基于三维激光扫描技术的地下工程维护管理BIM模型研究

苗亚哲，李胜波，邓安仲

(1.中国人民解放军陆军勤务学院 军事设施系， 重庆 401331；2.中国人民解放军陆军勤务学院 国家救灾应急装备工程技术研究中心， 重庆 401331)

地下工程的维护管理，是指为了使地下工程始终处于良好的战备状态而对地下工程口部、内部设施、构件、设备、系统、管线、门扇和管理区内的附属配套设施等进行的维护工作，是国防工程管理的重要组成部分[1]。地下工程维护管理的成效直接影响到国防安全建设。当前，地下工程维护管理工作中还存在一系列问题，如基础数据资料不够齐全，内部管网设施设备复杂，历次维护升级改造造成竣工图纸不够准确，口部、系统、重要储存空间等关键部位实时监控手段落后，紧急情况处理流程不够优化等等。因此，探索如何利用信息化技术手段，提高地下工程维护管理水平，对于加强应急保障能力建设，提升紧急状况处置效率，有着重要的实际应用意义。

1 BIM在地下工程维护管理中的应用分析

近年来，BIM(Building Information Modeling)作为一种基于三维数字模型的建设工程及设施全寿命周期管理技术应用，开始广泛应用于建筑领域，我国BIM技术正处于快速发展与深度应用阶段。尤其是近年来BIM与云计算、物联网、GIS、VR等技术的协同应用，使得BIM技术有着更为广阔的发展空间[2]。其中三维激光扫描技术，也与BIM技术在建筑工程领域产生了广泛的应用，主要包括：工程项目施工过程优化、工程质量检测与验收、建筑物改造、变形监测以及工业化精装修等。例如在佘山深坑酒店项目施工中，在崖壁爆破方案选择、混凝土泵送及大体积混凝土回填方案选取等方面实现应用[3]，在上海中心大厦外幕墙工程中，在幕墙设计、构件加工、钢结构施工等方面实现应用[4-5],在锦屏电站4号引水隧洞施工中，通过分析钻爆开挖断面控制情况、监测围岩表面的变形，起到了监控量测的作用[6]。

综上所述，三维激光扫描技术与BIM的结合的实际应用成果显著提升了工程建设领域的信息化水平，但是相对BIM技术在设计、施工阶段的运用，在运维管理阶段的应用研究仍然相对较少，国内国外对此的关注也都尚处于起步阶段[7-10]。本文在充分考虑两者结合应用的前提下，提出了基于BIM技术的地下工程维护管理系统的理论框架，建立基于三维扫描技术与BIM的快速运营维护管理平台架构，整理地下工程维护管理所需的三维信息，旨在探索将两种技术结合使用在地下工程维护管理中的应用模式和实现途径，为信息化、精细化、高效化、全过程的地下工程维护管理研究提供思路。

2 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术主要利用激光测距的原理，可以快速获取目标表面的点云数据，具有采集范围广、工作速度快、数据精度高等特点，通过记录被测物体表面目标点的三维坐标几何信息，经过数据的精简优化处理，快速复建出原始物体的立体三维模型。

根据三维激光扫描设备的测距原理，一般可分为基于脉冲信号、基于相位差和基于光学三角测量等三种方式[11]。

1) 基于脉冲信号测距。向目标物体发射连续激光脉冲信号，记录反射回来信号的时间值，通过两个时间的差值数据间接计算与目标点之间的距离S。设测量距离为c，光速为，激光信号往返发射器与目标物之间的时间差值为Δt，则有：

(1)

2) 基于相位差测距。该方法利用光学干涉原理进行距离测量，已知调制反射激光束的幅度及调制光波长，设置脉冲的频率为f，同时测定该调制光往返发射位置与目标接受位置所产生的相位延迟φ，利用该相位延迟求算两点之间距离，其距离关系为

(2)

3) 基于光学三角测量原理。其主要原理是利用结构化光源通过发射器按照一定的角度向目标物体发射红外光束，被CCD检测器检测信号后计算距离[12]。此时光敏件获得一个偏移值δ，设发射角度为θ，物距、像距分别为l1、l2，以及光敏件与成像透镜主光轴之间的夹角φ，再利用l1、l2及θ由三角函数关系运算即可计算求出待测距离S，其中三角成像需解算的物象关系为

(3)

综合以上三种方法，第一种基于脉冲测距的设备受光线影响较小，精度主要由Δt的判断决定，测距较远但是测量精度相对较低；基于脉冲测距原理的设备扫描速度快，范围小，受光线影响大，但是精度高；基于光学三角测量原理的设备由于其光源与成像透镜基线较短，所以决定了其测距较短，适合于近距离测量。通过表1的分析比较，结合地下工程内部结构复杂，设施设备种类较多，扫描距离较为适中的实际特点，因此基于相位差测距原理的三维激光扫描设备相对更适合地下工程的三维激光扫描作业。

3 地下工程维护管理BIM模型

既有建筑的建筑信息模型创建技术是基于BIM技术维护管理应用的关键，利用三维激光扫描技术在完成点云数据采集作业后，利用BIM软件快速建立三维模型，并添加有关维护信息，最终完成一体化维护管理平台的搭建，其技术路线如图1所示。

表1 三种激光扫描方法对比分析

3.1 BIM模型重建及模型架构

1) 三维激光扫描方案。根据目标物的环境周边情况，合理考虑测点布置，保证所有需扫描范围都可以做到精确覆盖，以获取扫描对象的完整外形特征、空间位置等信息，良好的前期数据扫描可以大大减少数据预处理阶段的工作量，在激光扫描作业的同时，依靠系统一体化集成的导航定位系统实时获取位置信息，依靠系统集成的CCD相机同步获取扫描对象的纹理信息。

2) 激光点云数据预处理。数据预处理的结果影响后期建模的精确度、复杂度和建模效率。该过程包括点云数据去噪优化和数据配准等内容，要求在在保留建筑表面几何特征的基础上精简数据。根据噪声点云空间的分布情况进行去噪处理，对于其中超出扫描范围及明显远离预定目标区域的冗余噪声，可以直接借助设备配套的点云数据后期处理软件通过可视化交互方式直接删除。与正确点云混杂在一起的噪声点可通过点云去噪算法剔除[13]。

点云数据配准即找到两个点云数据集合间的对应关系，主要分为两个步骤，首先寻找对应关系，其次求算两者之间变换参数。由于在各处获取的点云数据均有其独立坐标系，该过程就是将各个位置的点云数据转换在同一坐标系下处理。配准过程中用到的基本公式如下:

(4)

(5)

式(4)中，(X,Y,Z)为点云数据归为统一坐标系后的坐标，(x,y,z)为点云初始扫描位置处坐标，α、β、γ为旋转参数，(Δx,Δy,Δz)为平移参数。

3) 创建三维模型及属性信息定义。作为地下工程维护管理信息模型重建的关键一步，当前三维激光扫描设备获取的数据已经可以被多种后期建模软件识别，将经过预处理的rcs或rcp格式点云数据导入BIM建模软件Revit中，首先创造模型标高，随后根据点云数据拟合生成建筑的主体结构，包括柱、梁、楼板、墙体等结构，最后根据构造物及设备参数信息，结合点云数据描绘出的外形轮廓线确定尺寸信息，并创建防护门窗、机电设备、管线等部位的Revit族文件，从而完成三维模型创建。

BIM技术最重要的功能之一体现在其对构件属性信息的定义上，各类设备参数信息繁多杂乱，在BIM模型优越的可视化空间展现能力基础上，将工程维护阶段所需的各种机电设备参数进行一体化整合[14]，将地下工程各个构件的尺寸、位置、颜色、材料、作业时间等所有信息都作为该构件的属性信息关联至该构件三维模型中，如图2所示，其属性信息一般包括其外形尺寸、材质、生产安装时间、类型型号、生产厂家、防火等级、维修记录等内容。

3.2 构建一体化维护管理平台

完善精确的三维数据为地下工程维护管理提供了模型基础，根据地下工程维护管理的实践需要，对三维图形信息、属性信息进行集中整合，通过后期对数据的不断完善，实时更新维护计划，记录维护状况，达到维护管理的目标。该地下工程维护管理平台可以利用Autodesk Revit软件提供的API接口，利用C#编程语言在基于.NET开发环境中进行二次开发，如图3所示，整体的系统平台分为三层架构设计，分别是提供地下工程基础空间图形的数据库层，支撑系统内部设置的功能层和面向维护管理工作人员实现功能应用的操作层。

数据服务层，利用SQL server或Oracle等关系型数据库技术存储BIM模型信息，包括已有的地下工程构筑物的静态属性数据及后期更新补充的动态数据。BIM模型属性信息的保存与交换是基于IFC(Industry Foundation Classes)工业基础类定义，因此需要在此基础上建立关系型数据与BIM模型之间的映射关系，实现静态及动态信息存储管理。

功能接口层，根据地下工程维护管理所涉及的功能和目标需求建立起的框架层。通过对数据库层信息的提取、保存、集成、分析等方式实现可视化图形展示、维护信息查询、维修计划管理等方面功能，功能层是整个平台架构应用实现的关键，借助BIM模型显示前端Revit的3D可视化仿真功能，通过自身提供的API接口与数据层连接，实现图形数据读取及显示控制的功能。

操作应用层，实现实时动态为维护管理人员提供需要的维护计划信息服务，并利用监控手段进行项目整体浏览，在用户界面上实现地下工程的计划维护管理，构筑物的检测维护管理，结构运行状态监测，故障报修预警管理等目标。

4 基于BIM技术地下工程维护管理平台功能设计

IFMA(International Facility Management Association，国际设施管理协会)对建筑维护管理的定义是运用多学科专业，集成人、场地、流程和技术确保楼宇良好运行的活动。基于BIM的建筑维护功能主要体现对内部空间、公共资产、公共安全、整体能耗以及维修维护的管理上[15]。在结合地下工程保障的特点的基础上，地下工程维护管理平台功能设计如图4所示，主要包括以下内容。

1) 空间可视化查询与实时监测。在BIM技术支持下，维护人员在3D视图模式下对空间进行整体规划利用，对设施设备所设置场所位置进行合理布局安排。BIM技术的应用可以同时做到空间三维全过程管理，实时掌握地下工程内部的利用状况，同时还可以依托管理平台建立起数据采集→耗能分析→调控预警的能耗检测监督流程。通过实时采集各部位能耗情况，检测重要部位空气温度、湿度、有害气体含量等数据，实时进行监测预警。

2) 设施设备计划管理。通过BIM维护管理平台整合地下工程模型及基础信息，对地下工程内部各类通风空调、给排水管线等设施设备状态进行跟踪，对重要设施设备的适用状态提前进行预判。在地下工程维护管理规范标准的基础上，制订周期检查保养计划及小修、中修和大修计划，并自动根据历史维护记录和保养计划，提示到期需要进行维护保养的设施设备，在维修后采集或录入维修信息，在模型中记录维修结果，实现过程化管理。

3) 重点部位检测维护。在维护过程中依据规定的维护周期对主体结构等重要构造部位制订检测计划，针对在地下工程建设中可能存在的一些质量缺陷或者使用过程中因环境变迁导致的部分构造部位老化腐蚀、长期风雨雪或设备震动等荷载带来的影响、地基沉降引起的结构变化等，利用传感技术实时将监控数据传输返回BIM模型中，在维护平台中对异常部位进行定位，做到及时检查发现并及时合理修复。

4) 应急保障管理。在紧急事件发生时，维护人员可以依托BIM维护管理平台定位和识别潜在的突发事件，并且通过人机交互管理平台界面快速、准确确定危险发生位置，评估突发事件导致的损失，辅助制定应急保障决策。在平时还可以依靠BIM模型制定各类应急决策预案，进行紧急状态下地下工程保障过程模拟，不断优化应急事件的处置流程。

5 结论

基于三维激光扫描技术可以高精度、高效率的完成建立BIM模型所需点云数据的采集、处理过程，将点云数据传输到BIM建模软件。通过关联属性信息建立起地下工程BIM模型，搭建一体化维护管理平台，实现维护数据的统一集成化管理和地下工程的信息化维护目标。但是也要看到，基于BIM技术的维护管理阶段的应用尚处起步探索阶段，与其他先进技术方法特别是与RFID技术、物联网、云计算、建筑智能化等先进技术的进一步整合还有着巨大的开发空间与发展潜力，本文研究能为实时化、集约化、信息化地下工程维护管理提供新的思路与方法。

[1] 张松波.国防工程维护指挥流程优化研究[D].长沙：国防科学技术大学,2010.

[2] 赵昕，马智亮，张建平，等.中国建筑施工行业信息化发展报告(2015)BIM深度应用与发展[M].北京：中国城市出版社，2015.

[3] 李小飞,李赟,张林,等.基于三维激光扫描的BIM技术在上海世茂深坑酒店方案优化中的应用[J].施工技术,2015(19):30-33.

[4] 刘珩.BIM技术在上海中心大厦外幕墙工程中的应用[J].土木建筑工程信息技术,2013,5(5):79-87.

[5] 李璐,张爱琳.三维扫描结合BIM技术在玻璃幕墙工程中的应用[J].价值工程,2016,35(8):149-151.

[6] 毛东晖.三维扫描技术在隧道工程中的应用分析[J].铁道建筑技术,2009(9):119-122.

[7] 胡振中,彭阳,田佩龙.基于BIM的运维管理研究与应用综述[J].图学学报,2015,36(5):802-810.

[8] 纪博雅,戚振强,金占勇,等.基于BIM的新建房屋建筑设施管理[J].施工技术,2015(s2)662-666.

[9] GODAGER B.Analysis of the Information Needs for Existing Buildings for Integration in Modern Bim-Based Building Information Management[C] //The 8th International Conference Environmental Engineering.Vilnius:University of Vilnius Gediminas Technical Press,2011:886-892.

[10] BECERIKGERBER B,JAZIZADEH F,LI N,et al.Application Areas and Data Requirements for BIM-Enabled Facilities Management[J].Journal of Construction Engineering & Management,2011,138(3):431-442.

[11] 张启福,孙现申.三维激光扫描仪测量方法与前景展望[J].北京测绘,2011(1):39-42.

[12] 万瑾,黄元庆.激光三角法测量的研究[J].三明学院学报,2006,23(4):361-364.

[13] 程效军.海量点云数据处理理论与技术[M].上海:同济大学出版社，2014：13-14.

[14] 过俊,张颖.基于BIM的建筑空间与设备维护管理系统研究[J].土木建筑工程信息技术,2013,5(3):45-53,66.

[15] 汪再军.BIM技术在建筑运维管理中的应用[J].建筑经济,2013(9):94-97.