既有建筑信息模型快速建模方法和实践.doc

既有建筑信息模型快速建模方法和实践 周红波 汪再军 上海建科工程咨询有限公司 摘 要： 分析既有建筑运维管理中的 BIM 应用问题, 系统探讨既有建筑信息模型快速重建技术, 提出相对于传统设计建模反向过程的逆向建模方法, 并对三维激光扫描和倾斜摄影等逆向建模技术对比分析借助项目案例, 完整展现既有建筑信息模型的实现技术路线, 为既有建筑的快速建模研究和实践提供参考关键词： 既有建筑; 运维管理; 建筑信息模型 (BIM) ; 技术路线; 作者简介：周红波, 男, 生于 1972 年, 湖北应城人, 博士后, 教授级高工, 主要从事工程管理、风险管理、BIM 等工作收稿日期：2017-09-22基金：上海市科委课题“房屋建筑工程信息模型运维管理应用技术研究和示范”(15DZ1203404) Rapid Modeling Method and Practice of Information Model for Existing BuildingsZHOU Hongbo WANG Zaijun Shanghai Jianke Engineering Consulting Co., Ltd; Abstract： This paper analyzes the BIM application problems of existing building operation and maintenance management, systematically discusses the rapid reconstruction technology of existing building information model, proposes the reverse modeling method relative to traditional design modeling reverse process, and compares and analyzes the reverse modeling technology such as 3D laser scanning and oblique photography. With the help of the project case, fully displays the technical route of the existing building information model, which provides a reference for the rapid modeling research and practice of the existing buildings.Keyword： existing buildings; operation and maintenance management; BIM; technical route; Received： 2017-09-221 引言改革开放以后, 我国建筑业经过了 30 多年的发展, 目前我国既有建筑规模约达500 亿平方米, 并且每年还有约 20 亿平方米的建筑竣工。

近年来, 随着经济发展模式由数量型向质量型的转变, 预计我国的基本建设需求将有所放缓, 工程建设除了转向国际承包外, 建筑业将转型到以既有建筑运维、加固、改造为主的形式上来2016 年, 中央城市工作会议提出了城市修复、老旧小区综合改造的发展方向, 标志着我国的建筑业已经开始从大规模的新建时期迈向现代化的运维管理时期近年来, 随着 BIM 技术的发展与政府对 BIM 应用的大力推广, BIM 技术与既有建筑运维管理相结合渐成趋势, 为既有建筑的运维管理带来新的技术应用和支撑BIM 技术在既有建筑运维管理应用首当其冲是要解决既有建筑建模问题然而, BIM 建模技术目前的研究主要集中在新建工程的模型创建, 对于既有建筑建模方面的应用研究虽有尝试, 但涉及不多2 既有建筑快速建模特点与难点2.1 既有建筑特点(1) 建筑已经存在与在建建筑相比, 既有建筑是已经建好并且投入运维的建筑, 具有建设过程的整套完整资料, 针对建筑的几何及相关属性数据, 可以通过现场勘测工具进行现场测量和识别, 采集数据2) BIM 技术应用目标明确既有建筑的 BIM 技术应用, 就是应用 BIM 技术为建筑的运维管理、改造及拆除提供技术及数据支持, 目标明确, 技术路线清晰, 为既有建筑 BIM 技术的应用确定了应用方向和技术发展趋势。

2.2 既有建筑建模难点目前 BIM 建模方法主要针对于在建建筑的正向建模, 正向建模是最传统的计算机三维设计建模, 根据设计者的构想, 预先定制好设计的内容及尺寸信息, 在计算机环境下进行三维模型的建立但是正向方法显然不能满足既有建筑, 主要原因如是:(1) 既有建筑是已经建设完成真实存在的建筑, 并且既有建筑竣工图纸普遍存在与现况不符, 并且资料缺失, 这样就导致按照正向建模方法创建的 BIM 模型与现况有偏差, 这样的模型不能满足运维管理的需要2) 采集既有建筑空间几何信息困难应用于运维管理的既有建筑对数据精度要求较高, 能够准确地反映房屋的实际情况然而, 很多既有建筑如历史保护建筑往往具有独特的造型与风格或建筑细节, 传统测绘方法受人为因素及测量手段的影响精度较低3) 既有建筑结构影响测量房屋顶部门楼造型棱角多且屋檐精准定位及测量较难实现, , 测绘结果达不到应用要求4) 既有建筑测量成本较高对于高度较大的既有建筑, 理论上传统方法详细测绘外立面需搭设脚手架等登高设备, 施工准备过程较长且经费较高3 既有建筑快速建模方法针对既有建筑建模存在的上述问题, 可以采用逆向建模方法逆向建模, 相对于传统设计建模是一个反向过程, 因此被称为逆向。

常见的逆向建模技术包括基于点云的三维激光扫描技术和倾斜摄影技术3.1 三维激光扫描技术基于点云数据的逆向建模是指通过三维激光扫描技术对已真实存在的物体进行扫描, 这样就获取了该物体的空间几何信息, 相当于对其进行了数字化, 然后再将已被数字化的物体导入三维设计软件, 参照该数字化信息进行模型的建立点云建模技术主要有七个步骤:扫描、点云导出、点云成模处理、点云模高分辨率导出、点云体修补、点云建模、点云数据拟合转换1) 扫描在扫描过程中, 受扫描距离、空间布局复杂程度、有遮挡等因素影响, 三维激光扫描仪每一固定站点采集到的点云数据仅是被测建筑的一部分, 需进行多站扫描并点云拼接, 因此应注意合理设置测站数量, 尽量用较少的测站完成数据的完整采集, 避免后期点云拼接时的误差累积2) 点云导出点云导出需要的电脑配置较高, 可以采用拼接点云的方式进行整体导出在点云导出前, 删除多余的点云或墙体、门窗、保留线脚框架最后将拼接好的点云转成 dxf、stl、3ds 等格式3) 点云成模处理将处理好的点云导入 geo magic studio 12 (或 Pro E、UGNX、CATIA、Imageware、Geomagic Studio、C o p y CA D、R a p i d Fo r m) , 再对对点云进行曲率处理, 使得计算机运行顺畅, 最后将处理好的点云在 GSTUDIO12 里封装为体。

4) 点云模高分辨率导出导出的模型格式为 STL、DXF 格式, 可以生成高清晰度点云, 如图 1 所示图 1 高清晰度点云模 下载原图(5) 点云体修补将处理好的点云体导入 3DMAX、Sketchup、REVIT 等 3D 软件进行体修补, 用3DMAX 或 Sketchup 修补点云体中破损的部位, 如图 2 所示图 2 点云体修补 下载原图(6) 点云建模在修补后的体块框架中建模, 补全残缺模型, 如图 3 所示图 3 点云数据拟合 下载原图(7) 点云数据拟合转换使用软件根据点云数据的分布规律, 将符合建筑构件表面几何特征规律的点云拟合为相对应的建筑构件模型, 继而形成整个建筑 BIM 模型, 如图 4 所示图 4 BIM 模型转换 下载原图3.2 倾斜摄影技术倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术, 通过在同一飞行平台上搭载多台传感器, 同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像, 获取地面物体更为完整准确的信息这种摄影测量技术称为倾斜摄影测量技术, 所获取的影像为倾斜影像倾斜影像具备以下特点:(1) 反映地物周边真实情况相对于正射影像, 倾斜影像能让用户从多个角度观察地物, 更加真实的反映地物的实际情况, 极大的弥补了基于正射影像应用的不足。

2) 倾斜影像可实现单张影像量测通过配套软件的应用, 可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测, 扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用3) 建筑物侧面纹理可采集针对各种三维数字城市应用, 利用航空摄影大规模成图的特点, 加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式, 能够有效的降低城市三维建模成本4) 易于数据输出倾斜影像的能同时输出正射影像 (DOM) 、数字高程模型 (DEM) 、数字地表模型 (DSM) 、业务矢量数据 (DLG) 等多种数据格式成果, 应用与各种数据平台3.3 技术对比综述现在对两种技术做了以下对比综述 (见表 1) :通过对比, 结论如下:(1) 三维激光扫描技术在测量精度较高、细小物体众多的设施建模中具有明显优势, 非常适合注重于局部建筑单体等典型应用激光雷达设备价格也越来越低, 结合相机也可以来获取高真实感可视化效果, 并且 3D 扫描技术与 BIM 技术的结合不仅方便快捷, 更重要的是它的精确度是传统检测方法所无法达到的2) 倾斜摄影技术可以获取具有真实纹理的三维数据, 适合做大范围城市既有建筑三维建模以及一些对精度要求稍低的三维工程测量应用, 但数据处理耗时长成本高, 同时对天气要求较高, 并且对植被下的地形无能为力, 对细小物体 (市政管线、电力线) 的建模能力不足, 在数据处理中需要大量人工介入才可以应用到设施精准要求较高的三维建模和测量中。

4 应用案例4.1 项目概况某大厦建于 1997 年, 位于徐汇区宛平南路, 现为纯办公业态, 建筑面积27895m, 建筑高度 102 米, 地上 24 层, 地下 2 层 (均为车库和设备用房) 本项目旨在应用物联网的核心技术, 通过技术集成、系统集成和应用集成等方式, 开发“基于 BIM 的运维管理系统”, 提供包括建设和运维阶段的综合信息管理, 实现快速获取、管理和处理相关信息, 支持运维过程的综合信息、维护维修、运维知识库、机电设备运行状态监测与控制、结构健康监测、能耗评估以及灾害模拟与应急决策等管理, 从而提高工程运维阶段的工作效率和信息化管理水平该大厦是单体既有建筑, 模型应用于运维管理, 因此对模型深度要求较高, 结合以上逆向建模方法分析, 采用三维激光扫描技术进行点云模型创建, 后续进行 BIM 模型拟合转换表 1 两种技术的对比 下载原表 4.2 信息模型重建某大厦的建筑信息模型快速重建宜采用三维激光扫描技术得到建筑的几何信息, 根据建筑构件分类, 形成建筑构件的点云模型, 建立相应的构件 BIM 模型, 赋予相应的参数如设备编号、设备类型、设备型号、制造商、部件名称、系统名称、标高、安装单位、负责人、供应商、空间区域等, 组合形成建筑信息模型 (见图 5) 。

图 5 既有建筑信息模型重建方法 下载原图(1) 建筑构件分类按照建模软件构件分类体系, 对建筑进行构件分类, 分类结构如:区域——单体建筑——系统——楼层——成套设施设备——构件, 为点云模型分割做好准备2) 构件分割根据单体建筑的构件分类情况, 将点云数据分割, 作为构建建筑构件模型的几何数据3) 构件模型建立将点云构建模型导入建模软件, 在建模软件定义构件类型, 赋予属性信息。