BIM与现实捕捉在钢结构栈桥改造设计中的应用

周子豪，杨宇鹏，周 银，高 宇，白建国，郭 彤，吴逸飞，韩达光，7

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.中铁十六局集团第五工程有限公司，河北 唐山 064000；3.中交一公局第七工程有限公司，北京 100024；4.中建三局集团有限公司成都分公司，四川 成都 610042；5.东南大学土木工程学院，江苏 南京 211100；6.重庆建工集团四川遂资高速公路公司，四川 遂宁 629000；7.比利时鲁汶大学HAN&LI智慧与可持续基础设施与建筑垃圾资源化研究所，Spoorwegstraat12，8000 Bruges，Belgium)

0 前 言

BIM技术是一项近年来发展起来的新技术，它引发了建筑业一场新的革命。由于BIM具有可视化、模拟性、协同性等特点，现如今已逐步被应用于桥梁工程中。BIM改变了传统的设计和管理模式，能够帮助设计师更好地完成设计，桥梁建成后还可对其进行全生命周期的管理。

现实捕捉技术是用仪器对物体的外形进行扫描，从而得到被扫描物体表面点的信息，得到的点形成点云，真实地还原了物体的空间外形和结构，具有精度高、速度快的特点[1]。现实捕捉技术现在主要应用于地形测绘、古建筑维护、施工监控等领域。

BIM模型虽具有三维可视化的优点，但复杂体量的创建较耗费时间，而现实捕捉能够快速准确地采集现场桥梁的数据，可以弥补BIM建模耗时的缺点。将旧桥的点云数据与新桥的BIM模型相融合，能够快速判断设计是否满足新旧桥无缝衔接的要求。本文融合BIM与现实捕捉技术，通过某国际机场钢结构栈桥改造设计的案例，尝试解决这个难题。

1 工程概况

该项目为某国际机场钢结构栈桥的改造设计。但该机场周边环境十分复杂，设计时必须保证新旧栈桥不能与原有桥梁发生冲突，也不能影响周围的交通(见图1)。传统二维设计时，CAD图纸通常都很复杂，不能很清晰地表现出相互的空间位置关系，据此建立BIM模型往往会出现很多错误。笔者先用现实捕捉技术获取旧桥的点云数据，再建立新桥的BIM模型，对原始点云数据进行处理，并将其与新桥BIM模型融合到一起，得到点云-BIM三维可视化模型，从而能够应用于设计和施工中。

图1 新旧桥位置关系示意图

2 数据的采集和处理

2.1 点云数据的采集

本项目采用FARO扫描仪对原有建筑物进行扫描。由于该机场环境复杂、范围较大，一次设站扫描出的点云不能完全覆盖住所扫描的建筑表面，故设立了两个扫描站点，能够满足扫描范围的要求。

2.2 点云数据的处理

由扫描仪进行扫描得到的原始点云具有缺陷，还不能直接使用，需要进行数据处理工作，主要包括点云降噪、点云滤波、点云精简、点云拼接等[2]。由于扫描的范围较大，得到的点云数据非常庞大，使点云数据的处理工作非常复杂。

由于两个测站处于不同位置，它们有着各自独立的坐标系，不能直接进行拼接，因此，获取了原始点云数据之后，需要将两个测站的点云数据统一到全局坐标系下再拼接，这就需要将坐标系进行转换。统一了坐标系后，即可把两个测站的点云数据进行拼接。处理完成后的点云如图2所示。

图2 处理后的点云效果图

3 BIM模型建立

目前BIM系列软件较多，主流的有Autodesk公司的Revit、Bentley公司的MicroStation及Dassult公司的Catia。其中Revit软件协同性、兼容性较好，综合考虑到国内外BIM软件的特点以及本项目的实际情况，采用Revit软件建立BIM模型。

Revit中拥有强大的参数化建模功能[3]，参数化建模即在建立模型时给其尺寸定义一些参数，当修改这些参数时，软件能自动生成新的模型，这对相似形体的批量创建提供了一种高效便捷的方法。建立的栈桥单元BIM模型如图3所示。再通过修改栈桥的相关参数，即可沿道路中心线批量快速生成全桥模型。

图3 栈桥单元BIM模型

4 点云与BIM模型整合

建立了BIM模型以后，需要将其与点云整合到一起，此步骤的难点在于导入的点云与模型的空间位置不对应，为了将点云和BIM模型完美融合，就需要将坐标系进行转换。坐标转换的公式如下：

Rz(α)Rz(β)Rz(γ)=

式中，(X,Y,Z)为转换后的点云坐标；(x,y,z)为原始点云坐标；α、β、γ为旋转参数；Δx、Δy、Δz为平移参数。

将坐标系进行转换后，即可得到将点云和BIM模型整合到一起。

5 项目应用实施

5.1 碰撞检查

与传统CAD设计图纸不同，由现实捕捉获取的点云数据是现场真实场景的三维可视化数据，形象直观。若点云与BIM模型整合起来仍不易看出是否有碰撞时，可以进一步通过算法提取点云数据，从而拟合生成原有旧桥实体。再将其与新建栈桥的BIM模型相结合，就能够很直观地看出新旧桥之间的相对位置关系，进而可以检测出新旧栈桥之间是否有碰撞的地方，有效避免了传统方法不直观的缺点。

5.2 设计变更和设计优化

运用BIM技术，可以不再采用传统的CAD绘图模式，大大减轻了设计人员的负担。由于BIM具有参数化的特点，设计人员在对某一参数进行调整时，模型就能自动更新，不需要手动重画，很大程度上提高了工作效率。如设计时发现桥墩占用了原有道路，修改时通过调整桥墩的位置参数，即可重新生成模型，避免建成后影响道路的正常交通。

5.3 三维可视化技术交底

由于BIM具有可视化的特点，能将抽象的二维平面图形转化为直观的三维立体模型，从而能够在施工前就预先看到整个工程竣工后实际的效果，形象直观地体现了设计人员的设计意图。还可进一步通过漫游动画和虚拟现实技术身临其境地感受到现场的真实状况，以便进行三维可视化交底。

6 结论与展望

本文以某国际机场钢结构栈桥改造设计的项目为例，介绍了BIM和现实捕捉技术的应用路线。用这两项先进的技术代替传统设计方法，将虚拟和现实有机结合起来，显著地提高了设计效率和质量，在设计变更、设计优化等方面实施了动态控制。这在既有建筑的改造设计中有一定的应用价值。目前新桥梁的建设逐渐趋于饱和，今后主要是对既有桥梁进行维护和改造。未来可以进一步完善桥梁参数化模型的数据库，以便利用BIM强大的参数化功能，再进行类似项目的改造设计时能够调用，起到事半功倍的效果。

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