基于BIM的高精度塑石工程特征統計方法研究

侯 飛

（1.山東省國土測繪院,山東 濟南 250101）

BIM是一個工程項目物理和功能特性的數字表達,是一個分享有關該設施信息,為其從建設到拆除的全生命周期中所有決策提供可靠依據的過程。在項目的不同階段,不同利益相關方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息,支持和反映其各自職責的協同作業。BIM以三維動態顯示為基礎,包含了諸多信息模型[1],在建筑、工業智造等領域得到了廣泛應用。然而,不規則大型工程（如特大型JRC塑石工程）的BIM建模在技術上還存在一些難點。一般的大型工程項目可對組件進行拆分建模或進行BIM預制驗證,但大型塑石工程由于其結構的復雜性、整體性,無法拆分為具體組件進行逆向建模。

地面三維激光掃描技術和設備的成熟與發展,為中小型不規則物體特別是雕塑表面積、體積等特征的精確統計提供了一種先進手段。三維激光掃描誤差由系統誤差和偶然誤差組成[2],檢較后誤差一般可控制在mm級[3],但對于大型復雜對象,多站掃描數據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塑石工程特征統計中。復雜地面對象表面一般采用多測站、多視角、環繞式掃描方式,再通過分塊數據拼接處理獲得完整表面點云[4]；但特大型JRC塑石工程形體巨大、紋理復雜、盲區繁多,多視點激光點云的全自動無縫拼接無法實現[5],累積誤差較大,因此制約了三維激光掃描BIM建模技術的應用。鑒于此,本文提出了基于BIM和三維控制框架激光掃描技術的審計方案。

1 審計方法對比

1.1 傳統JRC塑石工程審計方法

傳統的測量方式包括:①沙盤模型法,非等比例縮小,與實際工程出入大,精度不高；②貼報,適用于小型塑石假山,費時費力,誤差較大；③鋼絲網法,相對準確,主觀性大,不利于事后客觀審計；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,該方法簡單易用,也是業界普遍適用的估價和預算方法,但缺少客觀依據,主觀性大,在事后審計中頗具爭議。

1.2 基于BIM和三維控制框架激光掃描技術的JRC審計方法

大型塑石工程一般具有相應的沙盤模型,但在建造過程中為體現逼真效果,真實的塑石工程存在大量的復雜褶皺和孔洞,經過一定比例縮小的沙盤模型往往不能很好地反映這些細節,在特征統計上具有很大的誤差。為解決這一問題,本文首先選擇規則實驗物體進行了BIM 模型3D精度分析,驗證了方法的可行性；然后結合三維控制框架激光掃描技術建立特大型復雜塑石工程的BIM模型；最后進行高精度特征統計。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 數據精度分析與可行性

2.1 數據精度分析

本文首先采用高精度地面三維激光掃描儀對測試樣本進行了多站式全方位三維激光掃描,并基于特征點進行了多站點云數據拼接[6]；再利用Geomagic Studio軟件剔除冗余、噪點、孤點數據,獲取測試樣本完整、無冗余點云數據,并進行了BIM建模；然后將測試樣本標準Revit設計文件在Rhino下進行Obj通用格式轉換,得到測試樣本參數化BIM預制模型（測試樣本嚴格按照設計文件制作,通過多特征人工檢測,測試樣本和實物偏差極小,在mm級）；最后在Geomagic Qualify軟件下對測試樣本BIM模型和預制模型進行最佳擬合（圖2）,并進行3D誤差分析。

圖2 三維激光點云與實驗模型最佳擬合

2.2 可行性分析

本文通過誤差分布圖和精度統計表展示了BIM模型的審計承載精度,如圖3、表1所示,可以看出,利用三維激光點云掃描獲得的實驗物體BIM與實驗物體相比,統計精度96%以上保持在±1.5 cm以內,可滿足大型復雜塑石工程2 cm以上表面褶皺精確統計的審計要求。

圖3 3D誤差分布

表1 精度統計表

3 某動物園特大型JRC塑石工程審計實例

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價定額（2011版）》規定,塑石工程和各類城市雕塑采用表面積方式計算工程量。由于塑石工程形態多樣、結構復雜,往往存在大量孔洞、細微褶皺和盲區,且傳統技術手段較落后,因此表面積的核算成為最具爭議的難點。本文在該項目中選用的軟硬件為:地面三維激光掃描儀、自動升級云梯、高性能臺式計算機等,用于獲取高精度、高密度帶回光強度信息的塑石工程頂面和側面三維激光點云；配套點云拼接軟件、Geomagic Studio、Geomagic Qualify等,用于點云去噪、數據轉換、點云拼接、誤差分析和BIM建模。

某動物園塑石工程包括塑石大門、屋頂、假山、圖騰、動物等造型,結構復雜、高低不一、環形布局,是國內特大型JRC塑石工程之一,表面積計算難度極大。本文將該工程劃分為圖騰柱、大門、看臺、屋頂、假山等部分；根據工程布局,遵循整體覆蓋、少數合理、兩兩相應的原則,設計了環抱式頂面和側面三維控制框架,具體分為側面控制和頂面控制,側面控制又可細分為外網控制和內網控制。

三維控制框架既要保證可覆蓋整個工程布局,又要盡量簡約,以保障首級三維控制框架的精度。同時,為了保證工程局部有兩兩相應的三維控制框架站點,應盡量減少控制站點之間的單站數。單站之間選取4～5個靶標或特征點,以減小點云整體和局部拼接誤差,且能保證建模效率[7]。在三維控制框架構建過程中,還應注意外網控制站、內網控制站、頂面控制站的銜接,以保證塑石工程頂面和側面的吻合精度[8],布設示意如圖4所示。

圖4 三維控制框架站布設方案

3.2 方案對比

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

圖5 某動物園JRC塑石大門

表2 表面積測量值對比

表3 精度對比

4 結 語

本文突破了特大型JRC塑石工程拼接誤差積累的瓶頸,創新性地將BIM與三維控制框架激光掃描技術運用于審計領域,并以某動物園特大型JRC塑石工程審計項目為例,驗證了方法的可行性。雖然可以保障審計精度[9],但基于地面三維激光掃描的特大型JRC塑石工程BIM精細建模耗時較長,且頂面視角需借助云梯等升降設備才能獲取數據,給作業人員安全帶來了隱患。目前,旋翼無人機在實景三維建模方面的應用日益廣泛,技術也日趨成熟,通過引入環繞或仿面飛行技術,單棟建筑物的精細建模相對精度可控制在2 cm以內,但對一些塑石孔洞、隱蔽盲區無人機不便進行實景三維數據獲取。若特大型JRC塑石工程的三維控制框架采用旋翼無人機來獲取,孔洞、隱蔽盲區部分采用地面三維激光掃描來補充,再進行多源數據融合,這樣既便于頂面數據獲取,又能縮短工程量測周期,保障審計精度,將是本文進一步研究的課題。