既有建筑逆向建模方法与实践

陈玉玺

摘要：随着建筑信息化和智慧城市建设发展，BIM建模技术在既有建筑运维管理、提质改造、老旧建筑保护、危旧建筑拆除等方面应用越来越广泛。以某中学校园园区为例，对既有建筑逆向BIM建模的工作流程进行了剖析，阐述在倾斜摄影、三维激光扫描等测绘数据的基础上，快速构建满足要求的建筑信息模型的逆向建模方法。实践表明，模型数据符合建筑信息模型数据存储标准；建模方法可以满足建筑信息模型快速创建的要求，大量节省了人力和时间成本；建筑模型与结构构件合理，可以通过系统合法性、一致性检查，满足可视化展现和主要运行管理维护场景需求。

关键词：既有建筑；逆向建模；点云；建筑信息模型（BIM）

一、前言

既有建筑是已经建设完成真实存在的建筑，由于年代久远，往往遇到原有施工图纸、技术文件资料缺失情况[1]，需要逆向建模以修正现况偏差，满足智慧城市建设和建筑运维管理的需要。由于既有建筑传统测绘效率低、精度不足，大大影响模型构建速度，随着倾斜摄影、激光点云扫描、360全景摄影等技术不断成熟，由倾斜摄影、点云到自动建筑建模已经有了大量的研究实践，并形成了较为成熟的方法[2]，但这些方法难以满足既有建筑构件及重要设备信息化及属性标识要求。以某中学校园园区建筑为例，利用已有外业扫描、点云数据、室内360全景等测绘数据，详细阐述手动快速逆向BIM建模方法实践过程，并对其实践效果进行了简单分析，为既有建筑信息模型快速构建提供有益的参考。

二、项目概况

（一）工程总体概况

某中学校园园区项目包括教学楼、格物楼、综合楼、标准风雨操场及全部地下三层，总建筑面积约60000m2。园区全貌如图1所示，教学楼平面为回字形，内嵌部分为图书馆，地上6层，总高度26.6m；格物楼地上8层，总高度36.6m，综合楼内设学生食堂和大礼堂，地上4层，建筑总高度21.6m。所有建筑物地下相互联通，组成了一个复杂的地上地下建筑综合体。

（二）工程重难点分析

建筑物已实际存在，需要按照既有建筑建模要求，依据实测数据分析结构形式、尺寸信息，拾取实际颜色，在计算机建模软件辅助下完成三维模型的建立。由于既有建筑一般图纸不全，数据不准，空间几何信息采集困难[3]，或是与当前实际装修改造有较大差异，所以在建筑的信息化过程中，需要根据实测数据进行分析，然后建模。

教学楼、格物楼、综合楼及风雨操场之间均有错层高差。由于既有建筑均带有装修层，错层高差实际尺寸需要根据点云扫描及360实测数据，并结合模数要求进行综合确定。由于工程量较大，在团队分工协同建模过程中，错层高差会导致模型组合时产生较大的对接误差。

地下结构复杂，点云数据地下部分采集不够详尽。该校园园区建筑物下部分相互连通，分布有篮球场、网球场、活动室等地下空间。通过倾斜摄影、点云、360全景摄影等方式得出的测量数据都难以显示地下空间的外轮廓特征，地下空间的构件尺寸一般根据360全景照片并结合其他数据测量方式或材料模数等分析得出。

建筑造型相对复杂，色彩多样。地上主要建筑物教学楼、格物楼、综合楼平面并不完全规整，建筑立面造型多变、线条凸凹，外观色彩花纹多样，在建模操作过程中细节处理工作量大。

三、数据来源与应用

本工程主要提供倾斜摄影、激光点云、360全景照片三种类型数据，外业实测数据情况如表1所示。

（一）倾斜摄影

倾斜摄影是近些年在测绘领域发展出来的一种高新技术。它是通过在飞行平台上搭载可采集信息的传感器从多个不同角度对建筑进行数据采集的，不仅能够真实地反映地物情况，还可以高精度地获取表面纹理信息。在实际应用中，倾斜摄影可以快速通过融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型，但只有倾斜摄影数据难以精确构建建筑结构及内部空间。倾斜摄影采用旋翼无人机搭载摄影相机从垂直、倾斜等五个不同的角度进行了数据采集，相机最高分辨率可达2.0cm，数据主要用于分析建筑平立面、建筑高度、错层高差，确定建筑层高，并进行外观、造型、线条、纹理等细节处理。

（二）三维激光点云

点云数据是通过三维激光扫描技术对已真实存在的物体进行扫描，获取了该物体的空间几何信息，即对其进行数字化[4]，然后进行数据拼接，必要时进行数据修补的一种建筑实物数据获取方法。这种数据采集方式需要合理布置测点，通过对拾取的数据进行点云拟合，可以利用软件生成BIM模型。由于本项目地下部分提供的点云数据并不详尽，需要分别手动创建建筑、结构、设备的模型并进行合模。所以本项目点云数据主要是用于建筑、结构建模中的平、立、剖底图尺寸或对模型数据进行修正，如图2所示。

（三）360全景照片

采用360全景相机采集建筑空间全景照片，布设点位要考虑覆盖全部可见部分，包括建筑空间、梁柱结构主体、重要设备等，同时也注意相邻点位的衔接，避免出现中断。园区共布设全景扫描点位4587个，其中教学楼及地下部分布设2512个，格物楼及地下部分布设597个，综合楼布设457个，风雨操场及地下室布设990个，其他部位31个，覆盖园区所有房间和全部可见部分。由于本项目不宜使用点云拟合技术自动生成建筑模型，所以建筑内部细节、构件实际尺寸以及重要设备属性的建模都依赖360全景数据。

四、建模过程与方法分析

对实测数据进行预处理，依据倾斜摄影数据及360全景影像确定各楼层标高及楼栋间高差，在Revit软件中链接处理后的点云数据确定轴线，然后分区、分组进行模型构建，参照实测数据对目标建筑的梁、板、柱、墙体、楼梯、门窗、屋顶等进行绘制。绘制可使用系统自带族库，对于系统没有的构件，可以预先设立族作为BIM模型中的基本图元存储在协同平台，不同分区的模型均可调用，避免了大量重复建族导致的效率低下。完成各分区的模型后再进行合模，形成建筑、结构、设备信息完备的模型，然后在场地上进行模型组装。建模流程如图3所示。

（一）建模前准备工作

由于数据量大、时间紧，建筑内外结构复杂。为加快进度，在建模操作开始前需要预先做好两个方面的工作。一是对点云数据进行预处理。由于观测仪器设备自身精度等内因以及在扫描过程中不可避免地会自然振动等外因影响，点云数据中会存在噪声点、失真点和冗余数据[5]，建模前需要对点云数据进行预处理，去除点云数据中的错误及冗余，减少误差的累积，统一坐标并进行切片分层处理，分割为不同楼层平面的二维点云数据。二是对已有的倾斜摄影、激光点云、360全景照片数据进行综合分析。由于既有建筑已有大量的装饰装修会影响点云数据采集的准确性，加之采集过程的操作不规范性也导致某些点云数据的重叠或缺失，而360全景照片并不能保证获取满足构件建立所需的全部几何信息，所以要进行数据分析，如发现房间、构件、设备等信息不足，可以补充采集以保证模型的精度。

（二）数据导入与应用

对采集点云数据进行切片分层处理后，可以在Revit中各楼层中插入点云楼层平面图，再根据不同楼层平面的数据获取轴线位置信息。根据点云数据采集精度和图片分辨率，对插入的平面图进行缩放，使其与建模比例相符合。缩放方法如式（1）所示。

M=L×P （1）

M—模型建模尺寸，单位m。

L—楼层平面图尺寸，单位cm，取平面图分辨率长或宽像素值。

P—点云底图数据采集精度，此处根据图片精度取0.02。

将导入的平面图进行合适比例缩放，对精确定位建筑物轴网、建筑边界、墙柱等构件有重要意义，可以极大提高建模的精确度，快速构建符合标准要求的建筑信息模型，满足客户的要求。为了避免主轴线倾斜带的不利影响，加快建模进度提高建模效率，需要依据坐标对导入的平面图进行旋转，使建筑主轴线处于水平和竖直位置，所有建筑物均按主轴线与水平线夹角进行调整，精确到0.01，如图4所示。

（三）标高设置与轴网确定

由于各建筑物、风雨操场及园区地下部分相互连通且存在错层或高差，而手动建模是采取分区、分组方式协同作业，为了避免在最后模型组装时各部分的衔接误差，需要对整个园区确定统一的标高。需要确定教学楼、格物楼、综合楼及风雨操场四者之间的底标高差值，楼层内部标高差值数据来源于点云，外部高差主要参照倾斜摄影和360全景图，统一采用大地2000坐标系，按照教学楼一层地面绝对标高22.23m作为园区正负零标高，楼层结构面比建筑面低0.05m。每一分块利用协同平台进行建筑建模，依据建筑模型进行结构模型和水电暖通设备的建模，各部分完成后再进行合模。各楼栋依据左下角点为定位点，预先统一坐标并对各建筑物进行定位，确定主轴线和内部附加轴线。在后续的分区、分组协同建模过程中，标高和轴网主定位点的统一确定避免了各部分的错位与误差，大大减少了后期模型合并、修改工程量。

（四）分块协同与模型构建

根据园区工程量分为四个区域，分组协同建模，如表2所示。分区、分组遵循工程量均衡原则。分区、分组情况如表2所示。按照既有重要建筑建模交付技术指引的要求，既有建筑的装饰装修层信息不作要求，在模型构件过程中，建筑构件的实际尺寸根据点云数据及360全景照片结合建筑构件常用模数确定，结构构件尺寸依据建筑构件尺寸确定，要满足各模型合并后不出现重叠闪烁的要求。由于建筑内外构件的相对复杂，建筑信息模型的建模工程量要到全部建模工程量的60%—90%。先完成各分区建筑模型构建，结构和设备模型依据建筑模型可同时构建，有效加快模型构建的进度。

（五）数据检查与模型交付

所有建筑模型构建完成后，需要对模型进行自查，主要项目包括模型完整性、文件及构件的命名、构件属性、空间坐标配置等信息。结合实测数据利用Navisworks进行实模一致性检查。Navisworks软件可以将不同专业，不同平台搭建的模型进行整合，快速流畅地查看模型的整体效果，对比实景与模型之间的信息状态差异，实现模型问题的快速修正。

模型交付需符合既有重要建筑建模交付技术指引及数字模型存储标准，其中，建筑材质配色需要与外业照片和测绘资料保持一致，构件标识符必须合理赋值，各类文件格式符合提交要求，并提交实物与模型一致性对比报告，结构模型应保持其结构合理性，与建筑模型保持一致，设备构件无遗漏，模型整体满足可视化展现和主要运行、运维场景需求。

五、结语

以某中学校园园区既有建筑的逆向建模为例，提供一种基于逆向工程技术的建筑信息模型（BIM）构建的方法，剖析了BIM逆向建模的工作流程，并系统阐述各流程阶段对数据合理应用与建模的注意事项，最后利用Revit、Navisworks及相关辅助工具完成满足甲方要求的全园区建筑、结构、系统及场地的建模任务。实践表明，各专业构件级模型单元最低几何精度符合要求，模型完整性、合标性、合理性、一致性检查关键性指标通过率达到100%，其他相关指标通过率达到80%以上，成果符合既有重要建筑建模交付技术指引的相关要求，满足可视化展现和主要运行、运维场景需求，为既有重要建筑逆向高精度建模提供了便捷的方法，具有较高使用价值。由于测绘误差及扫描的局限性，以及数据调用的主观性，在快速逆向建模过程中存在无法客观反映既有建筑的真实情况，还需进一步研究如何提高建模的精度与效率。比如在结构建模过程，由于结构构件的隐蔽性，实测数据无法覆盖所有梁、板、柱等主要结构构件，实际结构模型构件结果会与既有建筑本身有一定的差异，但这种差异并不影响完整性、合标性等关键性指标的检查、验收。既有建筑工程逆向建模应用存在一定的改进空间，可实施性仍需更多尝试与总结，以推动建筑业数字化转型及BIM行业发展。

参考文献

[1]王全，张月，王玉泽，等.三维激光扫描及放样机器人与BIM技术在旧建筑改造中的结合应用[J].施工技术，2018，47（S1）：1490-1492.

[2]丁志坤，徐盛取，王家远，等.新基建背景下城市基础设施逆向BIM建模研究——以地铁项目为例[C]//中国图学学会建筑信息模型（BIM）专业委员会.第七届全国BIM学术会议论文集.深圳大学中澳BIM与智慧建造研究中心，深圳大学滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，2021：6.

[3]刘胜男，陶钧，史艾嘉.基于三维激光点云的既有建筑BIM建模方法研究与应用[J].安徽建筑，2020，27（12）：142-143+147.

[4]周红波，汪再军.既有建筑信息模型快速建模方法和实践[J].建筑经济，2017，38（12）：83-86.

[5]余浩，党星海，李文洲，等.点云数据与BIM技术对既有建筑改造的应用[J].地理空间信息，2021，19（09）：83-86+7.

基金项目：湖北省住房和城乡建设厅建设科技计划项目“绿铜山矿区既有代表性居住建筑数字化保存”（立项序号：186）

作者单位：长江工程职业技术学院

责任编辑：尚丹