基于三维激光扫描测绘技术的BIM逆向建筑建模方法研究

伍根,熊小龙

(1.咸宁职业技术学院,湖北 咸宁 437100; 2.湖北晓雲科技有限公司,湖北 武汉 430073)

0 引 言

随着建筑结构日趋复杂、建筑体量日益庞大,传统的二维线条很难表达清楚建筑设计意图以及建筑物空间关系,同时也增大了施工方理解图纸的难度,不利于施工质量的保证。另外,在利用图纸传递工程信息时,各方提出的修改意见不能及时反映到图纸当中,从而极易造成工程信息丢失[1]。而BIM技术的核心是通过建立包含建筑物真实信息的三维建筑信息模型,使得建设项目不同阶段的不同参与方都可以在这个信息模型中获取所需的信息,实现建设项目全生命周期的信息高效共享,提高建设项目全生命周期内的管理效率,解决了二维设计以及传统三维设计所具有的不足和局限性的问题。基于此,本文针对三维激光扫描的逆向建筑建模方法展开研究。

1 基于点云数据的BIM逆向建筑建模实现

1.1 基于点云数据的BIM逆向建筑建模流程

BIM逆向建筑建模的过程就是建筑逆向设计的过程,虽然建筑物的表现形式各有不同,但将建筑物拆分来看,都是由柱、梁、墙、门、窗等几种重要构建组成,基于此,可以将重要构建的模型控制为不变量,将构件的材料、尺寸、布设方式设置为变量,根据建筑物实际情况,改变变量后再拼接组合即可,所以基于点云数据的BIM逆向建筑建模总体流程中,重要建筑构件逆向建模和建立族是核心环节,总体逆向建筑建模流程图如图1所示。

图1 基于点云数据的BIM逆向建筑建模流程图

1.2 重要建筑构件的逆向建模

对于建筑结构的点云数据图像来说,可以把其看作由墙点云、柱点云、梁点云、板点云及其他各类构件的点云所组成,建筑结构BIM逆向建模过程即是对构件的BIM逆向建模。而在建筑结构构件中,很大一部分构件的截面形状为规整的矩形或正方形,如墙、柱、梁、楼板等构件,这类构件的建模一般只需确定其截面尺寸和标高数值便可以被创建出来。

BIM逆向建模也是一种逆向设计过程,参考建筑BIM模型设计中的参数化设计概念,由于两者所面对的对象是一致的,因此它们可用于指导模型重建过程。从FaroScene和ReCap360中提取单个构件(例如管,柱,梁等)的点云,然后将其导入BIM建模软件,完善成单一构件的点云BIM模型。每种类型的构件都有一种模型,模型的尺寸和特性由参数控制,可根据实际情况更改数据。最后,通过堆叠不同构件,可以建立整个建筑的点云BIM模型。

Faro(法如)公司的As-built插件能够进行重要构建的逆向建模,能够与主流BIM建模软件相匹配,并且具备从点云数据中自动提取构件信息的功能,操作简单、构件界面数据信息准确、建模效率较高。以下列举柱、梁、墙三种关键构件,说明逆向建模的要点。

(1)柱的BIM逆向建模

柱的创建需要确定柱的位置、类型、截面尺寸、材质及标高等信息,其中类型、材质等属性信息在点云数据中可以方便地获取,而截面尺寸信息的获取比较烦琐和费时,As-built插件中集成了矩形截面提取算法,对柱子截面尺寸的获取非常方便[6]。As-built插件中有柱拟合创建的功能,需在创建柱的选项表中选择柱的类型,若选项列表中没有所需的柱类型,则需要从软件自带的族库中载入合适的柱族,或自行创建柱族。然后在柱点云的两个侧面上任意选择三个点,软件会根据这三个点提取柱的截面尺寸,并自动拟合出柱模型[7]。

(2)梁的BIM逆向建模

在As-built插件中,梁的创建方式与柱类似,需要确定的信息包括梁的位置、类型、截面形式、材质及标高等[8]。首先,根据点云中梁的形态在梁的创建窗口中选择合适的类型,没有的梁类型可以在Revit族库中选择添加。然后通过点选梁对角面上的四个端点软件即可自动提取梁的截面尺寸,并拟合出梁的模型[9]。

(3)墙的BIM逆向建模

创建墙体前要先提取出墙体的轮廓线,轮廓线是确定墙体厚度、位置的重要参照。墙轮廓线的提取可以通过As-built插件完成,选择好一个视图平面并设置好合适的视图范围,以便能尽量多且准确地提取墙体部分的点云数据,再通过“准备点云”功能的识别和计算,视图平面中就会自动生成一个准备平面并在上面给出墙的轮廓线,接着需要通过“拟合墙面”功能计算墙的位置、厚度以及给出墙的类别。如果拟合得到的参考模型不满足要求,可以修改以上参数,直至满足要求为止[10]。经“拟合墙面”生成墙后还需对其进行对齐和连接处理,对齐是指使墙的轴线都位于同一条直线上,插件的“对齐墙”功能可以分析计算出目前墙的偏差情况,通过设置“参考方向的最大偏差”和“墙面的最大旋转角度”参数可实现墙的对齐[11]。墙体BIM逆向建模如图2所示。

图2 墙体BIM逆向建模

1.3 点云BIM模型族的建立

Revit族是建筑信息模型中的组成单元,它既是一种类型的建筑构件的外部形态表示,又是这种类型构件的数据集合,而控制该类型建筑构件外部形态特征的就是其内部的数据组成。每一种不同构件类型Revit族都具有各自的参数,如材质、尺寸、物理属性等,通过参数的变换一种类型的族可以创建多种不同形态的建筑构件,这便是族参数化建模思路。

在Revit中创建族有两种途径,第一种是直接打开Revit中的自带族文件,Revit内置有很多常用的标准族文件,故而使用者可以通过修改已有族文件的方式创建新的族文件,第二种是可以通过Revit中的族样板文件直接创建新族。

创建参数化族的主要步骤如图3所示:

图3 Revit族图元

(1)辅助线定位:通过标高、轴网等辅助线对Revit族的位置、轮廓、规格调整和定位。

(3)测试族:初步创建完毕后测试Revit族的精确度,可以上传到BIM的项目环境中对族模拟测试,确保Revit族的定位、参数均符合实际工况要求后,才能投入使用。

对于建立点云BIM模型的族文件来说,也可以参照上述建立族的标准流程,唯一的不同是创建前期的工作更复杂。对基于点云数据创建族来说,其实质是将整体建筑点云切割成单独的构件点云,在族创建时以其作为参照开展建模作业。虽然这种方法一定程度上使创建的模型更符合实际,但实际上过程较为烦琐,若能直接通过拾取点云数据便能自动拟合出构件模型才是一种更有利于实际应用的BIM模型创建方式,目前这种方法正在越来越多地被探索。

2 BIM逆向建筑建模实例分析

2.1 工程概况

以某理工大学教学楼为四层剪力墙结构建筑,该建筑占地面积为 1 600 m2,高度为 20 m,该建筑及周围环境如图4所示。

图4 建筑及周边环境图

目前该建筑使用时间已经超过40年,使用期间经过多次局部改造和装修,基本可以满足现阶段教学功能需求。但考虑到建筑投入使用时间较长,建筑内部设备、部件等存在老化情况,为进一步提高建筑安全性,拟通过点云数据建立BIM模型,以此来为教学楼的改造和维护提供参考依据。

2.2 点云数据获取

利用三维激光扫描仪向待测物发射激光光束扫描,获取扫描数据并统一上传到计算机存储系统中。点云数据的采集主要分为准备和扫描两个阶段,其中,准备阶段需要开展测区勘探、控制测量两项工作;扫描阶段需要开展标靶布设、标靶中心坐标获取、扫描仪设置、扫描参数设置、粗略扫描、精确扫描、场景拍照七项工作。

点云数据采集过程中需要注意以下问题:尽量避开树木、建筑等遮挡物;相邻测站扫描区域应有重叠部分;根据测绘区域情况设置观测站,在保证点云数据完整性的同时,尽量提高外业点云数据采集效率。

2.3 点云数据处理

(1)BIM模型族的建立

①辅助线定位:根据实际建筑面积、标高、尺寸等,设置三维模型的定位辅助线,调整三维模型中的各个族的规格、轮廓和位置,确保各项族符合实际情况。

建筑工程施工单位在管理工作中，没有建立科学的管理制度，对于建筑工程施工质量问题没办法做到实时监管，这对于建筑工程管理工作的开展造成了一定的影响。同时对于施工的具体环节也没有建立完备的监督和管理制度，未建立科学的质量监督理念，对于施工质量的监督工作缺乏重视。另外，在监督建筑工程的时候，也没有创建一个有效的责任追究制度和奖励惩罚制度，假使在监督过程中发现有人违反操作条例，也没有什么措施对其进行处罚，这也导致很多施工人员蒙混过关，不按照公司的规章制度去完成工作，严重影响了建筑工程的施工效率和质量。

②添加参数:根据实际建筑尺寸,将其转化为等比例参数,使三维实景模型中族的尺寸、布设方式、材质等符合实际情况,为进一步提高三维模型精度,除了以上参数外,还需要设置颜色、光滑度、光照度等参数,参数越多,三维模型精度越高。

③测试族:三维实景模型族创建完成后,对族运行测试,检查族的各项参数是否符合实际建筑情况,并修改存在误差的族。

(2)点云配准、去噪和滤波

①点云配准,首先通过RTC360扫描仪配套软件CycloneRegister360预处理教学楼的原始数据,该软件能迅捷高效地处理大量点云数据,能在软件中对教学楼扫描结果配准处理,将各测站采集到的点云数据合并成一个能反映扫描目标的点云数据。在预处理软件中可根据扫描仪采集到的相邻测站上相互重叠区域内的点云与图像资料实施自动拼接。

②点云去噪和滤波,将之前已经配准好的点云导入Cloudcompare软件中,为将周围车辆、树木等点云噪声删减,可使用“裁剪”功能对配准后的点云完成粗剪;此时点云仍需精细去噪将粗剪中剩余的噪声点云进一步删除,针对这步操作可在软件中选择“SORfilter”命令以及“Noisefilter”命令,完成点云的去噪工作。

点云数据处理后需要将其转换为适用于BIM逆向建模软件可以处理、识别的数据格式,然后将点云数据导入建模软件获取三维模型,如图5所示。

图5 导入Revit的点云数据

2.4 点云数据逆向构建BIM模型

首先根据点云数据绘制建筑模型轮廓线,包括三维模型边界,将建筑构建,如墙体、窗户等放置于相应位置;绘制构件轮廓,利用标注、测量等功能获取实际建筑构建尺寸数据,并将其作为墙体、门窗等构件建模的参考依据。

(1)柱的逆向建模

首先,根据点云绘制柱的轮廓线。绘制的轮廓线主要作用为确定模型边界,对创建的柱体构件对齐放置;根据点云绘制柱构件轮廓,并借助测量、标注等功能收集柱构件尺寸信息。除了该操作方式外,还可以选择或生成项目视图,通过调整二维平面、立面视图或者剖切框来优化柱体构件设计的精准性。

(2)梁的逆向建模

在构建梁体时需要创建约束条件,为模型图元的建立提供位置、尺寸等信息。标高约束条件设置是梁体构建的第一步,其在划分楼层、确定梁体位置等方面具有重要作用。以点云数据为基础的BIM模型,可以利用点云数据直接获取测绘区域点云在竖向或垂直方向的分布情况,以此来自动生成梁体构件。

轴网是BIM模型约束条件的一部分,其可以为模型梁构件的设置提供参考。BIM模型构建过程中,可以直接将教学楼层平面CAD图纸导入建模软件中,然后利用其中的“轴网”功能完成建筑轴网的绘制。

(3)墙的逆向建模

墙体为三维模型的主体设计,以外立面墙体建模为例,首先在建模软件中选择“创建墙”的基本功能,然后设置相应墙体族类型,墙体创建对话框如图6所示。点云拟合时,可以直接通过“Rect”功能,选择相应的视角和视图,在同一面墙体创建时,应尽量多采用墙体点云,以保证墙体结构的完整性和墙面的平整度。设置墙体临界点、形状容差值等拟合参数后,可以在建模软件中自动生成建筑墙体模型。

图6 墙体建模操作

如果生成墙体模型尺寸与实际位置不相符,则需要根据墙体外立面点云数据调整墙体,以此来使BIM模型符合实际建筑。

完整的BIM模型除了建筑外墙、门窗等基础构件外,还包括桌椅、照明设备等附属设置,该类构件数量较多、点云数据不易表达。针对该问题可以利用BIM建模软件预制族库,在实际建模过程中可以在族库中选择相应构件进行建模,以此来提高建模工作效率。

为了使三维模型真实还原实际建筑外貌,需要对建筑门窗、墙体等设置物理属性,丰富内部结构,以此来完善建筑模型,构建模型如图7所示。

图7 最终建筑模型

(4)三维模型属性设置

在完成以上模型创建工作后,整体模型创建的工作已经基本完成,在模型中各组成部分结构、构件的物理属性、结构形态、位置尺寸都已初步具备。但为了使模型更加贴近真实,能够更准确地还原建模对象的原貌,还需丰富墙体、梁柱、楼板等结构构件的内部结构、结构材质等类型参数;对于附属构件的物理属性也需进一步完善,例如门、窗的填充色彩、材质和装饰等。

2.5 模型精度评价

利用分解法将建筑三维模型分解为基元线、基元点,然后根据局部精度评价分析建筑三维模型整体精度。首先将建筑三维模型导入EPS分析软件中,并选取20个建筑点坐标和10个边长。其次由人工利用测距仪和全站仪开展实地测量工作,并统计测量点建筑坐标和边长实际参数,统计结果如表1所示。

表1 三维模型测量结果

从表1中可以看出,建筑三维模型测量点与外业测量点在X轴方向上的最小测量误差为 -0.4 cm,最大测量误差为 4.2 cm,中误差为 2.5 cm;在Z轴方向上,最小测量误差为 -0.5 cm,最大测量误差为 3.7 cm,中误差为 1.6 cm;在Y轴方向上,最小测量误差为 0.3 cm,最大测量误差为 -3.2 cm,中误差为 2.1 cm;测量点位△s最小测量误差为 0.7 cm,最大测量误差为 4.8 cm,中误差为 3.1 cm;测量距离△l最小测量误差为 2.2 cm,最大测量误差为 5.4 cm,中误差为 3.2 cm。

3 总 结

综上所述,本文研究了BIM逆向建筑建模方法,并得出以下结论:

(1)点云数据是逆向建筑建模的核心,目前主流三维激光扫描仪参数不一且各有优点,需要根据项目实际需求选择匹配的三维激光扫描仪。

(2)获取点云数据后需要开展预处理工作,包括点云拼接与配准、格式转换两个环节。格式转换可以使用专业的点云数据格式转换软件,如Autodesk公司旗下的ReCap360。

(3)基于点云数据的BIM逆向建筑建模流程包括点云数据采集、构件逆向建模、构件族创建、构建拼接等。

(4)重要建筑构件的逆向建模和点云BIM模型族的建立是逆向建筑建模的两个重要环节,其中重要建筑构件的逆向建模可以使用软件插件如As-built等;点云BIM模型族的建立需要执行辅助线定位、添加参数、测试族三个步骤。