基于BIM的高精度塑石工程特征統(tǒng)計(jì)方法研究

　　摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)手段對(duì)具有海量復(fù)雜褶皺的特大型JR塑石工程表面估算不精確、不嚴(yán)謹(jǐn)、爭議大的難題，提出了一種基于BIM和三維控制框架激光掃描技術(shù)的特大型JRC塑石工程表面積審計(jì)方法。首先采用BIM方法論證了三維激光數(shù)據(jù)的附著精度，再采用三維控制框架激光掃描技術(shù)解決了多測(cè)站高精度逆向建模工程拼接誤差積累的問題。以某動(dòng)物園特大型塑石工程審計(jì)項(xiàng)目為例，實(shí)現(xiàn)了高精度特征統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證了方法的可行性。研究結(jié)果為審計(jì)取證提供了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)支撐，為相關(guān)審計(jì)項(xiàng)目的執(zhí)行提供了切實(shí)可行的技術(shù)方法，具有極大的借鑒價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：BIM;三維控制框架激光掃描技術(shù);逆向建模;高精度特征統(tǒng)計(jì)

　　BIM是一個(gè)工程項(xiàng)目物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)，是一個(gè)分享有關(guān)該設(shè)施信息，為其從建設(shè)到拆除的全生命周期中所有決策提供可靠依據(jù)的過程。在項(xiàng)目的不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)。BIM以三維動(dòng)態(tài)顯示為基礎(chǔ)，包含了諸多信息模型，在建筑、工業(yè)智造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，不規(guī)則大型工程(如特大型JRC塑石工程)的BIM建模在技術(shù)上還存在一些難點(diǎn)。

　　一般的大型工程項(xiàng)目可對(duì)組件進(jìn)行拆分建模或進(jìn)行BIM預(yù)制驗(yàn)證，但大型塑石工程由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、整體性，無法拆分為具體組件進(jìn)行逆向建模。地面三維激光掃描技術(shù)和設(shè)備的成熟與發(fā)展，為中小型不規(guī)則物體特別是雕塑表面積、體積等特征的精確統(tǒng)計(jì)提供了一種先進(jìn)手段。三維激光掃描誤差由系統(tǒng)誤差和偶然誤差組成，檢較后誤差一般可控制在mm級(jí)，但對(duì)于大型復(fù)雜對(duì)象，多站掃描數(shù)據(jù)融合引起的拼接誤差不容小覷。

　　由于誤差積累等主要因素，目前該方法尚未被很好地引入到特大型JRC塑石工程特征統(tǒng)計(jì)中。復(fù)雜地面對(duì)象表面一般采用多測(cè)站、多視角、環(huán)繞式掃描方式，再通過分塊數(shù)據(jù)拼接處理獲得完整表面點(diǎn)云;但特大型JRC塑石工程形體巨大、紋理復(fù)雜、盲區(qū)繁多，多視點(diǎn)激光點(diǎn)云的全自動(dòng)無縫拼接無法實(shí)現(xiàn)，累積誤差較大，因此制約了三維激光掃描BIM建模技術(shù)的應(yīng)用。鑒于此，本文提出了基于BIM和三維控制框架激光掃描技術(shù)的審計(jì)方案。

　　1審計(jì)方法對(duì)比

　　1.1傳統(tǒng)JRC塑石工程審計(jì)方法傳統(tǒng)的測(cè)量方式包括：①沙盤模型法，非等比例縮小，與實(shí)際工程出入大，精度不高;②貼報(bào)，適用于小型塑石假山，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，誤差較大;③鋼絲網(wǎng)法，相對(duì)準(zhǔn)確，主觀性大，不利于事后客觀審計(jì);④估算法，單體最寬外接矩形乘以單體平均高度再乘以～1.5的系數(shù)，該方法簡單易用，也是業(yè)界普遍適用的估價(jià)和預(yù)算方法，但缺少客觀依據(jù)，主觀性大，在事后審計(jì)中頗具爭議。

　　1.2基于BIM和三維控制框架激光掃描技術(shù)的JRC審計(jì)方法大型塑石工程一般具有相應(yīng)的沙盤模型，但在建造過程中為體現(xiàn)逼真效果，真實(shí)的塑石工程存在大量的復(fù)雜褶皺和孔洞，經(jīng)過一定比例縮小的沙盤模型往往不能很好地反映這些細(xì)節(jié)，在特征統(tǒng)計(jì)上具有很大的誤差。為解決這一問題，本文首先選擇規(guī)則實(shí)驗(yàn)物體進(jìn)行了BIM模型3D精度分析，驗(yàn)證了方法的可行性;然后結(jié)合三維控制框架激光掃描技術(shù)建立特大型復(fù)雜塑石工程的BIM模型;最后進(jìn)行高精度特征統(tǒng)計(jì)。

　　2數(shù)據(jù)精度分析與可行性

　　2.1數(shù)據(jù)精度分析

　　本文首先采用高精度地面三維激光掃描儀對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行了多站式全方位三維激光掃描，并基于特征點(diǎn)進(jìn)行了多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接[6];再利用Geomagic Studio軟件剔除冗余、噪點(diǎn)、孤點(diǎn)數(shù)據(jù)，獲取測(cè)試樣本完整、無冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了BIM建模;然后將測(cè)試樣本標(biāo)準(zhǔn)Revit設(shè)計(jì)文件在Rhino下進(jìn)行Obj通用格式轉(zhuǎn)換，得到測(cè)試樣本參數(shù)化BIM預(yù)制模型(測(cè)試樣本嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件制作，通過多特征人工檢測(cè)，測(cè)試樣本和實(shí)物偏差極小，在mm級(jí));最后在GeomagicQualify軟件下對(duì)測(cè)試樣本BIM模型和預(yù)制模型進(jìn)行最佳擬合，并進(jìn)行3D誤差分析。

　　2.2可行性分析

　　本文通過誤差分布圖和精度統(tǒng)計(jì)表展示了BIM模型的審計(jì)承載精度，可以看出，利用三維激光點(diǎn)云掃描獲得的實(shí)驗(yàn)物體BIM與實(shí)驗(yàn)物體相比，統(tǒng)計(jì)精度96以上保持在±1.5cm以內(nèi)，可滿足大型復(fù)雜塑石工程2c以上表面褶皺精確統(tǒng)計(jì)的審計(jì)要求。

　　3某動(dòng)物園特大型JRC塑石工程審計(jì)實(shí)例

　　3.1三維控制框架激光掃描方案

　　按照《城市雕塑工程工程量清單計(jì)價(jià)定額(011版)》規(guī)定，塑石工程和各類城市雕塑采用表面積方式計(jì)算工程量。由于塑石工程形態(tài)多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往存在大量孔洞、細(xì)微褶皺和盲區(qū)，且傳統(tǒng)技術(shù)手段較落后，因此表面積的核算成為最具爭議的難點(diǎn)。

　　本文在該項(xiàng)目中選用的軟硬件為：地面三維激光掃描儀、自動(dòng)升級(jí)云梯、高性能臺(tái)式計(jì)算機(jī)等，用于獲取高精度、高密度帶回光強(qiáng)度信息的塑石工程頂面和側(cè)面三維激光點(diǎn)云;配套點(diǎn)云拼接軟件、GeomagicStudio、GeomagicQualify等，用于點(diǎn)云去噪、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云拼接、誤差分析和BIM建模。某動(dòng)物園塑石工程包括塑石大門、屋頂、假山、圖騰、動(dòng)物等造型，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高低不一、環(huán)形布局，是國內(nèi)特大型JRC塑石工程之一，表面積計(jì)算難度極大。

　　本文將該工程劃分為圖騰柱、大門、看臺(tái)、屋頂、假山等部分;根據(jù)工程布局，遵循整體覆蓋、少數(shù)合理、兩兩相應(yīng)的原則，設(shè)計(jì)了環(huán)抱式頂面和側(cè)面三維控制框架，具體分為側(cè)面控制和頂面控制，側(cè)面控制又可細(xì)分為外網(wǎng)控制和內(nèi)網(wǎng)控制。

　　三維控制框架既要保證可覆蓋整個(gè)工程布局，又要盡量簡約，以保障首級(jí)三維控制框架的精度。同時(shí)，為了保證工程局部有兩兩相應(yīng)的三維控制框架站點(diǎn)，應(yīng)盡量減少控制站點(diǎn)之間的單站數(shù)。單站之間選取～個(gè)靶標(biāo)或特征點(diǎn)，以減小點(diǎn)云整體和局部拼接誤差，且能保證建模效率。在三維控制框架構(gòu)建過程中，還應(yīng)注意外網(wǎng)控制站、內(nèi)網(wǎng)控制站、頂面控制站的銜接，以保證塑石工程頂面和側(cè)面的吻合精度。

　　3.2方案對(duì)比

　　傳統(tǒng)審計(jì)方式精度低，系數(shù)確定受主觀因素影響較大，給審計(jì)工作帶來了諸多不確定性;而三維控制框架激光掃描方案成功地將先進(jìn)技術(shù)手段引入審計(jì)工作中，開創(chuàng)了三維激光掃描技術(shù)在特大型JRC塑石工程中的應(yīng)用先河，并可提供特大型JRC塑石工程精細(xì)BIM、體積、周長等多元信息。

　　4結(jié)　語

　　本文突破了特大型JRC塑石工程拼接誤差積累的瓶頸，創(chuàng)新性地將BIM與三維控制框架激光掃描技術(shù)運(yùn)用于審計(jì)領(lǐng)域，并以某動(dòng)物園特大型JRC塑石工程審計(jì)項(xiàng)目為例，驗(yàn)證了方法的可行性。雖然可以保障審計(jì)精度，但基于地面三維激光掃描的特大型JRC塑石工程BIM精細(xì)建模耗時(shí)較長，且頂面視角需借助云梯等升降設(shè)備才能獲取數(shù)據(jù)，給作業(yè)人員安全帶來了隱患。

　　測(cè)繪技術(shù)論文范例： 無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

　　目前，旋翼無人機(jī)在實(shí)景三維建模方面的應(yīng)用日益廣泛，技術(shù)也日趨成熟，通過引入環(huán)繞或仿面飛行技術(shù)，單棟建筑物的精細(xì)建模相對(duì)精度可控制在2cm以內(nèi)，但對(duì)一些塑石孔洞、隱蔽盲區(qū)無人機(jī)不便進(jìn)行實(shí)景三維數(shù)據(jù)獲取。若特大型JRC塑石工程的三維控制框架采用旋翼無人機(jī)來獲取，孔洞、隱蔽盲區(qū)部分采用地面三維激光掃描來補(bǔ)充，再進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合，這樣既便于頂面數(shù)據(jù)獲取，又能縮短工程量測(cè)周期，保障審計(jì)精度，將是本文進(jìn)一步研究的課題。

　　參考文獻(xiàn)

　　孫建誠蔣浩鵬楊文偉等基于BIM的三維參數(shù)化橋梁標(biāo)準(zhǔn)建模方法研究重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2019,38(10):1-6

　　丁巍淺述地面三維激光掃描技術(shù)及其點(diǎn)云誤差分析工程勘察,2009(增刊):447-452

　　官云蘭程效軍詹新武等地面三維激光掃描儀系統(tǒng)誤差標(biāo)定測(cè)繪學(xué)報(bào),2014,43(7):731-738

　　盛業(yè)華張卡張凱等地面三維激光掃描點(diǎn)云的多站數(shù)據(jù)無縫拼接中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,39(2):233-237

　　王昌翰向澤君劉潔三維激光掃描技術(shù)在文物三維重建中的應(yīng)用研究城市勘測(cè),2010(6):67-70

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　　作者：侯　飛

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