既有建筑信息模型快速建模方法和實踐

1、既有建筑信息模型快速建模方法和實踐周紅波汪再軍上海建科工程咨詢有限公司摘要：分析既有建筑運維管理中的bim應(yīng)用問題，系統(tǒng)探討既有建筑信息模型快速重 建技術(shù)，提出相對于傳統(tǒng)設(shè)計建模反向過程的逆向建模方法，并對三維激光掃 描和傾斜攝影等逆向建模技術(shù)對比分析。借助項目案例，完整展現(xiàn)既有建筑信息 模型的實現(xiàn)技術(shù)路線，為既有建筑的快速建模研究和實踐提供參考。關(guān)鍵詞：既有建筑;運維管理;建筑信息模型(bim);技術(shù)路線;作者簡介：周紅波，男，生于1972年，湖北應(yīng)城人，博士后，教授級高工，主 要從事工程管理、風險管理、bim等工作。收稿日期:2017-09-22基金：上海市科委課題“房屋建筑工程信息模型運

2、維管理應(yīng)用技術(shù)研究和示范” (15dz1203404)rapid modeling method and practice of information model for existing buildingszhou hongbo wang zaijunshanghai jianke engineering consu 1 ting co., ltd;abstract：this paper emalyzcs the bim application problems of cxisting building operation and maintenance management, syste

3、matically 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 seanning and obiique photography. w

4、ith 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 bu訂dings; operation and maintenance management; bim; technical route;rec

5、eived： 2017-09-221引言改革開放以后，我國建筑業(yè)經(jīng)過了 30多年的發(fā)展，目前我國既有建筑規(guī)模約達 500億平方米，并口每年還有約20億平方米的建筑竣工。近年來，隨著經(jīng)濟發(fā) 展模式由數(shù)量型向質(zhì)量型的轉(zhuǎn)變，預(yù)計我國的基本建設(shè)需求將有所放緩，工程 建設(shè)除了轉(zhuǎn)向國際承包外，建筑業(yè)將轉(zhuǎn)型到以既有建筑運維、加固、改造為主的 形式上來。2016年，中央城市工作會議提岀了城市修復(fù)、老舊小區(qū)綜合改造的 發(fā)展方向，標志著我國的建筑業(yè)己經(jīng)開始從大規(guī)模的新建時期邁向現(xiàn)代化的運 維管理時期。近年來，隨著bim技術(shù)的發(fā)展與政府對bim應(yīng)用的大力推廣，bim技術(shù)與既有建 筑運維管理相結(jié)合漸成趨勢，為既有建筑

6、的運維管理帶來新的技術(shù)應(yīng)用和支撐。 bim技術(shù)在既有建筑運維管理應(yīng)用首當其沖是要解決既有建筑建模問題。然而， bim建模技術(shù)目前的研究主要集中在新建工程的模型創(chuàng)建，對于既有建筑建模 方面的應(yīng)用研究雖有嘗試，但涉及不多。2既有建筑快速建模特點與難點2.1既有建筑特點(1) 建筑已經(jīng)存在與在建建筑相比，既有建筑是已經(jīng)建好并且投入運維的建筑，具有建設(shè)過程的 整套完整資料，針對建筑的幾何及相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，可以通過現(xiàn)場勘測工具進行 現(xiàn)場測量和識別，采集數(shù)據(jù)。(2) bim技術(shù)應(yīng)用目標明確 既有建筑的bim技術(shù)應(yīng)用，就是應(yīng)用bim技術(shù)為建筑的運維管理、改造及拆除提 供技術(shù)及數(shù)據(jù)支持，目標明確，技術(shù)路線清晰，

7、為既有建筑bim技術(shù)的應(yīng)用確 定了應(yīng)用方向和技術(shù)發(fā)展趨勢。2.2既有建筑建模難點目前b1m建模方法主要針對于在建建筑的正向建模，正向建模是最傳統(tǒng)的計算 機三維設(shè)計建模，根據(jù)設(shè)計者的構(gòu)想，預(yù)先定制好設(shè)計的內(nèi)容及尺寸信息，在 計算機環(huán)境下進行三維模型的建立。但是正向方法顯然不能滿足既有建筑，主要 原因如是：(1) 既有建筑是已經(jīng)建設(shè)完成真實存在的建筑，并且既有建筑竣工圖紙普遍存 在與現(xiàn)況不符，并且資料缺失，這樣就導(dǎo)致按照正向建模方法創(chuàng)建的b1m模型 與現(xiàn)況有偏差，這樣的模型不能滿足運維管理的需要。(2) 采集既有建筑空間幾何信息困難。應(yīng)用于運維管理的既有建筑對數(shù)據(jù)精度要 求較高，能夠準確地反映房屋

8、的實際情況。然而，很多既有建筑如歷史保護建筑 往往具有獨特的造型與風格或建筑細節(jié)，傳統(tǒng)測繪方法受人為因素及測量手段 的影響精度較低。(3) 既有建筑結(jié)構(gòu)影響測量。房屋頂部門樓造型棱角多且屋檐精準定位及測量較 難實現(xiàn)，測繪結(jié)果達不到應(yīng)用要求。(4) 既有建筑測量成本較高。對于高度較人的既有建筑，理論上傳統(tǒng)方法詳細測 繪外立而需搭設(shè)腳手架等登高設(shè)備，施工準備過程較長且經(jīng)費較高。3既有建筑快速建模方法針對既有建筑建模存在的上述問題，可以采用逆向建模方法。逆向建模，和對于 傳統(tǒng)設(shè)計建模是一個反向過程，因此被稱為逆向。常見的逆向建模技術(shù)包括基于 點云的三維激光掃描技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)。3.1三維激光掃描技

9、術(shù)基于點云數(shù)據(jù)的逆向建模是指通過三維激光掃描技術(shù)對已真實存在的物體進行 掃描，這樣就獲取了該物體的空間兒何信息，相當于對其進行了數(shù)字化，然后 再將己被數(shù)字化的物體導(dǎo)入三維設(shè)計軟件，參照該數(shù)字化信息進行模型的建立。 點云建模技術(shù)主要有七個步驟:掃描、點云導(dǎo)出、點云成模處理、點云模高分辨 率導(dǎo)出、點云體修補、點云建模、點云數(shù)據(jù)擬合轉(zhuǎn)換。(1) 掃描在掃描過程中，受掃描距離、空間布局復(fù)雜程度、有遮擋等因素影響，三維激光 掃描儀每一固定站點采集到的點云數(shù)據(jù)僅是被測建筑的一部分，需進行多站掃描并點云拼接，因此應(yīng)注意合理設(shè)置測站數(shù)量，盡量用較少的測站完成數(shù)據(jù)的 完整采集，避免后期點云拼接吋的誤差累積。(2

10、) 點云導(dǎo)出點云導(dǎo)出需要的電腦配置較高，可以采用拼接點云的方式進行整體導(dǎo)出。在點云 導(dǎo)出前，刪除多余的點云或墻體、門窗、保留線腳框架。最后將拼接好的點云轉(zhuǎn) 成dxf、stl> 3ds等格式。(3) 點云成模處理將處理好的點云導(dǎo)入 geo magic studio 12 (或 proe、ugnx、catta> imageware geomagic studio> c o p y ca d> r a p i d fo r m)，再對對點云進行曲率 處理，使得計算機運行順暢，最后將處理好的點云在gstud1o12里封裝為體。(4) 點云模高分辨率導(dǎo)出導(dǎo)出的模型格式為stl、d

11、xf格式，可以生成高清晰度點云，如圖1所示。圖1高清晰度點云模下載原圖(5) 點云體修補將處理好的點云體導(dǎo)入3dmax、sketchup、revlt等3d軟件進行體修補，用3dmax 或sketchup修補點云體中破損的部位，如圖2所示。圖2點云體修補(6)點云建模下載原圖在修補后的體塊框架中建模，補全殘缺模型，如圖3所示。圖3點云數(shù)據(jù)擬合下載原圖(7)點云數(shù)據(jù)擬合轉(zhuǎn)換 使用軟件根據(jù)點云數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，將符合建筑構(gòu)件表面兒何特征規(guī)律的點云 擬合為相對應(yīng)的建筑構(gòu)件模型，繼而形成整個建筑模型，如圖4所示。圖4 bim模型轉(zhuǎn)換下載原圖3. 2傾斜攝影技術(shù)傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一

12、項高新技術(shù)，通過在同一 飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面 物體更為完整準確的信息。這種攝影測量技術(shù)稱為傾斜攝影測量技術(shù)，所獲取的 影像為傾斜影像。傾斜影像具備以下特點：(1) 反映地物周邊真實情況相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，更加真實的反映地 物的實際情況，極大的彌補了基于正射影像應(yīng)用的不足。(2) 傾斜影像可實現(xiàn)單張影像量測通過配套軟件的應(yīng)用，可直接基于成果影像進行包括高度、長度、面積、角度、 坡度等的量測，擴展了傾斜攝影技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用。(3) 建筑物側(cè)面紋理可采集針對各種三維數(shù)字城市應(yīng)用，利用航空攝影大規(guī)模成圖的特點，加上從傾

13、斜影 像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效的降低城市三維建模成本。(4) 易于數(shù)據(jù)輸出傾斜影像的能同時輸出正射影像(dom)、數(shù)字高程模型(dem)、數(shù)字地表模型 (dsm)、業(yè)務(wù)矢量數(shù)據(jù)(嘰g)等多種數(shù)據(jù)格式成果，應(yīng)用與各種數(shù)據(jù)平臺。3.3技術(shù)對比綜述現(xiàn)在對兩種技術(shù)做了以下對比綜述(見表1):通過對比，結(jié)論如下：仃)三維激光掃描技術(shù)在測量精度較高、細小物體眾多的設(shè)施建模中具有明顯優(yōu) 勢，非常適合注重于局部建筑單體等典型應(yīng)用。激光雷達設(shè)備價格也越來越低， 結(jié)合相機也可以來獲取高真實感可視化效果，并且3d掃描技術(shù)與bim技術(shù)的結(jié) 合不僅方便快捷，更重要的是它的精確度是傳統(tǒng)檢測方法所無法達到的。（2

14、）傾斜攝影技術(shù)可以獲取具有真實紋理的三維數(shù)據(jù)，適合做大范圍城市既有 建筑三維建模以及一些對精度要求稍低的三維工程測量應(yīng)用，但數(shù)據(jù)處理耗時 長成本高，同時對天氣要求較高，并且對植被下的地形無能為力，對細小物體 （市政管線、電力線）的建模能力不足，在數(shù)據(jù)處理中需要大量人工介入才可以 應(yīng)用到設(shè)施精準要求較高的三維建模和測量中。4應(yīng)用案例4. 1項目概況某大廈建于1997年，位于徐匯區(qū)宛平南路，現(xiàn)為純辦公業(yè)態(tài)，建筑面積27895m, 建筑高度102米，地上24層，地下2層（均為車庫和設(shè)備用房）。本項目旨在 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，通過技術(shù)集成、系統(tǒng)集成和應(yīng)用集成等方式，開發(fā)“基 于btm的運維管理系統(tǒng)”

15、，提供包括建設(shè)和運維階段的綜合信息管理，實現(xiàn)快 速獲取、管理和處理相關(guān)信息，支持運維過程的綜合信息、維護維修、運維知識 庫、機電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測與控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、能耗評估以及災(zāi)害模擬與應(yīng) 急決策等管理，從而提高工程運維階段的工作效率和信息化管理水平。該大廈是 單體既有建筑，模型應(yīng)用于運維管理，因此對模型深度要求較高，結(jié)合以上逆 向建模方法分析，采用三維激光掃描技術(shù)進行點云模型創(chuàng)建，后續(xù)進行bim模 型擬合轉(zhuǎn)換。表1兩種技術(shù)的對比 下載原表4. 2信息模型重建某大廈的建筑信息模型快速重建宜采用三維激光掃描技術(shù)得到建筑的幾何信息, 根據(jù)建筑構(gòu)件分類，形成建筑構(gòu)件的點云模型，建立相應(yīng)的構(gòu)件b1m

16、模型，賦 予相應(yīng)的參數(shù)如設(shè)備編號、設(shè)備類型、設(shè)備型號、制造商、部件名稱、系統(tǒng)名稱、 標高、安裝單位、負責人、供應(yīng)商、空間區(qū)域等，組合形成建筑信息模型（見圖 5） o圖5既有建筑信息模型重建方法下載原圖（1）建筑構(gòu)件分類 按照建模軟件構(gòu)件分類體系，對建筑進行構(gòu)件分類，分類結(jié)構(gòu)如：區(qū)域一一單體 建筑一一系統(tǒng)一一樓層一一成套設(shè)施設(shè)備一一構(gòu)件，為點云模型分割做好準備。(2) 構(gòu)件分割根據(jù)單體建筑的構(gòu)件分類情況，將點云數(shù)據(jù)分割，作為構(gòu)建建筑構(gòu)件模型的幾 何數(shù)據(jù)。(3) 構(gòu)件模型建立將點云構(gòu)建模型導(dǎo)入建模軟件，在建模軟件定義構(gòu)件類型，賦予屬性信息，轉(zhuǎn) 換成構(gòu)件btm模型，添加構(gòu)件名稱、材質(zhì)、顏色等信息。(

17、4) 建筑信息模型在b1m建模軟件中，集成構(gòu)件b1m模型進行合模，建立建筑整體b1m模型。(5) 基于bim的運維管理系統(tǒng)將處理好的某大廈模型導(dǎo)入基于bim的運維管理平臺，為大廈運維管理提供 了數(shù)據(jù)支撐和可視化模擬分析。參考文獻1龐永師，楊植，王亦斌，等基于bim的建筑工程運營管理研究j 工程經(jīng) 濟，2016 (4) : 30-34張世玉既有砌體結(jié)構(gòu)外套加固技術(shù)的bim技術(shù)硏究j 北京:北京:北京建 筑大學(xué)，2015.3 sacks r, koskcla l, dave ba, ct al intcraction of lean and bu訂ding information modeling in constru