既有建筑逆向建模方法與實(shí)踐

陳玉璽

摘要：隨著建筑信息化和智慧城市建設(shè)發(fā)展，BIM建模技術(shù)在既有建筑運(yùn)維管理、提質(zhì)改造、老舊建筑保護(hù)、危舊建筑拆除等方面應(yīng)用越來越廣泛。以某中學(xué)校園園區(qū)為例，對(duì)既有建筑逆向BIM建模的工作流程進(jìn)行了剖析，闡述在傾斜攝影、三維激光掃描等測(cè)繪數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，快速構(gòu)建滿足要求的建筑信息模型的逆向建模方法。實(shí)踐表明，模型數(shù)據(jù)符合建筑信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)；建模方法可以滿足建筑信息模型快速創(chuàng)建的要求，大量節(jié)省了人力和時(shí)間成本；建筑模型與結(jié)構(gòu)構(gòu)件合理，可以通過系統(tǒng)合法性、一致性檢查，滿足可視化展現(xiàn)和主要運(yùn)行管理維護(hù)場(chǎng)景需求。

關(guān)鍵詞：既有建筑；逆向建模；點(diǎn)云；建筑信息模型（BIM）

一、前言

既有建筑是已經(jīng)建設(shè)完成真實(shí)存在的建筑，由于年代久遠(yuǎn)，往往遇到原有施工圖紙、技術(shù)文件資料缺失情況[1]，需要逆向建模以修正現(xiàn)況偏差，滿足智慧城市建設(shè)和建筑運(yùn)維管理的需要。由于既有建筑傳統(tǒng)測(cè)繪效率低、精度不足，大大影響模型構(gòu)建速度，隨著傾斜攝影、激光點(diǎn)云掃描、360全景攝影等技術(shù)不斷成熟，由傾斜攝影、點(diǎn)云到自動(dòng)建筑建模已經(jīng)有了大量的研究實(shí)踐，并形成了較為成熟的方法[2]，但這些方法難以滿足既有建筑構(gòu)件及重要設(shè)備信息化及屬性標(biāo)識(shí)要求。以某中學(xué)校園園區(qū)建筑為例，利用已有外業(yè)掃描、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、室內(nèi)360全景等測(cè)繪數(shù)據(jù)，詳細(xì)闡述手動(dòng)快速逆向BIM建模方法實(shí)踐過程，并對(duì)其實(shí)踐效果進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，為既有建筑信息模型快速構(gòu)建提供有益的參考。

二、項(xiàng)目概況

（一）工程總體概況

某中學(xué)校園園區(qū)項(xiàng)目包括教學(xué)樓、格物樓、綜合樓、標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)雨操場(chǎng)及全部地下三層，總建筑面積約60000m2。園區(qū)全貌如圖1所示，教學(xué)樓平面為回字形，內(nèi)嵌部分為圖書館，地上6層，總高度26.6m；格物樓地上8層，總高度36.6m，綜合樓內(nèi)設(shè)學(xué)生食堂和大禮堂，地上4層，建筑總高度21.6m。所有建筑物地下相互聯(lián)通，組成了一個(gè)復(fù)雜的地上地下建筑綜合體。

（二）工程重難點(diǎn)分析

建筑物已實(shí)際存在，需要按照既有建筑建模要求，依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)形式、尺寸信息，拾取實(shí)際顏色，在計(jì)算機(jī)建模軟件輔助下完成三維模型的建立。由于既有建筑一般圖紙不全，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，空間幾何信息采集困難[3]，或是與當(dāng)前實(shí)際裝修改造有較大差異，所以在建筑的信息化過程中，需要根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后建模。

教學(xué)樓、格物樓、綜合樓及風(fēng)雨操場(chǎng)之間均有錯(cuò)層高差。由于既有建筑均帶有裝修層，錯(cuò)層高差實(shí)際尺寸需要根據(jù)點(diǎn)云掃描及360實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合模數(shù)要求進(jìn)行綜合確定。由于工程量較大，在團(tuán)隊(duì)分工協(xié)同建模過程中，錯(cuò)層高差會(huì)導(dǎo)致模型組合時(shí)產(chǎn)生較大的對(duì)接誤差。

地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，點(diǎn)云數(shù)據(jù)地下部分采集不夠詳盡。該校園園區(qū)建筑物下部分相互連通，分布有籃球場(chǎng)、網(wǎng)球場(chǎng)、活動(dòng)室等地下空間。通過傾斜攝影、點(diǎn)云、360全景攝影等方式得出的測(cè)量數(shù)據(jù)都難以顯示地下空間的外輪廓特征，地下空間的構(gòu)件尺寸一般根據(jù)360全景照片并結(jié)合其他數(shù)據(jù)測(cè)量方式或材料模數(shù)等分析得出。

建筑造型相對(duì)復(fù)雜，色彩多樣。地上主要建筑物教學(xué)樓、格物樓、綜合樓平面并不完全規(guī)整，建筑立面造型多變、線條凸凹，外觀色彩花紋多樣，在建模操作過程中細(xì)節(jié)處理工作量大。

三、數(shù)據(jù)來源與應(yīng)用

本工程主要提供傾斜攝影、激光點(diǎn)云、360全景照片三種類型數(shù)據(jù)，外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)情況如表1所示。

（一）傾斜攝影

傾斜攝影是近些年在測(cè)繪領(lǐng)域發(fā)展出來的一種高新技術(shù)。它是通過在飛行平臺(tái)上搭載可采集信息的傳感器從多個(gè)不同角度對(duì)建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，還可以高精度地獲取表面紋理信息。在實(shí)際應(yīng)用中，傾斜攝影可以快速通過融合、建模等技術(shù)，生成真實(shí)的三維城市模型，但只有傾斜攝影數(shù)據(jù)難以精確構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)及內(nèi)部空間。傾斜攝影采用旋翼無人機(jī)搭載攝影相機(jī)從垂直、傾斜等五個(gè)不同的角度進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，相機(jī)最高分辨率可達(dá)2.0cm，數(shù)據(jù)主要用于分析建筑平立面、建筑高度、錯(cuò)層高差，確定建筑層高，并進(jìn)行外觀、造型、線條、紋理等細(xì)節(jié)處理。

（二）三維激光點(diǎn)云

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是通過三維激光掃描技術(shù)對(duì)已真實(shí)存在的物體進(jìn)行掃描，獲取了該物體的空間幾何信息，即對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化[4]，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，必要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)修補(bǔ)的一種建筑實(shí)物數(shù)據(jù)獲取方法。這種數(shù)據(jù)采集方式需要合理布置測(cè)點(diǎn)，通過對(duì)拾取的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云擬合，可以利用軟件生成BIM模型。由于本項(xiàng)目地下部分提供的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并不詳盡，需要分別手動(dòng)創(chuàng)建建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備的模型并進(jìn)行合模。所以本項(xiàng)目點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要是用于建筑、結(jié)構(gòu)建模中的平、立、剖底圖尺寸或?qū)δＰ蛿?shù)據(jù)進(jìn)行修正，如圖2所示。

（三）360全景照片

采用360全景相機(jī)采集建筑空間全景照片，布設(shè)點(diǎn)位要考慮覆蓋全部可見部分，包括建筑空間、梁柱結(jié)構(gòu)主體、重要設(shè)備等，同時(shí)也注意相鄰點(diǎn)位的銜接，避免出現(xiàn)中斷。園區(qū)共布設(shè)全景掃描點(diǎn)位4587個(gè)，其中教學(xué)樓及地下部分布設(shè)2512個(gè)，格物樓及地下部分布設(shè)597個(gè)，綜合樓布設(shè)457個(gè)，風(fēng)雨操場(chǎng)及地下室布設(shè)990個(gè)，其他部位31個(gè)，覆蓋園區(qū)所有房間和全部可見部分。由于本項(xiàng)目不宜使用點(diǎn)云擬合技術(shù)自動(dòng)生成建筑模型，所以建筑內(nèi)部細(xì)節(jié)、構(gòu)件實(shí)際尺寸以及重要設(shè)備屬性的建模都依賴360全景數(shù)據(jù)。

四、建模過程與方法分析

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，依據(jù)傾斜攝影數(shù)據(jù)及360全景影像確定各樓層標(biāo)高及樓棟間高差，在Revit軟件中鏈接處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定軸線，然后分區(qū)、分組進(jìn)行模型構(gòu)建，參照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)建筑的梁、板、柱、墻體、樓梯、門窗、屋頂?shù)冗M(jìn)行繪制。繪制可使用系統(tǒng)自帶族庫，對(duì)于系統(tǒng)沒有的構(gòu)件，可以預(yù)先設(shè)立族作為BIM模型中的基本圖元存儲(chǔ)在協(xié)同平臺(tái)，不同分區(qū)的模型均可調(diào)用，避免了大量重復(fù)建族導(dǎo)致的效率低下。完成各分區(qū)的模型后再進(jìn)行合模，形成建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備信息完備的模型，然后在場(chǎng)地上進(jìn)行模型組裝。建模流程如圖3所示。

（一）建模前準(zhǔn)備工作

由于數(shù)據(jù)量大、時(shí)間緊，建筑內(nèi)外結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為加快進(jìn)度，在建模操作開始前需要預(yù)先做好兩個(gè)方面的工作。一是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。由于觀測(cè)儀器設(shè)備自身精度等內(nèi)因以及在掃描過程中不可避免地會(huì)自然振動(dòng)等外因影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中會(huì)存在噪聲點(diǎn)、失真點(diǎn)和冗余數(shù)據(jù)[5]，建模前需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤及冗余，減少誤差的累積，統(tǒng)一坐標(biāo)并進(jìn)行切片分層處理，分割為不同樓層平面的二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。二是對(duì)已有的傾斜攝影、激光點(diǎn)云、360全景照片數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。由于既有建筑已有大量的裝飾裝修會(huì)影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，加之采集過程的操作不規(guī)范性也導(dǎo)致某些點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重疊或缺失，而360全景照片并不能保證獲取滿足構(gòu)件建立所需的全部幾何信息，所以要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如發(fā)現(xiàn)房間、構(gòu)件、設(shè)備等信息不足，可以補(bǔ)充采集以保證模型的精度。

（二）數(shù)據(jù)導(dǎo)入與應(yīng)用

對(duì)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片分層處理后，可以在Revit中各樓層中插入點(diǎn)云樓層平面圖，再根據(jù)不同樓層平面的數(shù)據(jù)獲取軸線位置信息。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集精度和圖片分辨率，對(duì)插入的平面圖進(jìn)行縮放，使其與建模比例相符合。縮放方法如式（1）所示。

M=L×P （1）

M—模型建模尺寸，單位m。

L—樓層平面圖尺寸，單位cm，取平面圖分辨率長(zhǎng)或?qū)捪袼刂怠?/p>

P—點(diǎn)云底圖數(shù)據(jù)采集精度，此處根據(jù)圖片精度取0.02。

將導(dǎo)入的平面圖進(jìn)行合適比例縮放，對(duì)精確定位建筑物軸網(wǎng)、建筑邊界、墻柱等構(gòu)件有重要意義，可以極大提高建模的精確度，快速構(gòu)建符合標(biāo)準(zhǔn)要求的建筑信息模型，滿足客戶的要求。為了避免主軸線傾斜帶的不利影響，加快建模進(jìn)度提高建模效率，需要依據(jù)坐標(biāo)對(duì)導(dǎo)入的平面圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使建筑主軸線處于水平和豎直位置，所有建筑物均按主軸線與水平線夾角進(jìn)行調(diào)整，精確到0.01，如圖4所示。

（三）標(biāo)高設(shè)置與軸網(wǎng)確定

由于各建筑物、風(fēng)雨操場(chǎng)及園區(qū)地下部分相互連通且存在錯(cuò)層或高差，而手動(dòng)建模是采取分區(qū)、分組方式協(xié)同作業(yè)，為了避免在最后模型組裝時(shí)各部分的銜接誤差，需要對(duì)整個(gè)園區(qū)確定統(tǒng)一的標(biāo)高。需要確定教學(xué)樓、格物樓、綜合樓及風(fēng)雨操場(chǎng)四者之間的底標(biāo)高差值，樓層內(nèi)部標(biāo)高差值數(shù)據(jù)來源于點(diǎn)云，外部高差主要參照傾斜攝影和360全景圖，統(tǒng)一采用大地2000坐標(biāo)系，按照教學(xué)樓一層地面絕對(duì)標(biāo)高22.23m作為園區(qū)正負(fù)零標(biāo)高，樓層結(jié)構(gòu)面比建筑面低0.05m。每一分塊利用協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行建筑建模，依據(jù)建筑模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型和水電暖通設(shè)備的建模，各部分完成后再進(jìn)行合模。各樓棟依據(jù)左下角點(diǎn)為定位點(diǎn)，預(yù)先統(tǒng)一坐標(biāo)并對(duì)各建筑物進(jìn)行定位，確定主軸線和內(nèi)部附加軸線。在后續(xù)的分區(qū)、分組協(xié)同建模過程中，標(biāo)高和軸網(wǎng)主定位點(diǎn)的統(tǒng)一確定避免了各部分的錯(cuò)位與誤差，大大減少了后期模型合并、修改工程量。

（四）分塊協(xié)同與模型構(gòu)建

根據(jù)園區(qū)工程量分為四個(gè)區(qū)域，分組協(xié)同建模，如表2所示。分區(qū)、分組遵循工程量均衡原則。分區(qū)、分組情況如表2所示。按照既有重要建筑建模交付技術(shù)指引的要求，既有建筑的裝飾裝修層信息不作要求，在模型構(gòu)件過程中，建筑構(gòu)件的實(shí)際尺寸根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及360全景照片結(jié)合建筑構(gòu)件常用模數(shù)確定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸依據(jù)建筑構(gòu)件尺寸確定，要滿足各模型合并后不出現(xiàn)重疊閃爍的要求。由于建筑內(nèi)外構(gòu)件的相對(duì)復(fù)雜，建筑信息模型的建模工程量要到全部建模工程量的60%—90%。先完成各分區(qū)建筑模型構(gòu)建，結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型依據(jù)建筑模型可同時(shí)構(gòu)建，有效加快模型構(gòu)建的進(jìn)度。

（五）數(shù)據(jù)檢查與模型交付

所有建筑模型構(gòu)建完成后，需要對(duì)模型進(jìn)行自查，主要項(xiàng)目包括模型完整性、文件及構(gòu)件的命名、構(gòu)件屬性、空間坐標(biāo)配置等信息。結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用Navisworks進(jìn)行實(shí)模一致性檢查。Navisworks軟件可以將不同專業(yè)，不同平臺(tái)搭建的模型進(jìn)行整合，快速流暢地查看模型的整體效果，對(duì)比實(shí)景與模型之間的信息狀態(tài)差異，實(shí)現(xiàn)模型問題的快速修正。

模型交付需符合既有重要建筑建模交付技術(shù)指引及數(shù)字模型存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，其中，建筑材質(zhì)配色需要與外業(yè)照片和測(cè)繪資料保持一致，構(gòu)件標(biāo)識(shí)符必須合理賦值，各類文件格式符合提交要求，并提交實(shí)物與模型一致性對(duì)比報(bào)告，結(jié)構(gòu)模型應(yīng)保持其結(jié)構(gòu)合理性，與建筑模型保持一致，設(shè)備構(gòu)件無遺漏，模型整體滿足可視化展現(xiàn)和主要運(yùn)行、運(yùn)維場(chǎng)景需求。

五、結(jié)語

以某中學(xué)校園園區(qū)既有建筑的逆向建模為例，提供一種基于逆向工程技術(shù)的建筑信息模型（BIM）構(gòu)建的方法，剖析了BIM逆向建模的工作流程，并系統(tǒng)闡述各流程階段對(duì)數(shù)據(jù)合理應(yīng)用與建模的注意事項(xiàng)，最后利用Revit、Navisworks及相關(guān)輔助工具完成滿足甲方要求的全園區(qū)建筑、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)及場(chǎng)地的建模任務(wù)。實(shí)踐表明，各專業(yè)構(gòu)件級(jí)模型單元最低幾何精度符合要求，模型完整性、合標(biāo)性、合理性、一致性檢查關(guān)鍵性指標(biāo)通過率達(dá)到100%，其他相關(guān)指標(biāo)通過率達(dá)到80%以上，成果符合既有重要建筑建模交付技術(shù)指引的相關(guān)要求，滿足可視化展現(xiàn)和主要運(yùn)行、運(yùn)維場(chǎng)景需求，為既有重要建筑逆向高精度建模提供了便捷的方法，具有較高使用價(jià)值。由于測(cè)繪誤差及掃描的局限性，以及數(shù)據(jù)調(diào)用的主觀性，在快速逆向建模過程中存在無法客觀反映既有建筑的真實(shí)情況，還需進(jìn)一步研究如何提高建模的精度與效率。比如在結(jié)構(gòu)建模過程，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的隱蔽性，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)無法覆蓋所有梁、板、柱等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，實(shí)際結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件結(jié)果會(huì)與既有建筑本身有一定的差異，但這種差異并不影響完整性、合標(biāo)性等關(guān)鍵性指標(biāo)的檢查、驗(yàn)收。既有建筑工程逆向建模應(yīng)用存在一定的改進(jìn)空間，可實(shí)施性仍需更多嘗試與總結(jié)，以推動(dòng)建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型及BIM行業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王全，張?jiān)拢跤駶桑?三維激光掃描及放樣機(jī)器人與BIM技術(shù)在舊建筑改造中的結(jié)合應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2018，47（S1）：1490-1492.

[2]丁志坤，徐盛取，王家遠(yuǎn)，等.新基建背景下城市基礎(chǔ)設(shè)施逆向BIM建模研究——以地鐵項(xiàng)目為例[C]//中國圖學(xué)學(xué)會(huì)建筑信息模型（BIM）專業(yè)委員會(huì).第七屆全國BIM學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.深圳大學(xué)中澳BIM與智慧建造研究中心，深圳大學(xué)濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2021：6.

[3]劉勝男，陶鈞，史艾嘉.基于三維激光點(diǎn)云的既有建筑BIM建模方法研究與應(yīng)用[J].安徽建筑，2020，27（12）：142-143+147.

[4]周紅波，汪再軍.既有建筑信息模型快速建模方法和實(shí)踐[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2017，38（12）：83-86.

[5]余浩，黨星海，李文洲，等.點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM技術(shù)對(duì)既有建筑改造的應(yīng)用[J].地理空間信息，2021，19（09）：83-86+7.

基金項(xiàng)目：湖北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目“綠銅山礦區(qū)既有代表性居住建筑數(shù)字化保存”（立項(xiàng)序號(hào)：186）

作者單位：長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

責(zé)任編輯：尚丹