基于BIM+物联网逆向建模方法研究及应用

朱留洋，杨鑫，刘守宇，周亮

（1 中铁大桥局集团第八工程有限公司，重庆 400026； 2 重庆科技学院 建筑工程学院，重庆 401331；3 重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016）

0 引言

逆向建模技术是指运用各种扫描工具来获取点云数据， 然后采用软件进行处理进而形成模型的过程。 数码摄影测量技术、三维激光扫描技术、红外热成像技术、 智能全站仪测量技术等各种新型观测技术在许多国家已经有研究和利用[1]。BIM 技术是指从设计、施工到管理各阶段协同的过程。物联网技术是指使用RFID、GPS、红外感应等信息传感器设备，与工程项目中各项要素、物品进行连接，在互联网的运行环境下实现各种交互通信，实现远程运营维护。

近年来，在建筑工程中，对于三维激光逆向建模技术的应用越来越广泛。 姚习红等[2]以多个建模软件为对象，针对逆向建模的关键环节，探究逆向建模实现方法，解决不同建模软件的跨界使用问题，但是没能解决物联网的跨界使用问题。徐巍等[3]利用逆向建模技术对已有球形钢网架实物情况进行真实还原，通过模拟分析，优化拆除方案，并结合MR 设备进行可视化交底，保证施工安全，但没有运用BIM 技术进行协调。 胡春梅等[4]利用正逆向建模相结合的混合建模方法，得到完整古建筑构件模型，但没有将其运用到实际的施工中去。 王代兵等[5]利用BIM 技术与三维激光扫描仪在幕墙的深化设计、现场施工环节进行逆向设计、施工，提高了深化设计、生产施工的精确度，但没有把物联网技术融合进来。梁栋等[6]提出一种基于3D 激光扫描的钢桥塔节段虚拟装配方法，可实现对钢桥塔整体装配误差的有效调控，但这个方法只运用了三维激光扫描技术。 陈小松等[7]通过应用API 激光跟踪测量技术，对钢桁梁制造关键工序的尺寸精度进行动态跟踪测量，并确保了钢桁梁构件的制造精度满足设计要求，但这个技术只能运用于工程的一小部分。 可见，这些研究都有一定的局限性，尤其是没有将BIM、物联网、逆向建模三者进行结合，全面运用到工程中去。

因此，本文通过相关建模案例，运用近年来BIM 技术研究成果，讨论正向建模、三维激光扫描逆向建模、基于BIM+物联网逆向建模三种不同建模方式，并对这三者进行对比分析。这有助于项目方选择适合的建模方法，以及施工现场运维阶段的数字化、智能化。

1 常见的建模方法

1.1 正向建模

正向建模的步骤，一般来说，都是先准备好由设计人员画好的设计图纸，在建模软件中对整体工程进行建模， 按照工程设计图纸的标注对三维几何图像进行构建[8]。 在完成几何模型建模工作后，然后再加上和工程项目以及构件相关的信息。最后，再完善部分细节，这样就建立了一个完整的工程信息模型。正向构建的BIM 模型不仅直观地展示项目，还可以看到项目相关信息。 模型可以用来进行模拟施工、安全演练等，有助于提高施工效率、保障工程安全。但是，正向建模的工程量一般都不小。因为前期需要阅读的图纸量较多，创建模型的工作量大且复杂，形状不规则的部分更加麻烦，所以，正向建模需要花费很多时间。

工程案例为施工阶段某大桥BIM 模型， 所有的钢箱梁模型、基础、桥墩、斜拉索、机电一体化等都根据相关数据进行了调整和优化。 它有模型深度为LOD400 的市政桥梁检查模型，包括工程统计、施工数据、预算和设备，以满足现场要求。 模型深度结合图纸及模型满足项目需求，确保做到图模一致，真实反映设计情况，如图1 所示。

图1 某大桥BIM模型

1.2 三维激光扫描逆向建模

三维激光扫描逆向建模首先要准备好设备以及扫描方案，扫描工作中所需要的仪器设备有：法如扫描仪、三脚架等。 设计扫描方案时，有必要对建筑周围情况进行绘图，全面了解周边环境，然后根据天气、物体与环境的关系以及外部植被的密度等，来设置设施及控制点的数量。 最后使用扫描仪对工程进行点云数据采集，构建点云模型。 将获得的点云数据导出，用配套软件进行点云的拼接、去噪、抽稀，导出所需格式的点云数据。 进行三维激光扫描逆向构建的模型在外观上与实物相差无几， 但是没有内在信息。 逆向建模不需要复杂的操作，依靠序列图像就可以进行模型的重构，整个过程方便快捷。

工程案例为某桥塔点云模型，在施工过程中对某大桥的桥段进行逆向建模， 运用扫描仪按照制定好的方案对桥段进行扫描，得到桥段点云模型，如图2 所示。

图2 某桥段点云模型

2 基于BIM+物联网逆向建模

基于BIM+物联网逆向建模是在三维激光扫描逆向建模的基础上结合BIM、物联网技术形成的。 首先，将三维激光扫描逆向建模得到的点云模型导入到建筑建模软件中，当前建筑建模软件有很多，本文选择应用最广泛的Revit 软件，能识别三维激光扫描格式点云文件。为了在Revit 中构建模型，需要创建标高、轴网，然后根据不同的标高进行绘制，为了将不同的构造元件放在正确的位置，必须将它们移到不同的视图方向[9]。 创建的对象可输入相关属性， 这些对象都可以在之后进行碰撞检查和受力分析等， 其中，Revit 自带了许多族库，这样建立的模型就很精细，许多的细节都能反映出来，能够较好地符合实际。 然后存储为BIM 软件通用格式，这样逆向构建的几何模型到BIM 模型的转换就完成了。最后，将逆向的BIM 模型引入到智慧工地中来，加入工地可视化管理系统， 能实现对工程施工现场的各个要素信息的实时采集监控，帮助管理人员快速掌握施工现场的信息，进而实现施工现场以及运维阶段的数字化、智能化。

以某在建大桥工程为例， 通过三维激光扫描获得点云模型，如图3 所示，将其导入到BIM 基础软件中，将模型上传至精细化协同管理平台，同智慧工地进行运维协同管理。

图3 BIM平台的逆向模型

3 对比分析

将正向建模、三维激光扫描逆向建模、基于BIM+物联网逆向建模这三个建模方法进行对比分析，如表1 所示。

表1 三种建模方法的对比分析

在建模速度上：正向建模需阅读大量图纸再进行建模，完成一般的项目需要3～5 天， 花费时间最多； 对于三维激光扫描逆向建模， 本文案例中所选择的扫描仪以360°×300°的视场角和每秒9760000 点的数据获取速度， 完成一次典型断面的扫描测量任务只需几分钟，花费时间最少；而基于BIM+物联网逆向建模，在三维激光扫描逆向建模基础上多了两个步骤，即导入BIM 软件和智慧工地系统，完成一般的项目，需要1～2 天左右，花费时间较少。

在兼容性上：正向建模的建模软件国内外有很多，如Revit、Projectwise、Archi CAD、CATIA 等， 虽然存储格式和内容不同，但是IFC 格式（国际标准建筑文件格式）能解决兼容性的问题，IFC自1997 年1 月发布IFC1.0 以来，已经历了6 次主要的改版，其中IFC2×3 是目前大多数市面上的BIM 软件支持的版本，而2010 年底所发表的IFC2×4 被认为是最符合Open BIM 协同设计概念跨时代的版本； 三维激光扫描逆向建模中点云数据处理软件有很多，每个品牌的扫描仪会有相应的点云数据处理软件，如天宝系列的使用Trimble Realworks 来处理、 思看系列的使用Geomagic后期处理软件等[10]。 各处理软件支持的格式有限，导致点云数据在不同软件中出现不兼容的现象， 基于BIM+物联网逆向建模是在三维激光扫描逆向建模的基础上构成的，所以兼容性与三维激光扫描逆向建模相同。

在BIM 协同上， 正向建模和基于BIM+物联网逆向建模的模型经过在BIM 基础软件中的处理后，具有完整的工程信息，能导入到BIM 平台中进行运维协同；三维激光扫描逆向建模的模型只是在对应的点云数据软件中经过简单处理， 只有三维几何信息，不能进行BIM 协同。

在适用范围上， 正向建模是当前建筑工程最常用的方法，而且只需要在电脑上就能实现，无需额外的设备费用，适用于当前新建建筑的设计、施工、维护、管理等各个阶段；三维激光扫描逆向建模能快速建模，与BIM 设计模型对比对照，了解施工质量的真实情况，适用于当前建筑施工、检测等方面；基于BIM+物联网逆向建模，并结合前面两者的优势，所以适用的范围相对更大。

4 结论

在现代建筑设计复杂、体量庞大的背景下，使用逆向建模技术来辅助工程已成为一种趋势。 本文对正向建模、三维激光逆向建模以及BIM+物联网逆向建模三种建模方法进行了一般性讨论以及对比，分析各个方式的优缺点，得出BIM+物联网逆向建模在桥梁工程中的优势，发现其能快速建模并结合BIM 技术与物联网技术，提高桥梁施工现场的数字化管理水平，丰富了逆向建模桥梁施工应用经验。