基于三維激光掃描技術(shù)的地下工程維護(hù)管理BIM模型研究

苗亞哲，李勝波，鄧安仲

(1.中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系， 重慶 401331；2.中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 國家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心， 重慶 401331)

地下工程的維護(hù)管理，是指為了使地下工程始終處于良好的戰(zhàn)備狀態(tài)而對(duì)地下工程口部、內(nèi)部設(shè)施、構(gòu)件、設(shè)備、系統(tǒng)、管線、門扇和管理區(qū)內(nèi)的附屬配套設(shè)施等進(jìn)行的維護(hù)工作，是國防工程管理的重要組成部分[1]。地下工程維護(hù)管理的成效直接影響到國防安全建設(shè)。當(dāng)前，地下工程維護(hù)管理工作中還存在一系列問題，如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料不夠齊全，內(nèi)部管網(wǎng)設(shè)施設(shè)備復(fù)雜，歷次維護(hù)升級(jí)改造造成竣工圖紙不夠準(zhǔn)確，口部、系統(tǒng)、重要儲(chǔ)存空間等關(guān)鍵部位實(shí)時(shí)監(jiān)控手段落后，緊急情況處理流程不夠優(yōu)化等等。因此，探索如何利用信息化技術(shù)手段，提高地下工程維護(hù)管理水平，對(duì)于加強(qiáng)應(yīng)急保障能力建設(shè)，提升緊急狀況處置效率，有著重要的實(shí)際應(yīng)用意義。

1 BIM在地下工程維護(hù)管理中的應(yīng)用分析

近年來，BIM(Building Information Modeling)作為一種基于三維數(shù)字模型的建設(shè)工程及設(shè)施全壽命周期管理技術(shù)應(yīng)用，開始廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，我國BIM技術(shù)正處于快速發(fā)展與深度應(yīng)用階段。尤其是近年來BIM與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、GIS、VR等技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，使得BIM技術(shù)有著更為廣闊的發(fā)展空間[2]。其中三維激光掃描技術(shù)，也與BIM技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛的應(yīng)用，主要包括：工程項(xiàng)目施工過程優(yōu)化、工程質(zhì)量檢測與驗(yàn)收、建筑物改造、變形監(jiān)測以及工業(yè)化精裝修等。例如在佘山深坑酒店項(xiàng)目施工中，在崖壁爆破方案選擇、混凝土泵送及大體積混凝土回填方案選取等方面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用[3]，在上海中心大廈外幕墻工程中，在幕墻設(shè)計(jì)、構(gòu)件加工、鋼結(jié)構(gòu)施工等方面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用[4-5],在錦屏電站4號(hào)引水隧洞施工中，通過分析鉆爆開挖斷面控制情況、監(jiān)測圍巖表面的變形，起到了監(jiān)控量測的作用[6]。

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)與BIM的結(jié)合的實(shí)際應(yīng)用成果顯著提升了工程建設(shè)領(lǐng)域的信息化水平，但是相對(duì)BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工階段的運(yùn)用，在運(yùn)維管理階段的應(yīng)用研究仍然相對(duì)較少，國內(nèi)國外對(duì)此的關(guān)注也都尚處于起步階段[7-10]。本文在充分考慮兩者結(jié)合應(yīng)用的前提下，提出了基于BIM技術(shù)的地下工程維護(hù)管理系統(tǒng)的理論框架，建立基于三維掃描技術(shù)與BIM的快速運(yùn)營維護(hù)管理平臺(tái)架構(gòu)，整理地下工程維護(hù)管理所需的三維信息，旨在探索將兩種技術(shù)結(jié)合使用在地下工程維護(hù)管理中的應(yīng)用模式和實(shí)現(xiàn)途徑，為信息化、精細(xì)化、高效化、全過程的地下工程維護(hù)管理研究提供思路。

2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)主要利用激光測距的原理，可以快速獲取目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有采集范圍廣、工作速度快、數(shù)據(jù)精度高等特點(diǎn)，通過記錄被測物體表面目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)幾何信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)的精簡優(yōu)化處理，快速復(fù)建出原始物體的立體三維模型。

根據(jù)三維激光掃描設(shè)備的測距原理，一般可分為基于脈沖信號(hào)、基于相位差和基于光學(xué)三角測量等三種方式[11]。

1) 基于脈沖信號(hào)測距。向目標(biāo)物體發(fā)射連續(xù)激光脈沖信號(hào)，記錄反射回來信號(hào)的時(shí)間值，通過兩個(gè)時(shí)間的差值數(shù)據(jù)間接計(jì)算與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離S。設(shè)測量距離為c，光速為，激光信號(hào)往返發(fā)射器與目標(biāo)物之間的時(shí)間差值為Δt，則有：

(1)

2) 基于相位差測距。該方法利用光學(xué)干涉原理進(jìn)行距離測量，已知調(diào)制反射激光束的幅度及調(diào)制光波長，設(shè)置脈沖的頻率為f，同時(shí)測定該調(diào)制光往返發(fā)射位置與目標(biāo)接受位置所產(chǎn)生的相位延遲φ，利用該相位延遲求算兩點(diǎn)之間距離，其距離關(guān)系為

(2)

3) 基于光學(xué)三角測量原理。其主要原理是利用結(jié)構(gòu)化光源通過發(fā)射器按照一定的角度向目標(biāo)物體發(fā)射紅外光束，被CCD檢測器檢測信號(hào)后計(jì)算距離[12]。此時(shí)光敏件獲得一個(gè)偏移值δ，設(shè)發(fā)射角度為θ，物距、像距分別為l1、l2，以及光敏件與成像透鏡主光軸之間的夾角φ，再利用l1、l2及θ由三角函數(shù)關(guān)系運(yùn)算即可計(jì)算求出待測距離S，其中三角成像需解算的物象關(guān)系為

(3)

綜合以上三種方法，第一種基于脈沖測距的設(shè)備受光線影響較小，精度主要由Δt的判斷決定，測距較遠(yuǎn)但是測量精度相對(duì)較低；基于脈沖測距原理的設(shè)備掃描速度快，范圍小，受光線影響大，但是精度高；基于光學(xué)三角測量原理的設(shè)備由于其光源與成像透鏡基線較短，所以決定了其測距較短，適合于近距離測量。通過表1的分析比較，結(jié)合地下工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)施設(shè)備種類較多，掃描距離較為適中的實(shí)際特點(diǎn)，因此基于相位差測距原理的三維激光掃描設(shè)備相對(duì)更適合地下工程的三維激光掃描作業(yè)。

3 地下工程維護(hù)管理BIM模型

既有建筑的建筑信息模型創(chuàng)建技術(shù)是基于BIM技術(shù)維護(hù)管理應(yīng)用的關(guān)鍵，利用三維激光掃描技術(shù)在完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集作業(yè)后，利用BIM軟件快速建立三維模型，并添加有關(guān)維護(hù)信息，最終完成一體化維護(hù)管理平臺(tái)的搭建，其技術(shù)路線如圖1所示。

表1 三種激光掃描方法對(duì)比分析

3.1 BIM模型重建及模型架構(gòu)

1) 三維激光掃描方案。根據(jù)目標(biāo)物的環(huán)境周邊情況，合理考慮測點(diǎn)布置，保證所有需掃描范圍都可以做到精確覆蓋，以獲取掃描對(duì)象的完整外形特征、空間位置等信息，良好的前期數(shù)據(jù)掃描可以大大減少數(shù)據(jù)預(yù)處理階段的工作量，在激光掃描作業(yè)的同時(shí)，依靠系統(tǒng)一體化集成的導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取位置信息，依靠系統(tǒng)集成的CCD相機(jī)同步獲取掃描對(duì)象的紋理信息。

2) 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理的結(jié)果影響后期建模的精確度、復(fù)雜度和建模效率。該過程包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪優(yōu)化和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)等內(nèi)容，要求在在保留建筑表面幾何特征的基礎(chǔ)上精簡數(shù)據(jù)。根據(jù)噪聲點(diǎn)云空間的分布情況進(jìn)行去噪處理，對(duì)于其中超出掃描范圍及明顯遠(yuǎn)離預(yù)定目標(biāo)區(qū)域的冗余噪聲，可以直接借助設(shè)備配套的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期處理軟件通過可視化交互方式直接刪除。與正確點(diǎn)云混雜在一起的噪聲點(diǎn)可通過點(diǎn)云去噪算法剔除[13]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)即找到兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要分為兩個(gè)步驟，首先尋找對(duì)應(yīng)關(guān)系，其次求算兩者之間變換參數(shù)。由于在各處獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)均有其獨(dú)立坐標(biāo)系，該過程就是將各個(gè)位置的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在同一坐標(biāo)系下處理。配準(zhǔn)過程中用到的基本公式如下:

(4)

(5)

式(4)中，(X,Y,Z)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸為統(tǒng)一坐標(biāo)系后的坐標(biāo)，(x,y,z)為點(diǎn)云初始掃描位置處坐標(biāo)，α、β、γ為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，(Δx,Δy,Δz)為平移參數(shù)。

3) 創(chuàng)建三維模型及屬性信息定義。作為地下工程維護(hù)管理信息模型重建的關(guān)鍵一步，當(dāng)前三維激光掃描設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)已經(jīng)可以被多種后期建模軟件識(shí)別，將經(jīng)過預(yù)處理的rcs或rcp格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM建模軟件Revit中，首先創(chuàng)造模型標(biāo)高，隨后根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合生成建筑的主體結(jié)構(gòu)，包括柱、梁、樓板、墻體等結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)構(gòu)造物及設(shè)備參數(shù)信息，結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)描繪出的外形輪廓線確定尺寸信息，并創(chuàng)建防護(hù)門窗、機(jī)電設(shè)備、管線等部位的Revit族文件，從而完成三維模型創(chuàng)建。

BIM技術(shù)最重要的功能之一體現(xiàn)在其對(duì)構(gòu)件屬性信息的定義上，各類設(shè)備參數(shù)信息繁多雜亂，在BIM模型優(yōu)越的可視化空間展現(xiàn)能力基礎(chǔ)上，將工程維護(hù)階段所需的各種機(jī)電設(shè)備參數(shù)進(jìn)行一體化整合[14]，將地下工程各個(gè)構(gòu)件的尺寸、位置、顏色、材料、作業(yè)時(shí)間等所有信息都作為該構(gòu)件的屬性信息關(guān)聯(lián)至該構(gòu)件三維模型中，如圖2所示，其屬性信息一般包括其外形尺寸、材質(zhì)、生產(chǎn)安裝時(shí)間、類型型號(hào)、生產(chǎn)廠家、防火等級(jí)、維修記錄等內(nèi)容。

3.2 構(gòu)建一體化維護(hù)管理平臺(tái)

完善精確的三維數(shù)據(jù)為地下工程維護(hù)管理提供了模型基礎(chǔ)，根據(jù)地下工程維護(hù)管理的實(shí)踐需要，對(duì)三維圖形信息、屬性信息進(jìn)行集中整合，通過后期對(duì)數(shù)據(jù)的不斷完善，實(shí)時(shí)更新維護(hù)計(jì)劃，記錄維護(hù)狀況，達(dá)到維護(hù)管理的目標(biāo)。該地下工程維護(hù)管理平臺(tái)可以利用Autodesk Revit軟件提供的API接口，利用C#編程語言在基于.NET開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行二次開發(fā)，如圖3所示，整體的系統(tǒng)平臺(tái)分為三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，分別是提供地下工程基礎(chǔ)空間圖形的數(shù)據(jù)庫層，支撐系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的功能層和面向維護(hù)管理工作人員實(shí)現(xiàn)功能應(yīng)用的操作層。

數(shù)據(jù)服務(wù)層，利用SQL server或Oracle等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)存儲(chǔ)BIM模型信息，包括已有的地下工程構(gòu)筑物的靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)及后期更新補(bǔ)充的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。BIM模型屬性信息的保存與交換是基于IFC(Industry Foundation Classes)工業(yè)基礎(chǔ)類定義，因此需要在此基礎(chǔ)上建立關(guān)系型數(shù)據(jù)與BIM模型之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)信息存儲(chǔ)管理。

功能接口層，根據(jù)地下工程維護(hù)管理所涉及的功能和目標(biāo)需求建立起的框架層。通過對(duì)數(shù)據(jù)庫層信息的提取、保存、集成、分析等方式實(shí)現(xiàn)可視化圖形展示、維護(hù)信息查詢、維修計(jì)劃管理等方面功能，功能層是整個(gè)平臺(tái)架構(gòu)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，借助BIM模型顯示前端Revit的3D可視化仿真功能，通過自身提供的API接口與數(shù)據(jù)層連接，實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)讀取及顯示控制的功能。

操作應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)為維護(hù)管理人員提供需要的維護(hù)計(jì)劃信息服務(wù)，并利用監(jiān)控手段進(jìn)行項(xiàng)目整體瀏覽，在用戶界面上實(shí)現(xiàn)地下工程的計(jì)劃維護(hù)管理，構(gòu)筑物的檢測維護(hù)管理，結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，故障報(bào)修預(yù)警管理等目標(biāo)。

4 基于BIM技術(shù)地下工程維護(hù)管理平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

IFMA(International Facility Management Association，國際設(shè)施管理協(xié)會(huì))對(duì)建筑維護(hù)管理的定義是運(yùn)用多學(xué)科專業(yè)，集成人、場地、流程和技術(shù)確保樓宇良好運(yùn)行的活動(dòng)。基于BIM的建筑維護(hù)功能主要體現(xiàn)對(duì)內(nèi)部空間、公共資產(chǎn)、公共安全、整體能耗以及維修維護(hù)的管理上[15]。在結(jié)合地下工程保障的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，地下工程維護(hù)管理平臺(tái)功能設(shè)計(jì)如圖4所示，主要包括以下內(nèi)容。

1) 空間可視化查詢與實(shí)時(shí)監(jiān)測。在BIM技術(shù)支持下，維護(hù)人員在3D視圖模式下對(duì)空間進(jìn)行整體規(guī)劃利用，對(duì)設(shè)施設(shè)備所設(shè)置場所位置進(jìn)行合理布局安排。BIM技術(shù)的應(yīng)用可以同時(shí)做到空間三維全過程管理，實(shí)時(shí)掌握地下工程內(nèi)部的利用狀況，同時(shí)還可以依托管理平臺(tái)建立起數(shù)據(jù)采集→耗能分析→調(diào)控預(yù)警的能耗檢測監(jiān)督流程。通過實(shí)時(shí)采集各部位能耗情況，檢測重要部位空氣溫度、濕度、有害氣體含量等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。

2) 設(shè)施設(shè)備計(jì)劃管理。通過BIM維護(hù)管理平臺(tái)整合地下工程模型及基礎(chǔ)信息，對(duì)地下工程內(nèi)部各類通風(fēng)空調(diào)、給排水管線等設(shè)施設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，對(duì)重要設(shè)施設(shè)備的適用狀態(tài)提前進(jìn)行預(yù)判。在地下工程維護(hù)管理規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，制訂周期檢查保養(yǎng)計(jì)劃及小修、中修和大修計(jì)劃，并自動(dòng)根據(jù)歷史維護(hù)記錄和保養(yǎng)計(jì)劃，提示到期需要進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)的設(shè)施設(shè)備，在維修后采集或錄入維修信息，在模型中記錄維修結(jié)果，實(shí)現(xiàn)過程化管理。

3) 重點(diǎn)部位檢測維護(hù)。在維護(hù)過程中依據(jù)規(guī)定的維護(hù)周期對(duì)主體結(jié)構(gòu)等重要構(gòu)造部位制訂檢測計(jì)劃，針對(duì)在地下工程建設(shè)中可能存在的一些質(zhì)量缺陷或者使用過程中因環(huán)境變遷導(dǎo)致的部分構(gòu)造部位老化腐蝕、長期風(fēng)雨雪或設(shè)備震動(dòng)等荷載帶來的影響、地基沉降引起的結(jié)構(gòu)變化等，利用傳感技術(shù)實(shí)時(shí)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸返回BIM模型中，在維護(hù)平臺(tái)中對(duì)異常部位進(jìn)行定位，做到及時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)并及時(shí)合理修復(fù)。

4) 應(yīng)急保障管理。在緊急事件發(fā)生時(shí)，維護(hù)人員可以依托BIM維護(hù)管理平臺(tái)定位和識(shí)別潛在的突發(fā)事件，并且通過人機(jī)交互管理平臺(tái)界面快速、準(zhǔn)確確定危險(xiǎn)發(fā)生位置，評(píng)估突發(fā)事件導(dǎo)致的損失，輔助制定應(yīng)急保障決策。在平時(shí)還可以依靠BIM模型制定各類應(yīng)急決策預(yù)案，進(jìn)行緊急狀態(tài)下地下工程保障過程模擬，不斷優(yōu)化應(yīng)急事件的處置流程。

5 結(jié)論

基于三維激光掃描技術(shù)可以高精度、高效率的完成建立BIM模型所需點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、處理過程，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹IM建模軟件。通過關(guān)聯(lián)屬性信息建立起地下工程BIM模型，搭建一體化維護(hù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)維護(hù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集成化管理和地下工程的信息化維護(hù)目標(biāo)。但是也要看到，基于BIM技術(shù)的維護(hù)管理階段的應(yīng)用尚處起步探索階段，與其他先進(jìn)技術(shù)方法特別是與RFID技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、建筑智能化等先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步整合還有著巨大的開發(fā)空間與發(fā)展?jié)摿?，本文研究能為?shí)時(shí)化、集約化、信息化地下工程維護(hù)管理提供新的思路與方法。

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