基于BIM的点云技术在空间结构中的应用分析与研究

摘要：随着社会经济的发展，空间结构建筑的设计与施工技术难度不断提高，项目管理难度也随之增加。以某城市剧院为例，运用点云技术将现场施工三维扫描模型导入Rhino 6.0，运用Grasshopper软件与剧院的内装方案模型进行对比，快速检查与分析碰撞。基于模型复核结果对BIM模型进行验证与调整，逆向调整剧院内部空间内装方案，为剧院BIM模型修改及内装方案设计和声学效果评估提供理论依据，以提高剧院项目的管理效率与水平。

关键词：BIM；点云技术；空间结构；剧院；项目管理

0 引言

随着社会经济与科学技术的不断发展，人们对大型公共建筑的审美不断提高，对城市标志性公共建筑的外观设计提出了更高要求。特别是改革开放以后，我国的公共建筑紧随世界潮流，许多建筑设计方案采纳了国内外知名咨询公司的意见，使得众多城市涌现出各式造型奇异且结构复杂的城市新地标，这为公共建筑造型与结构的设计提出了诸多难题，同时也对项目的各专业施工技术和各单位的协调管理水平提出了挑战。

传统二维图样难以实现对空间结构建筑绘图的清晰表达及难以满足复杂结构建筑的施工要求，而BIM技术凭借其特有的信息化、可视化、模拟化等优势，逐渐在大型复杂结构建筑的设计、施工过程中得到推广运用^[1-7]。BIM技术的应用可实现建筑信息的高度集成，特别是在艺术剧院类建筑的空间结构设计过程中，BIM技术可使外部造型与内部结构清晰呈现在决策者面前，便于业主对项目全过程的管理。

然而，目前一些项目的BIM模型仅依据设计院图样搭建，而BIM软件种类较多且存在缺陷，同时现场还需要依据深化图样及经验施工，这就容易造成BIM模型部分节点展示与实际工艺存在差别及不同专业之间模型依旧存在碰撞等问题。同时BIM技术的应用还缺乏实际验证，而点云技术的应用可以实现BIM模型与实际施工的协调管理，减少设计与施工错误。

1 点云技术的施工管理应用及研究现状

三维激光扫描技术应用始于20世纪90年代，主要是测量三维物体的外轮廓^[8]。点云技术通过三维激光扫描技术，采用激光测距方式获取建筑空间信息^[9]，将建筑实物化为具有颜色信息的数字模型，在施工管理过程中已得到广泛运用，可为建筑信息化发展提供了数据支撑^[10]。此外，点云技术可将BIM与实际扫描模型相结合，提高BIM的准确性与匹配度^[11]，从而为项目后续的内装施工管理提供模型基础。

高溪溪等^[12]将三维激光技术与BIM技术相结合进行研究，结果表明可在无损技术下提高古建筑建模精度与BIM项目管理效率。刘金典等^[13]基于BIM的激光扫描技术提出装配式建筑的建造管理及质量控制方法，实现协调管理和施工效率提高。杨昊等^[14]将BIM技术与三维激光扫描技术相结合，通过扫描模型逆向建模，实现对老旧建筑的信息化管理。杨敏等^[15]对某古建筑进行点云技术应用分析，以提高测绘精度。

目前，点云技术仍存在缺陷，其对于复杂结构的建筑物的扫描不能完全覆盖。此外，以上研究着重于将拼接的点云模型导入Auto Recap等BIM软件，通过BIM与点云模型进行对比，然而对模型比较方法及精度的研究较少，未能将BIM模型与现场施工进行对比，以确认责任来源。此外，以上研究深度还停留在简单的建筑结构对比水平，未能延伸到内装等其他专业施工管理方面。

本文以某城市剧院为例，建立多单位组成的BIM项目管理团队，运用Revit、Rhino 6.0软件并结合Grasshopper软件实现BIM项目管理，运用多方模型对比方法提高模型的精确度，以保证现场内装施工准确性并明确施工问题责任归属，为后期同类项目的内装施工及管理提供借鉴。

2 案例项目概况

本项目为某城市剧院项目，属该城市地标建筑，目前处于主体结构完工状态。本项目运用钢结构和混凝土结构相结合的设计方法，实现内部大跨度和柔性空间划分。建筑内部舞台区域包括1个主舞台，2个侧舞台及1个后舞台。其中，主舞台净长33m，净宽24m，上方净高28m；两个侧舞台净长24m，净宽16m；后舞台净长25m，净宽18m。舞台区域钢结构与异形混凝土结构较多，内装需要考虑声学因素，座位后方及楼座下方区域空间狭窄，对管线排布要求较大。此外，池座与楼座宽40m，进深约38m，该区域结构复杂且内装要求高。而内装主要采用预铸式玻璃纤维加强石膏板（GRG）材料，其中多为曲面造型，以包裹内部的异形结构构件。这些因素导致项目设计与施工难度较大，BIM技术管理和组织管理难度都比较高。

为了提高BIM项目管理效率，首先需要建立以建设单位为核心的BIM管理制度，各参建单位之间的BIM协调流程都需以建设单位为枢纽，从而实现建设单位对项目设计、施工质量和进度的实时把控和决策。只有实现集权式管理，才能稳定推进项目BIM施工落地，为此，建立一个由多家单位组成的剧院BIM团队，统一BIM应用标准，由建设单位集中管理来实现项目BIM管理运作。

3 BIM项目管理应用流程

3.1 创建并复核BIM模型

首先由建设单位确认所有图样版本一致，BIM团队依据制定的BIM标准和施工图样，运用Revit软件搭建BIM。随后，结合施工单位钢结构深化图样进行模型深化，从而确保BIM与最终施工图样一致。为了进一步提高BIM的模型准确性，经安排后，与各专业施工单位在Fuzor漫游中共同复核BIM的完整性与正确性，以减少施工差错。

目前主流BIM软件对结构构件搭接处的处理存在缺陷，需要对模型进行深化处理。现场施工与BIM模型对比图如图1所示，图样对构件细节处的表达不全，与现场施工结果存在差别，导致BIM不能完全表达现场效果，需要对模型进行修复。此流程为BIM项目管理的基础性工作，模型的复核深度决定了后期图样修改的完整程度。只有保证模型的正确性，才能减少后期内装图样设计与结构发生碰撞的概率。

3.2 点云模型与施工图样复核

在BIM完整性与正确性复核完成后，将图样和点云模型同时导入Rhino 6.0软件，再对点云模型与图样进行初步复核。点云模型与图样对比图如图2所示。从图2的复核结果可以看出，点云模型中的轮廓与项目的建筑结构图样基本一致，可为下一步点云模型与BIM复核的准确性提供了保证。

将现场施工成果以三维信息方式导入BIM软件，也是对施工单位施工准确性的一种检验。点云模型的完整性是BIM项目管理的重要基础之一。

3.3 点云模型与BIM复核

之前BIM的复核保证了结构的完整度，但是正确性的校验，还需与点云模型进行复核才能完成，这也是检验BIM项目管理的重要手段。由于空间结构曲面较多且项目较大，点云模型与BIM重叠之后对比分析较为复杂，传统对比方法需要在软件中运用各方向空间剖切，难以做到内部细致对比。基于此，运用编程语言与BIM软件相结合的方式，实现软件中模型X向和Y向自动逐帧对比。此方法极大地降低了对比难度，提高了对比精度，还缩短了对比时间，提高了BIM项目管理的效率。

首先将Rvt格式的BIM导出成fbx网格文件，同时导出BIM的轴网为dwg文件。将fbx和dwg两种格式的文件分别导入Rhino，同时保持位置不变，将导入的fbx模型进行join合并。随后，将扫描的点云模型导入Rhino软件，根据原点与轴网的位置关系挪动点云模型，将点云模型与导入的fbx模型对准。插件Grasshopper界面如图3所示。

在Rhino 6.0及软件Grasshopper中，通过C#组件调用Rhino的_ClippingPlane函数编写剖析程序，可以将程序中的每一帧模型对比图导出为分析视频，ClippingPlane函数编写剖析程序如图4所示。

点云模型与BIM模型X向逐帧对比图如图5所示。此方法可以实现X方向和Y方向的剖面框逐帧移动，依据逐帧的剖切面颜色差异分析模型的不一致部位。此种方法可以精确分析BIM模型与点云模型的偏差，空间结构中众多的异型构件的偏差值都能够一目了然。

从图5中可以清晰看出BIM模型中的构件与点云模型中的基本一致。与以往操作方式对比可以发现，该方法可以将对比时间减少50%，而问题发现数量可以提高约20%，极大地提高BIM管理效率。

随后，将点云模型与内装方案模型同时导入rhino 6.0软件进行对比（图6），结果发现部分墙体与内装方案模型色差较为明显，这表明内装图样与现场实际模型有碰撞。然而，再将BIM与内装模型进行对比，发现此处并没有发生碰撞，从而可以确认此处碰撞的责任来源。根据现场的实际测量结果，发现墙体在施工过程中存在少许偏差。该施工偏差虽然符合规范，但是对内装图样设计会产生较大影响。

依据BIM项目管理原则，内装图样还需要依据现场施工成果进行调整，因此需要先根据现场测量结果调整BIM技术构建的模型，然后将模型链接至内装模型，再对内装模型中的曲线进行微调，并考虑内装的美观、声学效果等因素修改内装图样。以上多家单位之间的协作都依赖于BIM团队，以促进项目的顺利进行。

4 BIM应用及管理问题分析及对策

虽然BIM技术与点云技术的运用在整个项目管理中发挥了重要作用，但是仍存在以下不足，并提出相应的解决措施。

4.1 BIM应用设备存在不足

将拼接完整的点云模型导入BIM软件，部分点云数据存在缺失，导致点云模型呈现图像清晰度不够。当点云模型与其他模型进行对比时，无法辨别模型碰撞的尺寸及区域面积，而这些对BIM项目管理的效果发挥起到关键作用。

这需要提高现场技术人员三维激光扫描技术，更新设备功能，并对测量设备的布设进行整体调整，完善点云模型，从而保证BIM项目管理的顺利实施。

4.2 项目施工管理存在不足

在点云模型与BIM对比过程中发现，结构梁搭接处、墙体等位置模型存在发生碰撞等问题，点云模型色块凸出BIM表皮。由于部分剪力墙体呈曲面，施工过程中墙体浇筑曲率与设计图样存在误差，经测量发现项目施工结果偏出设计图中曲线外约10cm，这将对后期内装设计产生很大影响。

因此，在施工前及其过程中，各方应利用BIM软件对图样消化吸收，确保做到对各种结构尺寸更加精细控制。此外，一旦在模型对比过程中发现问题，应明确问题来源和落实责任方，及时修正BIM软件构建的模型。这可以为内装图样变更及模型修改提供依据，做到事前控制，避免后期变更影响剧院内部声学及内装视觉效果，从而提高整体BIM管理水平。

4.3 BIM软件及运用能力存在不足

目前，BIM软件对于构件细节的处理功能还有待完善，尤其是空间结构项目中曲线结构梁较多，搭接处无法做到自动深化处理，导致模型未能表达现场实际效果，与点云模型存在多处不一致。此外，剧院项目作为特殊用途、对内装要求较高的项目，楼座处结构梁搭接较多的地方需要逐一深化，以保证BIM和现场一致。

因此，为了提高模型质量，应提高BIM技术人员的软件运用能力和协调能力，能够跟踪现场施工并对图样设计意图充分了解。BIM存在多处需要纠偏的地方，这就需要BIM技术人员能够对施工工艺有足够的掌握，避免模型与实际不一致。若不能提高人员的软件应用能力，则BIM项目管理无从谈起。

4.4 BIM协调管理存在不足

由于本项目建筑面积大、建设周期长，且项目建设不同阶段间隔时间长，不同参建单位介入时间存在差异，不同单位收到的图样版本有所差异。在项目施工图设计阶段，图样问题、方案变更等因素导致变更较多，但是不同单位接收到的变更图样可能有差异、模型搭建有差异，以及内装图样并未随之同步，这会导致BIM中的建筑结构变更未同步于内装图。此外，若变更图样落后于施工进度，则现场施工未变更而BIM已经调整的情况会发生。这些因素易导致各参建单位的项目成果不一致。

因此，要强化BIM管理机制，搭建沟通平台，团队做好对图样的收发工作，敦促各单位紧密协作，以发挥BIM项目管理应有效果，确保图样与现场更新进度一致。

5 结语

随着我国城市化进程的加速，人们对艺术文化的需求会得到进一步激发，未来空间结构建筑等大型建筑物会逐渐增多，项目管理难度也会越来越大。本文以某城市剧院项目为例，将点云技术与BIM技术相结合，运用revit、Rhino等软件及通过C#组件调用Rhino的_ClippingPlane函数编写剖析程序，将BIM模型、点云模型、内装模型进行相互对比检查和碰撞分析，并依据碰撞结果逆向调整BIM模型，为内装设计调整提供理论依据，以提高现场管理效率。

通过分析可以看出，采用以上方法既提高了项目施工效率，又保证了内装模型精度，可为未来类似项目设计与施工工作中的协调、管理提供参考。

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收稿日期：2024-06-25

作者简介：

王勇（通信作者）（1992—），男，工程师，研究方向：BIM项目管理。

陈小泉（1992—），男，工程师，研究方向：BIM项目管理。

刘莹（1989—），女，工程师，研究方向：BIM项目管理。