BIM與現(xiàn)實(shí)捕捉在鋼結(jié)構(gòu)棧橋改造設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

周子豪，楊宇鵬，周 銀，高 宇，白建國，郭 彤，吳逸飛，韓達(dá)光，7

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.中鐵十六局集團(tuán)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.中建三局集團(tuán)有限公司成都分公司，四川 成都 610042；5.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；6.重慶建工集團(tuán)四川遂資高速公路公司，四川 遂寧 629000；7.比利時(shí)魯汶大學(xué)HAN&LI智慧與可持續(xù)基礎(chǔ)設(shè)施與建筑垃圾資源化研究所，Spoorwegstraat12，8000 Bruges，Belgium)

0 前 言

BIM技術(shù)是一項(xiàng)近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，它引發(fā)了建筑業(yè)一場(chǎng)新的革命。由于BIM具有可視化、模擬性、協(xié)同性等特點(diǎn)，現(xiàn)如今已逐步被應(yīng)用于橋梁工程中。BIM改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理模式，能夠幫助設(shè)計(jì)師更好地完成設(shè)計(jì)，橋梁建成后還可對(duì)其進(jìn)行全生命周期的管理。

現(xiàn)實(shí)捕捉技術(shù)是用儀器對(duì)物體的外形進(jìn)行掃描，從而得到被掃描物體表面點(diǎn)的信息，得到的點(diǎn)形成點(diǎn)云，真實(shí)地還原了物體的空間外形和結(jié)構(gòu)，具有精度高、速度快的特點(diǎn)[1]?，F(xiàn)實(shí)捕捉技術(shù)現(xiàn)在主要應(yīng)用于地形測(cè)繪、古建筑維護(hù)、施工監(jiān)控等領(lǐng)域。

BIM模型雖具有三維可視化的優(yōu)點(diǎn)，但復(fù)雜體量的創(chuàng)建較耗費(fèi)時(shí)間，而現(xiàn)實(shí)捕捉能夠快速準(zhǔn)確地采集現(xiàn)場(chǎng)橋梁的數(shù)據(jù)，可以彌補(bǔ)BIM建模耗時(shí)的缺點(diǎn)。將舊橋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與新橋的BIM模型相融合，能夠快速判斷設(shè)計(jì)是否滿足新舊橋無縫銜接的要求。本文融合BIM與現(xiàn)實(shí)捕捉技術(shù)，通過某國際機(jī)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)棧橋改造設(shè)計(jì)的案例，嘗試解決這個(gè)難題。

1 工程概況

該項(xiàng)目為某國際機(jī)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)棧橋的改造設(shè)計(jì)。但該機(jī)場(chǎng)周邊環(huán)境十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)必須保證新舊棧橋不能與原有橋梁發(fā)生沖突，也不能影響周圍的交通(見圖1)。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)時(shí)，CAD圖紙通常都很復(fù)雜，不能很清晰地表現(xiàn)出相互的空間位置關(guān)系，據(jù)此建立BIM模型往往會(huì)出現(xiàn)很多錯(cuò)誤。筆者先用現(xiàn)實(shí)捕捉技術(shù)獲取舊橋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再建立新橋的BIM模型，對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將其與新橋BIM模型融合到一起，得到點(diǎn)云-BIM三維可視化模型，從而能夠應(yīng)用于設(shè)計(jì)和施工中。

圖1 新舊橋位置關(guān)系示意圖

2 數(shù)據(jù)的采集和處理

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

本項(xiàng)目采用FARO掃描儀對(duì)原有建筑物進(jìn)行掃描。由于該機(jī)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、范圍較大，一次設(shè)站掃描出的點(diǎn)云不能完全覆蓋住所掃描的建筑表面，故設(shè)立了兩個(gè)掃描站點(diǎn)，能夠滿足掃描范圍的要求。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

由掃描儀進(jìn)行掃描得到的原始點(diǎn)云具有缺陷，還不能直接使用，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作，主要包括點(diǎn)云降噪、點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云精簡(jiǎn)、點(diǎn)云拼接等[2]。由于掃描的范圍較大，得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)非常龐大，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理工作非常復(fù)雜。

由于兩個(gè)測(cè)站處于不同位置，它們有著各自獨(dú)立的坐標(biāo)系，不能直接進(jìn)行拼接，因此，獲取了原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，需要將兩個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系下再拼接，這就需要將坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。統(tǒng)一了坐標(biāo)系后，即可把兩個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。處理完成后的點(diǎn)云如圖2所示。

圖2 處理后的點(diǎn)云效果圖

3 BIM模型建立

目前BIM系列軟件較多，主流的有Autodesk公司的Revit、Bentley公司的MicroStation及Dassult公司的Catia。其中Revit軟件協(xié)同性、兼容性較好，綜合考慮到國內(nèi)外BIM軟件的特點(diǎn)以及本項(xiàng)目的實(shí)際情況，采用Revit軟件建立BIM模型。

Revit中擁有強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能[3]，參數(shù)化建模即在建立模型時(shí)給其尺寸定義一些參數(shù)，當(dāng)修改這些參數(shù)時(shí)，軟件能自動(dòng)生成新的模型，這對(duì)相似形體的批量創(chuàng)建提供了一種高效便捷的方法。建立的棧橋單元BIM模型如圖3所示。再通過修改棧橋的相關(guān)參數(shù)，即可沿道路中心線批量快速生成全橋模型。

圖3 棧橋單元BIM模型

4 點(diǎn)云與BIM模型整合

建立了BIM模型以后，需要將其與點(diǎn)云整合到一起，此步驟的難點(diǎn)在于導(dǎo)入的點(diǎn)云與模型的空間位置不對(duì)應(yīng)，為了將點(diǎn)云和BIM模型完美融合，就需要將坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的公式如下：

Rz(α)Rz(β)Rz(γ)=

式中，(X,Y,Z)為轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云坐標(biāo)；(x,y,z)為原始點(diǎn)云坐標(biāo)；α、β、γ為旋轉(zhuǎn)參數(shù)；Δx、Δy、Δz為平移參數(shù)。

將坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，即可得到將點(diǎn)云和BIM模型整合到一起。

5 項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)施

5.1 碰撞檢查

與傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)圖紙不同，由現(xiàn)實(shí)捕捉獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)場(chǎng)景的三維可視化數(shù)據(jù)，形象直觀。若點(diǎn)云與BIM模型整合起來仍不易看出是否有碰撞時(shí)，可以進(jìn)一步通過算法提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而擬合生成原有舊橋?qū)嶓w。再將其與新建棧橋的BIM模型相結(jié)合，就能夠很直觀地看出新舊橋之間的相對(duì)位置關(guān)系，進(jìn)而可以檢測(cè)出新舊棧橋之間是否有碰撞的地方，有效避免了傳統(tǒng)方法不直觀的缺點(diǎn)。

5.2 設(shè)計(jì)變更和設(shè)計(jì)優(yōu)化

運(yùn)用BIM技術(shù)，可以不再采用傳統(tǒng)的CAD繪圖模式，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)。由于BIM具有參數(shù)化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員在對(duì)某一參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，模型就能自動(dòng)更新，不需要手動(dòng)重畫，很大程度上提高了工作效率。如設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)橋墩占用了原有道路，修改時(shí)通過調(diào)整橋墩的位置參數(shù)，即可重新生成模型，避免建成后影響道路的正常交通。

5.3 三維可視化技術(shù)交底

由于BIM具有可視化的特點(diǎn)，能將抽象的二維平面圖形轉(zhuǎn)化為直觀的三維立體模型，從而能夠在施工前就預(yù)先看到整個(gè)工程竣工后實(shí)際的效果，形象直觀地體現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖。還可進(jìn)一步通過漫游動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)身臨其境地感受到現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)狀況，以便進(jìn)行三維可視化交底。

6 結(jié)論與展望

本文以某國際機(jī)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)棧橋改造設(shè)計(jì)的項(xiàng)目為例，介紹了BIM和現(xiàn)實(shí)捕捉技術(shù)的應(yīng)用路線。用這兩項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)方法，將虛擬和現(xiàn)實(shí)有機(jī)結(jié)合起來，顯著地提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，在設(shè)計(jì)變更、設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面實(shí)施了動(dòng)態(tài)控制。這在既有建筑的改造設(shè)計(jì)中有一定的應(yīng)用價(jià)值。目前新橋梁的建設(shè)逐漸趨于飽和，今后主要是對(duì)既有橋梁進(jìn)行維護(hù)和改造。未來可以進(jìn)一步完善橋梁參數(shù)化模型的數(shù)據(jù)庫，以便利用BIM強(qiáng)大的參數(shù)化功能，再進(jìn)行類似項(xiàng)目的改造設(shè)計(jì)時(shí)能夠調(diào)用，起到事半功倍的效果。

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