基于BIM+物聯網逆向建模方法研究及應用

朱留洋，楊鑫，劉守宇，周亮

（1 中鐵大橋局集團第八工程有限公司，重慶 400026； 2 重慶科技學院 建筑工程學院，重慶 401331；3 重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016）

0 引言

逆向建模技術是指運用各種掃描工具來獲取點云數據， 然后采用軟件進行處理進而形成模型的過程。 數碼攝影測量技術、三維激光掃描技術、紅外熱成像技術、 智能全站儀測量技術等各種新型觀測技術在許多國家已經有研究和利用[1]。BIM 技術是指從設計、施工到管理各階段協同的過程。物聯網技術是指使用RFID、GPS、紅外感應等信息傳感器設備，與工程項目中各項要素、物品進行連接，在互聯網的運行環境下實現各種交互通信，實現遠程運營維護。

近年來，在建筑工程中，對于三維激光逆向建模技術的應用越來越廣泛。 姚習紅等[2]以多個建模軟件為對象，針對逆向建模的關鍵環節，探究逆向建模實現方法，解決不同建模軟件的跨界使用問題，但是沒能解決物聯網的跨界使用問題。徐巍等[3]利用逆向建模技術對已有球形鋼網架實物情況進行真實還原，通過模擬分析，優化拆除方案，并結合MR 設備進行可視化交底，保證施工安全，但沒有運用BIM 技術進行協調。 胡春梅等[4]利用正逆向建模相結合的混合建模方法，得到完整古建筑構件模型，但沒有將其運用到實際的施工中去。 王代兵等[5]利用BIM 技術與三維激光掃描儀在幕墻的深化設計、現場施工環節進行逆向設計、施工，提高了深化設計、生產施工的精確度，但沒有把物聯網技術融合進來。梁棟等[6]提出一種基于3D 激光掃描的鋼橋塔節段虛擬裝配方法，可實現對鋼橋塔整體裝配誤差的有效調控，但這個方法只運用了三維激光掃描技術。 陳小松等[7]通過應用API 激光跟蹤測量技術，對鋼桁梁制造關鍵工序的尺寸精度進行動態跟蹤測量，并確保了鋼桁梁構件的制造精度滿足設計要求，但這個技術只能運用于工程的一小部分。 可見，這些研究都有一定的局限性，尤其是沒有將BIM、物聯網、逆向建模三者進行結合，全面運用到工程中去。

因此，本文通過相關建模案例，運用近年來BIM 技術研究成果，討論正向建模、三維激光掃描逆向建模、基于BIM+物聯網逆向建模三種不同建模方式，并對這三者進行對比分析。這有助于項目方選擇適合的建模方法，以及施工現場運維階段的數字化、智能化。

1 常見的建模方法

1.1 正向建模

正向建模的步驟，一般來說，都是先準備好由設計人員畫好的設計圖紙，在建模軟件中對整體工程進行建模， 按照工程設計圖紙的標注對三維幾何圖像進行構建[8]。 在完成幾何模型建模工作后，然后再加上和工程項目以及構件相關的信息。最后，再完善部分細節，這樣就建立了一個完整的工程信息模型。正向構建的BIM 模型不僅直觀地展示項目，還可以看到項目相關信息。 模型可以用來進行模擬施工、安全演練等，有助于提高施工效率、保障工程安全。但是，正向建模的工程量一般都不小。因為前期需要閱讀的圖紙量較多，創建模型的工作量大且復雜，形狀不規則的部分更加麻煩，所以，正向建模需要花費很多時間。

工程案例為施工階段某大橋BIM 模型， 所有的鋼箱梁模型、基礎、橋墩、斜拉索、機電一體化等都根據相關數據進行了調整和優化。 它有模型深度為LOD400 的市政橋梁檢查模型，包括工程統計、施工數據、預算和設備，以滿足現場要求。 模型深度結合圖紙及模型滿足項目需求，確保做到圖模一致，真實反映設計情況，如圖1 所示。

圖1 某大橋BIM模型

1.2 三維激光掃描逆向建模

三維激光掃描逆向建模首先要準備好設備以及掃描方案，掃描工作中所需要的儀器設備有：法如掃描儀、三腳架等。 設計掃描方案時，有必要對建筑周圍情況進行繪圖，全面了解周邊環境，然后根據天氣、物體與環境的關系以及外部植被的密度等，來設置設施及控制點的數量。 最后使用掃描儀對工程進行點云數據采集，構建點云模型。 將獲得的點云數據導出，用配套軟件進行點云的拼接、去噪、抽稀，導出所需格式的點云數據。 進行三維激光掃描逆向構建的模型在外觀上與實物相差無幾， 但是沒有內在信息。 逆向建模不需要復雜的操作，依靠序列圖像就可以進行模型的重構，整個過程方便快捷。

工程案例為某橋塔點云模型，在施工過程中對某大橋的橋段進行逆向建模， 運用掃描儀按照制定好的方案對橋段進行掃描，得到橋段點云模型，如圖2 所示。

圖2 某橋段點云模型

2 基于BIM+物聯網逆向建模

基于BIM+物聯網逆向建模是在三維激光掃描逆向建模的基礎上結合BIM、物聯網技術形成的。 首先，將三維激光掃描逆向建模得到的點云模型導入到建筑建模軟件中，當前建筑建模軟件有很多，本文選擇應用最廣泛的Revit 軟件，能識別三維激光掃描格式點云文件。為了在Revit 中構建模型，需要創建標高、軸網，然后根據不同的標高進行繪制，為了將不同的構造元件放在正確的位置，必須將它們移到不同的視圖方向[9]。 創建的對象可輸入相關屬性， 這些對象都可以在之后進行碰撞檢查和受力分析等， 其中，Revit 自帶了許多族庫，這樣建立的模型就很精細，許多的細節都能反映出來，能夠較好地符合實際。 然后存儲為BIM 軟件通用格式，這樣逆向構建的幾何模型到BIM 模型的轉換就完成了。最后，將逆向的BIM 模型引入到智慧工地中來，加入工地可視化管理系統， 能實現對工程施工現場的各個要素信息的實時采集監控，幫助管理人員快速掌握施工現場的信息，進而實現施工現場以及運維階段的數字化、智能化。

以某在建大橋工程為例， 通過三維激光掃描獲得點云模型，如圖3 所示，將其導入到BIM 基礎軟件中，將模型上傳至精細化協同管理平臺，同智慧工地進行運維協同管理。

圖3 BIM平臺的逆向模型

3 對比分析

將正向建模、三維激光掃描逆向建模、基于BIM+物聯網逆向建模這三個建模方法進行對比分析，如表1 所示。

表1 三種建模方法的對比分析

在建模速度上：正向建模需閱讀大量圖紙再進行建模，完成一般的項目需要3～5 天， 花費時間最多； 對于三維激光掃描逆向建模， 本文案例中所選擇的掃描儀以360°×300°的視場角和每秒9760000 點的數據獲取速度， 完成一次典型斷面的掃描測量任務只需幾分鐘，花費時間最少；而基于BIM+物聯網逆向建模，在三維激光掃描逆向建模基礎上多了兩個步驟，即導入BIM 軟件和智慧工地系統，完成一般的項目，需要1～2 天左右，花費時間較少。

在兼容性上：正向建模的建模軟件國內外有很多，如Revit、Projectwise、Archi CAD、CATIA 等， 雖然存儲格式和內容不同，但是IFC 格式（國際標準建筑文件格式）能解決兼容性的問題，IFC自1997 年1 月發布IFC1.0 以來，已經歷了6 次主要的改版，其中IFC2×3 是目前大多數市面上的BIM 軟件支持的版本，而2010 年底所發表的IFC2×4 被認為是最符合Open BIM 協同設計概念跨時代的版本； 三維激光掃描逆向建模中點云數據處理軟件有很多，每個品牌的掃描儀會有相應的點云數據處理軟件，如天寶系列的使用Trimble Realworks 來處理、 思看系列的使用Geomagic后期處理軟件等[10]。 各處理軟件支持的格式有限，導致點云數據在不同軟件中出現不兼容的現象， 基于BIM+物聯網逆向建模是在三維激光掃描逆向建模的基礎上構成的，所以兼容性與三維激光掃描逆向建模相同。

在BIM 協同上， 正向建模和基于BIM+物聯網逆向建模的模型經過在BIM 基礎軟件中的處理后，具有完整的工程信息，能導入到BIM 平臺中進行運維協同；三維激光掃描逆向建模的模型只是在對應的點云數據軟件中經過簡單處理， 只有三維幾何信息，不能進行BIM 協同。

在適用范圍上， 正向建模是當前建筑工程最常用的方法，而且只需要在電腦上就能實現，無需額外的設備費用，適用于當前新建建筑的設計、施工、維護、管理等各個階段；三維激光掃描逆向建模能快速建模，與BIM 設計模型對比對照，了解施工質量的真實情況，適用于當前建筑施工、檢測等方面；基于BIM+物聯網逆向建模，并結合前面兩者的優勢，所以適用的范圍相對更大。

4 結論

在現代建筑設計復雜、體量龐大的背景下，使用逆向建模技術來輔助工程已成為一種趨勢。 本文對正向建模、三維激光逆向建模以及BIM+物聯網逆向建模三種建模方法進行了一般性討論以及對比，分析各個方式的優缺點，得出BIM+物聯網逆向建模在橋梁工程中的優勢，發現其能快速建模并結合BIM 技術與物聯網技術，提高橋梁施工現場的數字化管理水平，豐富了逆向建模橋梁施工應用經驗。