既有建筑逆向建模方法與實踐

陳玉璽

摘要：隨著建筑信息化和智慧城市建設發展，BIM建模技術在既有建筑運維管理、提質改造、老舊建筑保護、危舊建筑拆除等方面應用越來越廣泛。以某中學校園園區為例，對既有建筑逆向BIM建模的工作流程進行了剖析，闡述在傾斜攝影、三維激光掃描等測繪數據的基礎上，快速構建滿足要求的建筑信息模型的逆向建模方法。實踐表明，模型數據符合建筑信息模型數據存儲標準；建模方法可以滿足建筑信息模型快速創建的要求，大量節省了人力和時間成本；建筑模型與結構構件合理，可以通過系統合法性、一致性檢查，滿足可視化展現和主要運行管理維護場景需求。

關鍵詞：既有建筑；逆向建模；點云；建筑信息模型（BIM）

一、前言

既有建筑是已經建設完成真實存在的建筑，由于年代久遠，往往遇到原有施工圖紙、技術文件資料缺失情況[1]，需要逆向建模以修正現況偏差，滿足智慧城市建設和建筑運維管理的需要。由于既有建筑傳統測繪效率低、精度不足，大大影響模型構建速度，隨著傾斜攝影、激光點云掃描、360全景攝影等技術不斷成熟，由傾斜攝影、點云到自動建筑建模已經有了大量的研究實踐，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件及重要設備信息化及屬性標識要求。以某中學校園園區建筑為例，利用已有外業掃描、點云數據、室內360全景等測繪數據，詳細闡述手動快速逆向BIM建模方法實踐過程，并對其實踐效果進行了簡單分析，為既有建筑信息模型快速構建提供有益的參考。

二、項目概況

（一）工程總體概況

某中學校園園區項目包括教學樓、格物樓、綜合樓、標準風雨操場及全部地下三層，總建筑面積約60000m2。園區全貌如圖1所示，教學樓平面為回字形，內嵌部分為圖書館，地上6層，總高度26.6m；格物樓地上8層，總高度36.6m，綜合樓內設學生食堂和大禮堂，地上4層，建筑總高度21.6m。所有建筑物地下相互聯通，組成了一個復雜的地上地下建筑綜合體。

（二）工程重難點分析

建筑物已實際存在，需要按照既有建筑建模要求，依據實測數據分析結構形式、尺寸信息，拾取實際顏色，在計算機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，數據不準，空間幾何信息采集困難[3]，或是與當前實際裝修改造有較大差異，所以在建筑的信息化過程中，需要根據實測數據進行分析，然后建模。

教學樓、格物樓、綜合樓及風雨操場之間均有錯層高差。由于既有建筑均帶有裝修層，錯層高差實際尺寸需要根據點云掃描及360實測數據，并結合模數要求進行綜合確定。由于工程量較大，在團隊分工協同建模過程中，錯層高差會導致模型組合時產生較大的對接誤差。

地下結構復雜，點云數據地下部分采集不夠詳盡。該校園園區建筑物下部分相互連通，分布有籃球場、網球場、活動室等地下空間。通過傾斜攝影、點云、360全景攝影等方式得出的測量數據都難以顯示地下空間的外輪廓特征，地下空間的構件尺寸一般根據360全景照片并結合其他數據測量方式或材料模數等分析得出。

建筑造型相對復雜，色彩多樣。地上主要建筑物教學樓、格物樓、綜合樓平面并不完全規整，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節處理工作量大。

三、數據來源與應用

本工程主要提供傾斜攝影、激光點云、360全景照片三種類型數據，外業實測數據情況如表1所示。

（一）傾斜攝影

傾斜攝影是近些年在測繪領域發展出來的一種高新技術。它是通過在飛行平臺上搭載可采集信息的傳感器從多個不同角度對建筑進行數據采集的，不僅能夠真實地反映地物情況，還可以高精度地獲取表面紋理信息。在實際應用中，傾斜攝影可以快速通過融合、建模等技術，生成真實的三維城市模型，但只有傾斜攝影數據難以精確構建建筑結構及內部空間。傾斜攝影采用旋翼無人機搭載攝影相機從垂直、傾斜等五個不同的角度進行了數據采集，相機最高分辨率可達2.0cm，數據主要用于分析建筑平立面、建筑高度、錯層高差，確定建筑層高，并進行外觀、造型、線條、紋理等細節處理。

（二）三維激光點云

點云數據是通過三維激光掃描技術對已真實存在的物體進行掃描，獲取了該物體的空間幾何信息，即對其進行數字化[4]，然后進行數據拼接，必要時進行數據修補的一種建筑實物數據獲取方法。這種數據采集方式需要合理布置測點，通過對拾取的數據進行點云擬合，可以利用軟件生成BIM模型。由于本項目地下部分提供的點云數據并不詳盡，需要分別手動創建建筑、結構、設備的模型并進行合模。所以本項目點云數據主要是用于建筑、結構建模中的平、立、剖底圖尺寸或對模型數據進行修正，如圖2所示。

（三）360全景照片

采用360全景相機采集建筑空間全景照片，布設點位要考慮覆蓋全部可見部分，包括建筑空間、梁柱結構主體、重要設備等，同時也注意相鄰點位的銜接，避免出現中斷。園區共布設全景掃描點位4587個，其中教學樓及地下部分布設2512個，格物樓及地下部分布設597個，綜合樓布設457個，風雨操場及地下室布設990個，其他部位31個，覆蓋園區所有房間和全部可見部分。由于本項目不宜使用點云擬合技術自動生成建筑模型，所以建筑內部細節、構件實際尺寸以及重要設備屬性的建模都依賴360全景數據。

四、建模過程與方法分析

對實測數據進行預處理，依據傾斜攝影數據及360全景影像確定各樓層標高及樓棟間高差，在Revit軟件中鏈接處理后的點云數據確定軸線，然后分區、分組進行模型構建，參照實測數據對目標建筑的梁、板、柱、墻體、樓梯、門窗、屋頂等進行繪制。繪制可使用系統自帶族庫，對于系統沒有的構件，可以預先設立族作為BIM模型中的基本圖元存儲在協同平臺，不同分區的模型均可調用，避免了大量重復建族導致的效率低下。完成各分區的模型后再進行合模，形成建筑、結構、設備信息完備的模型，然后在場地上進行模型組裝。建模流程如圖3所示。

（一）建模前準備工作

由于數據量大、時間緊，建筑內外結構復雜。為加快進度，在建模操作開始前需要預先做好兩個方面的工作。一是對點云數據進行預處理。由于觀測儀器設備自身精度等內因以及在掃描過程中不可避免地會自然振動等外因影響，點云數據中會存在噪聲點、失真點和冗余數據[5]，建模前需要對點云數據進行預處理，去除點云數據中的錯誤及冗余，減少誤差的累積，統一坐標并進行切片分層處理，分割為不同樓層平面的二維點云數據。二是對已有的傾斜攝影、激光點云、360全景照片數據進行綜合分析。由于既有建筑已有大量的裝飾裝修會影響點云數據采集的準確性，加之采集過程的操作不規范性也導致某些點云數據的重疊或缺失，而360全景照片并不能保證獲取滿足構件建立所需的全部幾何信息，所以要進行數據分析，如發現房間、構件、設備等信息不足，可以補充采集以保證模型的精度。

（二）數據導入與應用

對采集點云數據進行切片分層處理后，可以在Revit中各樓層中插入點云樓層平面圖，再根據不同樓層平面的數據獲取軸線位置信息。根據點云數據采集精度和圖片分辨率，對插入的平面圖進行縮放，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，取平面圖分辨率長或寬像素值。

P—點云底圖數據采集精度，此處根據圖片精度取0.02。

將導入的平面圖進行合適比例縮放，對精確定位建筑物軸網、建筑邊界、墻柱等構件有重要意義，可以極大提高建模的精確度，快速構建符合標準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，加快建模進度提高建模效率，需要依據坐標對導入的平面圖進行旋轉，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行調整，精確到0.01，如圖4所示。

（三）標高設置與軸網確定

由于各建筑物、風雨操場及園區地下部分相互連通且存在錯層或高差，而手動建模是采取分區、分組方式協同作業，為了避免在最后模型組裝時各部分的銜接誤差，需要對整個園區確定統一的標高。需要確定教學樓、格物樓、綜合樓及風雨操場四者之間的底標高差值，樓層內部標高差值數據來源于點云，外部高差主要參照傾斜攝影和360全景圖，統一采用大地2000坐標系，按照教學樓一層地面絕對標高22.23m作為園區正負零標高，樓層結構面比建筑面低0.05m。每一分塊利用協同平臺進行建筑建模，依據建筑模型進行結構模型和水電暖通設備的建模，各部分完成后再進行合模。各樓棟依據左下角點為定位點，預先統一坐標并對各建筑物進行定位，確定主軸線和內部附加軸線。在后續的分區、分組協同建模過程中，標高和軸網主定位點的統一確定避免了各部分的錯位與誤差，大大減少了后期模型合并、修改工程量。

（四）分塊協同與模型構建

根據園區工程量分為四個區域，分組協同建模，如表2所示。分區、分組遵循工程量均衡原則。分區、分組情況如表2所示。按照既有重要建筑建模交付技術指引的要求，既有建筑的裝飾裝修層信息不作要求，在模型構件過程中，建筑構件的實際尺寸根據點云數據及360全景照片結合建筑構件常用模數確定，結構構件尺寸依據建筑構件尺寸確定，要滿足各模型合并后不出現重疊閃爍的要求。由于建筑內外構件的相對復雜，建筑信息模型的建模工程量要到全部建模工程量的60%—90%。先完成各分區建筑模型構建，結構和設備模型依據建筑模型可同時構建，有效加快模型構建的進度。

（五）數據檢查與模型交付

所有建筑模型構建完成后，需要對模型進行自查，主要項目包括模型完整性、文件及構件的命名、構件屬性、空間坐標配置等信息。結合實測數據利用Navisworks進行實模一致性檢查。Navisworks軟件可以將不同專業，不同平臺搭建的模型進行整合，快速流暢地查看模型的整體效果，對比實景與模型之間的信息狀態差異，實現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指引及數字模型存儲標準，其中，建筑材質配色需要與外業照片和測繪資料保持一致，構件標識符必須合理賦值，各類文件格式符合提交要求，并提交實物與模型一致性對比報告，結構模型應保持其結構合理性，與建筑模型保持一致，設備構件無遺漏，模型整體滿足可視化展現和主要運行、運維場景需求。

五、結語

以某中學校園園區既有建筑的逆向建模為例，提供一種基于逆向工程技術的建筑信息模型（BIM）構建的方法，剖析了BIM逆向建模的工作流程，并系統闡述各流程階段對數據合理應用與建模的注意事項，最后利用Revit、Navisworks及相關輔助工具完成滿足甲方要求的全園區建筑、結構、系統及場地的建模任務。實踐表明，各專業構件級模型單元最低幾何精度符合要求，模型完整性、合標性、合理性、一致性檢查關鍵性指標通過率達到100%，其他相關指標通過率達到80%以上，成果符合既有重要建筑建模交付技術指引的相關要求，滿足可視化展現和主要運行、運維場景需求，為既有重要建筑逆向高精度建模提供了便捷的方法，具有較高使用價值。由于測繪誤差及掃描的局限性，以及數據調用的主觀性，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情況，還需進一步研究如何提高建模的精度與效率。比如在結構建模過程，由于結構構件的隱蔽性，實測數據無法覆蓋所有梁、板、柱等主要結構構件，實際結構模型構件結果會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、合標性等關鍵性指標的檢查、驗收。既有建筑工程逆向建模應用存在一定的改進空間，可實施性仍需更多嘗試與總結，以推動建筑業數字化轉型及BIM行業發展。

參考文獻

[1]王全，張月，王玉澤，等.三維激光掃描及放樣機器人與BIM技術在舊建筑改造中的結合應用[J].施工技術，2018，47（S1）：1490-1492.

[2]丁志坤，徐盛取，王家遠，等.新基建背景下城市基礎設施逆向BIM建模研究——以地鐵項目為例[C]//中國圖學學會建筑信息模型（BIM）專業委員會.第七屆全國BIM學術會議論文集.深圳大學中澳BIM與智慧建造研究中心，深圳大學濱海城市韌性基礎設施教育部重點實驗室，2021：6.

[3]劉勝男，陶鈞，史艾嘉.基于三維激光點云的既有建筑BIM建模方法研究與應用[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踐[J].建筑經濟，2017，38（12）：83-86.

[5]余浩，黨星海，李文洲，等.點云數據與BIM技術對既有建筑改造的應用[J].地理空間信息，2021，19（09）：83-86+7.

基金項目：湖北省住房和城鄉建設廳建設科技計劃項目“綠銅山礦區既有代表性居住建筑數字化保存”（立項序號：186）

作者單位：長江工程職業技術學院

責任編輯：尚丹