型,但在建造過(guò)程中為體現(xiàn)逼真效果,真實(shí)的塑石工程存在大量的復(fù)雜褶皺和孔洞,經(jīng)過(guò)一定比例縮小的沙盤模型往往不能很好地反映這些細(xì)節(jié),在特征統(tǒng)計(jì)上具有很大的誤差。為解決這一問(wèn)題,本文首先選擇規(guī)則實(shí)驗(yàn)物體進(jìn)行了BIM 模型3D精度分析,驗(yàn)證了方法的可行性；然后結(jié)合三維控制框架激光掃描技術(shù)建立特大型復(fù)雜塑石工程的BIM模型；最后進(jìn)行高精度特征統(tǒng)計(jì)。三維控制框架激光掃描工藝流程如圖1所示。

圖1 三維控制框架激光掃描工藝流程圖

2 數(shù)據(jù)精度分析與可行性

2.1 數(shù)據(jù)精度分析

本文首先采用高精度地面三維激光掃描儀對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行了多站式全方位三維激光掃描,并基于特征點(diǎn)進(jìn)行了多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接[6]；再利用Geomagic Studio軟件剔除冗余、噪點(diǎn)、孤點(diǎn)數(shù)據(jù),獲取測(cè)試樣本完整、無(wú)冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù),并進(jìn)行了BIM建模；然后將測(cè)試樣本標(biāo)準(zhǔn)Revit設(shè)計(jì)文件在Rhino下進(jìn)行Obj通用格式轉(zhuǎn)換,得到測(cè)試樣本參數(shù)化BIM預(yù)制模型（測(cè)試樣本嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件制作,通過(guò)多特征人工檢測(cè),測(cè)試樣本和實(shí)物偏差極小,在mm級(jí)）；最后在Geomagic Qualify軟件下對(duì)測(cè)試樣本BIM模型和預(yù)制模型進(jìn)行最佳擬合（圖2）,并進(jìn)行3D誤差分析。

圖2 三維激光點(diǎn)云與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥罴褦M合

2.2 可行性分析

本文通過(guò)誤差分布圖和精度統(tǒng)計(jì)表展示了BIM模型的審計(jì)承載精度,如圖3、表1所示,可以看出,利用三維激光點(diǎn)云掃描獲得的實(shí)驗(yàn)物體BIM與實(shí)驗(yàn)物體相比,統(tǒng)計(jì)精度96%以上保持在±1.5 cm以內(nèi),可滿足大型復(fù)雜塑石工程2 cm以上表面褶皺精確統(tǒng)計(jì)的審計(jì)要求。

圖3 3D誤差分布

表1 精度統(tǒng)計(jì)表

3 某動(dòng)物園特大型JRC塑石工程審計(jì)實(shí)例

3.1 三維控制框架激光掃描方案

按照《城市雕塑工程工程量清單計(jì)價(jià)定額（2011版）》規(guī)定,塑石工程和各類城市雕塑采用表面積方式計(jì)算工程量。由于塑石工程形態(tài)多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,往往存在大量孔洞、細(xì)微褶皺和盲區(qū),且傳統(tǒng)技術(shù)手段較落后,因此表面積的核算成為最具爭(zhēng)議的難點(diǎn)。本文在該項(xiàng)目中選用的軟硬件為:地面三維激光掃描儀、自動(dòng)升級(jí)云梯、高性能臺(tái)式計(jì)算機(jī)等,用于獲取高精度、高密度帶回光強(qiáng)度信息的塑石工程頂面和側(cè)面三維激光點(diǎn)云；配套點(diǎn)云拼接軟件、Geomagic Studio、Geomagic Qualify等,用于點(diǎn)云去噪、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云拼接、誤差分析和BIM建模。

某動(dòng)物園塑石工程包括塑石大門、屋頂、假山、圖騰、動(dòng)物等造型,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高低不一、環(huán)形布局,是國(guó)內(nèi)特大型JRC塑石工程之一,表面積計(jì)算難度極大。本文將該工程劃分為圖騰柱、大門、看臺(tái)、屋頂、假山等部分；根據(jù)工程布局,遵循整體覆蓋、少數(shù)合理、兩兩相應(yīng)的原則,設(shè)計(jì)了環(huán)抱式頂面和側(cè)面三維控制框架,具體分為側(cè)面控制和頂面控制,側(cè)面控制又可細(xì)分為外網(wǎng)控制和內(nèi)網(wǎng)控制。

三維控制框架既要保證可覆蓋整個(gè)工程布局,又要盡量簡(jiǎn)約,以保障首級(jí)三維控制框架的精度。同時(shí),為了保證工程局部有兩兩相應(yīng)的三維控制框架站點(diǎn),應(yīng)盡量減少控制站點(diǎn)之間的單站數(shù)。單站之間選取4～5個(gè)靶標(biāo)或特征點(diǎn),以減小點(diǎn)云整體和局部拼接誤差,且能保證建模效率[7]。在三維控制框架構(gòu)建過(guò)程中,還應(yīng)注意外網(wǎng)控制站、內(nèi)網(wǎng)控制站、頂面控制站的銜接,以保證塑石工程頂面和側(cè)面的吻合精度[8],布設(shè)示意如圖4所示。

圖4 三維控制框架站布設(shè)方案

3.2 方案對(duì)比

傳統(tǒng)審計(jì)方式精度低,系數(shù)確定受主觀因素影響較大,給審計(jì)工作帶來(lái)了諸多不確定性；而三維控制框架激光掃描方案成功地將先進(jìn)技術(shù)手段引入審計(jì)工作中,開創(chuàng)了三維激光掃描技術(shù)在特大型JRC塑石工程中的應(yīng)用先河,并可提供特大型JRC塑石工程精細(xì)BIM、體積、周長(zhǎng)等多元信息。建模局部效果如圖5所示,方案對(duì)比如表2、3所示。

圖5 某動(dòng)物園JRC塑石大門

表2 表面積測(cè)量值對(duì)比

表3 精度對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文突破了特大型JRC塑石工程拼接誤差積累的瓶頸,創(chuàng)新性地將BIM與三維控制框架激光掃描技術(shù)運(yùn)用于審計(jì)領(lǐng)域,并以某動(dòng)物園特大型JRC塑石工程審計(jì)項(xiàng)目為例,驗(yàn)證了方法的可行性。雖然可以保障審計(jì)精度[9],但基于地面三維激光掃描的特大型JRC塑石工程BIM精細(xì)建模耗時(shí)較長(zhǎng),且頂面視角需借助云梯等升降設(shè)備才能獲取數(shù)據(jù),給作業(yè)人員安全帶來(lái)了隱患。目前,旋翼無(wú)人機(jī)在實(shí)景三維建模方面的應(yīng)用日益廣泛,技術(shù)也日趨成熟,通過(guò)引入環(huán)繞或仿面飛行技術(shù),單棟建筑物的精細(xì)建模相對(duì)精度可控制在2 cm以內(nèi),但對(duì)一些塑石孔洞、隱蔽盲區(qū)無(wú)人機(jī)不便進(jìn)行實(shí)景三維數(shù)據(jù)獲取。若特大型JRC塑石工程的三維控制框架采用旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)獲取,孔洞、隱蔽盲區(qū)部分采用地面三維激光掃描來(lái)補(bǔ)充,再進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合,這樣既便于頂面數(shù)據(jù)獲取,又能縮短工程量測(cè)周期,保障審計(jì)精度,將是本文進(jìn)一步研究的課題。