基于BIM的高精度塑石工程特征统计方法研究

侯 飞

（1.山东省国土测绘院,山东 济南 250101）

BIM是一个工程项目物理和功能特性的数字表达,是一个分享有关该设施信息,为其从建设到拆除的全生命周期中所有决策提供可靠依据的过程。在项目的不同阶段,不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息,支持和反映其各自职责的协同作业。BIM以三维动态显示为基础,包含了诸多信息模型[1],在建筑、工业智造等领域得到了广泛应用。然而,不规则大型工程（如特大型JRC塑石工程）的BIM建模在技术上还存在一些难点。一般的大型工程项目可对组件进行拆分建模或进行BIM预制验证,但大型塑石工程由于其结构的复杂性、整体性,无法拆分为具体组件进行逆向建模。

地面三维激光扫描技术和设备的成熟与发展,为中小型不规则物体特别是雕塑表面积、体积等特征的精确统计提供了一种先进手段。三维激光扫描误差由系统误差和偶然误差组成[2],检较后误差一般可控制在mm级[3],但对于大型复杂对象,多站扫描数据融合引起的拼接误差不容小觑。由于误差积累等主要因素,目前该方法尚未被很好地引入到特大型JRC塑石工程特征统计中。复杂地面对象表面一般采用多测站、多视角、环绕式扫描方式,再通过分块数据拼接处理获得完整表面点云[4]；但特大型JRC塑石工程形体巨大、纹理复杂、盲区繁多,多视点激光点云的全自动无缝拼接无法实现[5],累积误差较大,因此制约了三维激光扫描BIM建模技术的应用。鉴于此,本文提出了基于BIM和三维控制框架激光扫描技术的审计方案。

1 审计方法对比

1.1 传统JRC塑石工程审计方法

传统的测量方式包括:①沙盘模型法,非等比例缩小,与实际工程出入大,精度不高；②贴报,适用于小型塑石假山,费时费力,误差较大；③钢丝网法,相对准确,主观性大,不利于事后客观审计；④估算法,单体最宽外接矩形乘以单体平均高度再乘以1～1.5的系数,该方法简单易用,也是业界普遍适用的估价和预算方法,但缺少客观依据,主观性大,在事后审计中颇具争议。

1.2 基于BIM和三维控制框架激光扫描技术的JRC审计方法

大型塑石工程一般具有相应的沙盘模型,但在建造过程中为体现逼真效果,真实的塑石工程存在大量的复杂褶皱和孔洞,经过一定比例缩小的沙盘模型往往不能很好地反映这些细节,在特征统计上具有很大的误差。为解决这一问题,本文首先选择规则实验物体进行了BIM 模型3D精度分析,验证了方法的可行性；然后结合三维控制框架激光扫描技术建立特大型复杂塑石工程的BIM模型；最后进行高精度特征统计。三维控制框架激光扫描工艺流程如图1所示。

图1 三维控制框架激光扫描工艺流程图

2 数据精度分析与可行性

2.1 数据精度分析

本文首先采用高精度地面三维激光扫描仪对测试样本进行了多站式全方位三维激光扫描,并基于特征点进行了多站点云数据拼接[6]；再利用Geomagic Studio软件剔除冗余、噪点、孤点数据,获取测试样本完整、无冗余点云数据,并进行了BIM建模；然后将测试样本标准Revit设计文件在Rhino下进行Obj通用格式转换,得到测试样本参数化BIM预制模型（测试样本严格按照设计文件制作,通过多特征人工检测,测试样本和实物偏差极小,在mm级）；最后在Geomagic Qualify软件下对测试样本BIM模型和预制模型进行最佳拟合（图2）,并进行3D误差分析。

图2 三维激光点云与实验模型最佳拟合

2.2 可行性分析

本文通过误差分布图和精度统计表展示了BIM模型的审计承载精度,如图3、表1所示,可以看出,利用三维激光点云扫描获得的实验物体BIM与实验物体相比,统计精度96%以上保持在±1.5 cm以内,可满足大型复杂塑石工程2 cm以上表面褶皱精确统计的审计要求。

图3 3D误差分布

表1 精度统计表

3 某动物园特大型JRC塑石工程审计实例

3.1 三维控制框架激光扫描方案

按照《城市雕塑工程工程量清单计价定额（2011版）》规定,塑石工程和各类城市雕塑采用表面积方式计算工程量。由于塑石工程形态多样、结构复杂,往往存在大量孔洞、细微褶皱和盲区,且传统技术手段较落后,因此表面积的核算成为最具争议的难点。本文在该项目中选用的软硬件为:地面三维激光扫描仪、自动升级云梯、高性能台式计算机等,用于获取高精度、高密度带回光强度信息的塑石工程顶面和侧面三维激光点云；配套点云拼接软件、Geomagic Studio、Geomagic Qualify等,用于点云去噪、数据转换、点云拼接、误差分析和BIM建模。

某动物园塑石工程包括塑石大门、屋顶、假山、图腾、动物等造型,结构复杂、高低不一、环形布局,是国内特大型JRC塑石工程之一,表面积计算难度极大。本文将该工程划分为图腾柱、大门、看台、屋顶、假山等部分；根据工程布局,遵循整体覆盖、少数合理、两两相应的原则,设计了环抱式顶面和侧面三维控制框架,具体分为侧面控制和顶面控制,侧面控制又可细分为外网控制和内网控制。

三维控制框架既要保证可覆盖整个工程布局,又要尽量简约,以保障首级三维控制框架的精度。同时,为了保证工程局部有两两相应的三维控制框架站点,应尽量减少控制站点之间的单站数。单站之间选取4～5个靶标或特征点,以减小点云整体和局部拼接误差,且能保证建模效率[7]。在三维控制框架构建过程中,还应注意外网控制站、内网控制站、顶面控制站的衔接,以保证塑石工程顶面和侧面的吻合精度[8],布设示意如图4所示。

图4 三维控制框架站布设方案

3.2 方案对比

传统审计方式精度低,系数确定受主观因素影响较大,给审计工作带来了诸多不确定性；而三维控制框架激光扫描方案成功地将先进技术手段引入审计工作中,开创了三维激光扫描技术在特大型JRC塑石工程中的应用先河,并可提供特大型JRC塑石工程精细BIM、体积、周长等多元信息。建模局部效果如图5所示,方案对比如表2、3所示。

图5 某动物园JRC塑石大门

表2 表面积测量值对比

表3 精度对比

4 结 语

本文突破了特大型JRC塑石工程拼接误差积累的瓶颈,创新性地将BIM与三维控制框架激光扫描技术运用于审计领域,并以某动物园特大型JRC塑石工程审计项目为例,验证了方法的可行性。虽然可以保障审计精度[9],但基于地面三维激光扫描的特大型JRC塑石工程BIM精细建模耗时较长,且顶面视角需借助云梯等升降设备才能获取数据,给作业人员安全带来了隐患。目前,旋翼无人机在实景三维建模方面的应用日益广泛,技术也日趋成熟,通过引入环绕或仿面飞行技术,单栋建筑物的精细建模相对精度可控制在2 cm以内,但对一些塑石孔洞、隐蔽盲区无人机不便进行实景三维数据获取。若特大型JRC塑石工程的三维控制框架采用旋翼无人机来获取,孔洞、隐蔽盲区部分采用地面三维激光扫描来补充,再进行多源数据融合,这样既便于顶面数据获取,又能缩短工程量测周期,保障审计精度,将是本文进一步研究的课题。