建筑物化阶段的BIM建模方法研究

2024-01-10阮若琳

河南城建学院学报 2023年6期

阮若琳

（集美大学诚毅学院，福建厦门 361021）

近年来，学者们在提高建筑建模准确度方面取得了较多的研究成果。陈彪等［1］以建筑矢量底图为主，结合卫片图像建立建筑模型结构，通过高分辨率遥感影像和Mask R＿CNN技术，提出了基于多源数据融合的农村建筑智能识别与三维建模方法，以解决农村地区低成本、广覆盖的信息采集和建模问题。李宁等［2］使用无人机倾斜摄影测量技术获取高质量的航片数据，同时采用RTK技术进行影像配准和检核数据，通过ContextCapture软件对倾斜摄影测量原始数据进行空三解算和三维重建，生成具有真实纹理的实景三维模型。孙保燕等［3］利用图像识别与细节增强技术对建筑图像进行预处理，借助挂接数据库，确定模型中点和面的数量，最终使用插件导出BIM模型，从而提高异形仿古建筑的建模准确度。宋仁波等［4］提出了一种基于多源数据集成和GIS建模技术的城市建筑物三维建模方法，具备了成本低、操作简单、自动构建的特点，为大规模城市建筑物三维建模与可视化提供技术解决方案。

为了提高建筑建模的准确度，有必要对复杂建筑的BIM建模方法进行深入研究。BIM技术具有高度的模型信息集成性，通过BIM模型对构件参数的控制，改善因构件冲突导致建筑模型准确度较低的问题。本文基于BIM技术实现建筑物化阶段的精细化建模，结合BIM技术对建筑构件和材料进行参数模拟，并在上游模型的基础上，进行添加、删除、深化等流程，以确保建筑模型的精细化和全面性。

1 BIM建模方法设计

1.1 建筑构件创建

选择ArchiCAD作为建筑物化阶段BIM的核心建模软件。通过建筑结构的几何特征数据创建建筑构件，并为具有可变基本结构特征参数的构件设置参数，再根据各构件在建筑模型中的几何位置与结构关系对创建的构件进行集成化处理，获取建筑的整体BIM模型［5］。最后通过对建筑的视觉展示、模拟和协调优化，发布处理图纸，使建筑信息的表达更加详细。

建筑项目物化阶段的BIM模型主要包括方案设计、初步设计、深化设计、建材设备生产和运输5个阶段，为保证建模的细致程度，需要根据建筑物化阶段和施工需求调整模型的深度。建筑物化各阶段模型深度要求如表1所示。

表1 构件不同阶段模型设计要求

根据表1中建筑物化各阶段建筑构件模型的深度要求，利用软件中的PKPM模块读取目标建筑构件的数据信息，包括材料、钢筋、荷载和边界条件等基本信息，以创建建筑梁、柱、杆、剪力墙和楼板的模型，通过使用软件提供的脚本语言转换功能，将上述数字信息转换为软件易识别的IGES格式的通用格式文件［6］，并根据计算参数要求在ArchiCAD／CAE中创建一个内置文件，指定其材料性能，执行诸如分析步骤、网格生成和结果分析等的特定操作。

以数据库中建筑预制梁与预制柱的拓扑和结构信息为依据，在ArchiCAD中添加新的图层，作为建筑构件的数据层。对于建筑钢筋混凝土构件，利用软件中的STRINGER命令在图层的中心处同时建立两个相同的beam构件截面，根据构件面积与位置一致性的原则，创建建筑构件截面［7］，如图1所示。

图1 建筑构件等效截面

建筑剪力墙和楼板可通过SHELL模块自动生成与实际建筑几何信息参数一致的构件模型，同时可将其中的钢筋与混凝土等不易识别的边界信息转换为相应的应力层。为简化运算流程、提高建模效率，此次在刚性构件模拟的基础上，使用耦合约束来约束与原刚性楼板连接的梁和墙的平面内自由度［8］，从而有效地考虑了刚性楼板的无限平面内刚度的力学特性。根据建筑物化各阶段的模型构建原则，以碳排放约束为导向，结合模型的深度控制要求，对建筑各构件进行创建。为获取更加精细化的建筑信息模型，还应对构件模型的参数进行曲线定位。

1.2 建筑模型参数定位

在构建建筑物化阶段BIM模型时，模型参数控制是关键。通过特征构件的尺寸参数和属性参数间接驱动模型形态变化。零部件参数值的选择将会直接影响建模效果，不同的组件类型对应不同参数［9］。因此，进行模型参数定位可以确保构件的几何形状、材料属性等关键参数与建筑实际情况相匹配，提高建筑模型的准确度，改善建筑模型的可视化效果和可理解性。基于BIM建模创建的梁、柱、杆、剪力墙和楼板参数如表2所示。

表2 建筑构件及对应参数

由于在扫描阶段未使用绝对坐标系，所有点云数据都是点之间的相对位置关系，无法满足构建三维模型的要求。因此采用共同目标算法和最小二乘变换原理计算构件初始模型的变换参数［10］，即

式中：（xa，ya，za）表示转换后的构件底部空间坐标；（xA，yA，zA）表示构件底部原始坐标。

将构件底部所在平面的点云数据向量记作｛QN｝，其可切割成若干个点数据组向量｛Q1，Q2，…，Qk｝，选择平面中曲率最小的数据点作为点集对应的水平距离，之后对初始数据平面进行扩展与拟合，即对特定平面模型与切割点云数据进行估算和匹配，以获得最佳平面参数，从而实现转换参数与模型参数高程的一致性［11］。假设构件所处的空间中两个相邻面片的法向量分别为n1＝（a1，b1，c1），n2＝（a2，b2，c2），则该交线的向量为

式中Qi表示平面中第i个点云数据向量。

通常，在建模过程中，建立一个世界坐标系作为构件模型参数转换的参考坐标系，而将构件所在的平面坐标系视为局部坐标系［12］。假定构件的原始位置在局部坐标系与全局坐标系中的坐标值重合，则可使用三元旋转法来表示两个坐标系之间的转换。假设旋转顺序为x→y→z，构件在x、y、z3个方向上的姿态角分别为α、β、γ，则可将局部坐标系中的构件坐标系转换为全局坐标系下的坐标矩阵Pl＝CγCβCαPw，其中索引旋转变换矩阵可表示为

对式（3）变换进行逆变换处理，得到构件在投影面的坐标矩阵Pt，即

在ArchiCAD中，零部件的位置以文件的形式表示。对象坐标系被定义为父类，组件顶点的上层坐标系被用作子类，局部坐标系的位置通过投影索引逆矩阵的反向旋转来表示［13］。为了避免构件之间的冲突，预制柱的定位曲线每侧的长度应延长2 DN（公称直径）。基于加密区域和稀疏区域的分量长度数据，可以获得分量数量与加密区域的长度、稀疏区域的长度和分量间距之间的函数关系，即

式中：m为加密区域和稀疏区域的分量长度；l1为加密区长度；d1为加密区构件间距；l2为稀疏区长度；d2为稀疏区构件间距。

将构件1的定位点信息L1（X1，Y1，Z1）和构件2的定位点信息L2（X2，Y2，Z2）的坐标参数值进行参数化连接，则两点之间的关系为

式中：t为连接厚度；h为两点之间的距离。

利用参数化表示构件定位点之间的几何约束关系，两点之间的差值可表示为

式中De表示定位曲线起点到模型下边界的距离。

根据式（7）将构件底部三根定位曲线以坐标（0，0，1）为方向平移Δy便可得到顶部三根定位曲线。根据L1、L2所代表的定位曲线向（0，0，1）方向平移CAD图纸上标注的距离，即可得到构件底部定位曲线，最后通过Rebar.ByCurve节点连接所有构件的定位曲线。完成模型参数的定位，为后续建筑BIM模型的生成奠定基础。

1.3 建筑BIM模型生成

建筑的外观是在ArchiCAD软件中基于建筑多边形建立的。建筑模型的高度应严格按照实际建筑物的高度进行设置。复杂形态的建筑物或曲面建筑物的标高可根据周边已知建筑物的标高进行逼近估计［14］。建筑的其他参数设定均按照此方法进行设置。建筑BIM模型的生成过程如下：

（1）采集实测建筑物的矢量数据。按照1∶1的比例从1∶1 000的地籍测量图中复制单幢建筑物的边界闭合线，并添加到新单元闭合线的CAD文件中［15］。

（2）标准化组件单元。利用ArchiCAD中的“自定义／单位设置／修正”对建筑模型的单位进行设定。保证模型数据单位与量测单位的一致性，便于后续Scale：1数据库的导入。

（3）建筑建模。在ArchiCAD中导入并创建一个新的闭合线，CAD图纸参考底图和构件定位曲线，并进行成组处理，所有坐标都重置为零，之后新建一个矢量图层。

（4）逐层建模。根据地形图数据，采用逐层建模的方式对建筑物进行整体建模［16］。对不具有屋顶的建筑物，应将建筑墙体厚度设置为0.5 m，再通过“挤出”设置比例高度。对具有屋顶的建筑物，直接使用最小容量作出相似造型。

（5）进行材料选择和能源消耗设置。设置能源分析的时间范围、天气数据、室内设计温度、照明和设备使用情况等参数。运行能源分析程序，对建筑模型进行能源分析，并生成能耗报告和图表。同时，设置碳排放分析的时间范围、碳排放系数、能源消耗方式等参数。运行碳排放分析程序，对建筑模型进行碳排放分析，并生成碳排放报告和图表。根据能耗、碳排放报告和图表，识别和分析建筑能耗和碳排放的瓶颈，并提出相应的优化措施。

（6）在TerraExplorer Pr中，按照构件创建顺序导入数据集，包括建筑位置参数、角度参数等，将所有数据添加到MPT文件中，并构建2D和3D模型。

2 实验论证

2.1 项目概况

福建省厦门市同安区某项目规划总用地面积4.69万m2，实际用地面积4.02万m2，总建筑面积32.45万m2。建筑基底面积约8 500 m2，平均容积率2.5，建筑密度15.25%，总高度88.41 m，地下3层，地上28层。该建筑抗震设防烈度为7度，结构重要性系数为2.0，建筑安全等级为二级。该建筑构件结构参数的规模相对较大，由多个结构单元组成，为便于分析，案例选取2＃楼作为研究对象。

2.2 实验准备

在Revit界面中以参数化形式添加基本建筑数据，创建参照平面，对其进行尺寸标注，并关联独立参数。根据表3所示建模参数对单个建筑进行建模。

表3 建模参数表

每个组件的原始参数按照加密和稀疏区域的顺序进行排序，将项目中的参数范围划分为只读参数和自定义参数，以便于建模过程中的参数调整。另外，将生成的单个建筑模型输出为.X文件格式，用于后续存储与处理建筑BIM模型的材质与颜色纹理信息。

2.3 实验说明

采用ArchiCAD软件创建建筑构件，使用特定类型的实体来定义构件属性和连接关系，通过输入构件的直接属性、间接属性和反向属性将构件与实体类型相关联，进而确定建筑构件在参考坐标系中的定位点。通过旋转矩阵变换，生成曲面定位空间，从而实现零部件的参数定位。用于构建属性信息表示的核心知识工程语句如图2所示。

图2 构建属性信息表达的核心知识工程语句

在分析了案例建筑的结构特征后，使用一个3层的砌块从上到下进行构件建模，通过模型集成命令获得了建筑的最终BIM模型。

2.4 建筑BIM建模结果分析

在ArchiCAD中建立建筑标高并生成对应的平面视图，在平面视图中对构件定位曲线进行成组，根据矢量图标注作出建筑物的三维模型。构建的建筑物BIM模型如图3所示。

图3 结构BIM设计模型

为评价BIM模型的精确性，在结构信息模型中等间隔地选取6组特征点，并测算每组特征点之间的相对距离，将计算结果与高精度全站仪测得的实际特征点距离相比较，以测试设计的建模方法的性能。对比结果如表4所示。

表4 模型测距结果对比

由表4可知，所建BIM模型的6组特征点之间的距离与全站仪测得的参考距离的差值较小，均在0.1 mm内，表明此次设计的建筑BIM建模方法具有较高的建模准确度，能够满足大部分建筑三维模型的构建要求。

2.5 建模准确度对比分析

采用文献［4］的多源数据融合算法（方法1）、文献［3］的融合大高差序列影像（方法2）与本文方法作对比。在工程案例上随机选取5个实测点，通过采集其建筑形态计算模型的尺寸，并与实测尺寸相比较，统计不同建模方法的相对误差，进而评估3种方法的建模效果（见图4）。

图4 不同BIM建模方法的建模准确性结果对比

由图4可知，在不同区域点云数量条件下，对建筑物的5个实测点进行尺寸计算，本文建模方法得到的模型尺寸与实测尺寸之间的偏差远低于方法1与方法2，其中最大相对误差为0.042%，在控制范围内。方法1与方法2建模准确度较低的原因是在建模过程中无法很好地处理建筑物的转折处，使得模型网格面的精细度降低。实验结果说明，此次设计的BIM建模方法能够更加准确地构建出建筑物三维模型，还原度较高。