基于BIM的點云技術(shù)在空間結(jié)構(gòu)中的應用分析與研究

摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)建筑的設計與施工技術(shù)難度不斷提高，項目管理難度也隨之增加。以某城市劇院為例，運用點云技術(shù)將現(xiàn)場施工三維掃描模型導入Rhino 6.0，運用Grasshopper軟件與劇院的內(nèi)裝方案模型進行對比，快速檢查與分析碰撞。基于模型復核結(jié)果對BIM模型進行驗證與調(diào)整，逆向調(diào)整劇院內(nèi)部空間內(nèi)裝方案，為劇院BIM模型修改及內(nèi)裝方案設計和聲學效果評估提供理論依據(jù)，以提高劇院項目的管理效率與水平。

關(guān)鍵詞：BIM；點云技術(shù)；空間結(jié)構(gòu)；劇院；項目管理

0 引言

隨著社會經(jīng)濟與科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對大型公共建筑的審美不斷提高，對城市標志性公共建筑的外觀設計提出了更高要求。特別是改革開放以后，我國的公共建筑緊隨世界潮流，許多建筑設計方案采納了國內(nèi)外知名咨詢公司的意見，使得眾多城市涌現(xiàn)出各式造型奇異且結(jié)構(gòu)復雜的城市新地標，這為公共建筑造型與結(jié)構(gòu)的設計提出了諸多難題，同時也對項目的各專業(yè)施工技術(shù)和各單位的協(xié)調(diào)管理水平提出了挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)二維圖樣難以實現(xiàn)對空間結(jié)構(gòu)建筑繪圖的清晰表達及難以滿足復雜結(jié)構(gòu)建筑的施工要求，而BIM技術(shù)憑借其特有的信息化、可視化、模擬化等優(yōu)勢，逐漸在大型復雜結(jié)構(gòu)建筑的設計、施工過程中得到推廣運用^[1-7]。BIM技術(shù)的應用可實現(xiàn)建筑信息的高度集成，特別是在藝術(shù)劇院類建筑的空間結(jié)構(gòu)設計過程中，BIM技術(shù)可使外部造型與內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰呈現(xiàn)在決策者面前，便于業(yè)主對項目全過程的管理。

然而，目前一些項目的BIM模型僅依據(jù)設計院圖樣搭建，而BIM軟件種類較多且存在缺陷，同時現(xiàn)場還需要依據(jù)深化圖樣及經(jīng)驗施工，這就容易造成BIM模型部分節(jié)點展示與實際工藝存在差別及不同專業(yè)之間模型依舊存在碰撞等問題。同時BIM技術(shù)的應用還缺乏實際驗證，而點云技術(shù)的應用可以實現(xiàn)BIM模型與實際施工的協(xié)調(diào)管理，減少設計與施工錯誤。

1 點云技術(shù)的施工管理應用及研究現(xiàn)狀

三維激光掃描技術(shù)應用始于20世紀90年代，主要是測量三維物體的外輪廓^[8]。點云技術(shù)通過三維激光掃描技術(shù)，采用激光測距方式獲取建筑空間信息^[9]，將建筑實物化為具有顏色信息的數(shù)字模型，在施工管理過程中已得到廣泛運用，可為建筑信息化發(fā)展提供了數(shù)據(jù)支撐^[10]。此外，點云技術(shù)可將BIM與實際掃描模型相結(jié)合，提高BIM的準確性與匹配度^[11]，從而為項目后續(xù)的內(nèi)裝施工管理提供模型基礎。

高溪溪等^[12]將三維激光技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合進行研究，結(jié)果表明可在無損技術(shù)下提高古建筑建模精度與BIM項目管理效率。劉金典等^[13]基于BIM的激光掃描技術(shù)提出裝配式建筑的建造管理及質(zhì)量控制方法，實現(xiàn)協(xié)調(diào)管理和施工效率提高。楊昊等^[14]將BIM技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合，通過掃描模型逆向建模，實現(xiàn)對老舊建筑的信息化管理。楊敏等^[15]對某古建筑進行點云技術(shù)應用分析，以提高測繪精度。

目前，點云技術(shù)仍存在缺陷，其對于復雜結(jié)構(gòu)的建筑物的掃描不能完全覆蓋。此外，以上研究著重于將拼接的點云模型導入Auto Recap等BIM軟件，通過BIM與點云模型進行對比，然而對模型比較方法及精度的研究較少，未能將BIM模型與現(xiàn)場施工進行對比，以確認責任來源。此外，以上研究深度還停留在簡單的建筑結(jié)構(gòu)對比水平，未能延伸到內(nèi)裝等其他專業(yè)施工管理方面。

本文以某城市劇院為例，建立多單位組成的BIM項目管理團隊，運用Revit、Rhino 6.0軟件并結(jié)合Grasshopper軟件實現(xiàn)BIM項目管理，運用多方模型對比方法提高模型的精確度，以保證現(xiàn)場內(nèi)裝施工準確性并明確施工問題責任歸屬，為后期同類項目的內(nèi)裝施工及管理提供借鑒。

2 案例項目概況

本項目為某城市劇院項目，屬該城市地標建筑，目前處于主體結(jié)構(gòu)完工狀態(tài)。本項目運用鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設計方法，實現(xiàn)內(nèi)部大跨度和柔性空間劃分。建筑內(nèi)部舞臺區(qū)域包括1個主舞臺，2個側(cè)舞臺及1個后舞臺。其中，主舞臺凈長33m，凈寬24m，上方凈高28m；兩個側(cè)舞臺凈長24m，凈寬16m；后舞臺凈長25m，凈寬18m。舞臺區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)與異形混凝土結(jié)構(gòu)較多，內(nèi)裝需要考慮聲學因素，座位后方及樓座下方區(qū)域空間狹窄，對管線排布要求較大。此外，池座與樓座寬40m，進深約38m，該區(qū)域結(jié)構(gòu)復雜且內(nèi)裝要求高。而內(nèi)裝主要采用預鑄式玻璃纖維加強石膏板（GRG）材料，其中多為曲面造型，以包裹內(nèi)部的異形結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這些因素導致項目設計與施工難度較大，BIM技術(shù)管理和組織管理難度都比較高。

為了提高BIM項目管理效率，首先需要建立以建設單位為核心的BIM管理制度，各參建單位之間的BIM協(xié)調(diào)流程都需以建設單位為樞紐，從而實現(xiàn)建設單位對項目設計、施工質(zhì)量和進度的實時把控和決策。只有實現(xiàn)集權(quán)式管理，才能穩(wěn)定推進項目BIM施工落地，為此，建立一個由多家單位組成的劇院BIM團隊，統(tǒng)一BIM應用標準，由建設單位集中管理來實現(xiàn)項目BIM管理運作。

3 BIM項目管理應用流程

3.1 創(chuàng)建并復核BIM模型

首先由建設單位確認所有圖樣版本一致，BIM團隊依據(jù)制定的BIM標準和施工圖樣，運用Revit軟件搭建BIM。隨后，結(jié)合施工單位鋼結(jié)構(gòu)深化圖樣進行模型深化，從而確保BIM與最終施工圖樣一致。為了進一步提高BIM的模型準確性，經(jīng)安排后，與各專業(yè)施工單位在Fuzor漫游中共同復核BIM的完整性與正確性，以減少施工差錯。

目前主流BIM軟件對結(jié)構(gòu)構(gòu)件搭接處的處理存在缺陷，需要對模型進行深化處理。現(xiàn)場施工與BIM模型對比圖如圖1所示，圖樣對構(gòu)件細節(jié)處的表達不全，與現(xiàn)場施工結(jié)果存在差別，導致BIM不能完全表達現(xiàn)場效果，需要對模型進行修復。此流程為BIM項目管理的基礎性工作，模型的復核深度決定了后期圖樣修改的完整程度。只有保證模型的正確性，才能減少后期內(nèi)裝圖樣設計與結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞的概率。

3.2 點云模型與施工圖樣復核

在BIM完整性與正確性復核完成后，將圖樣和點云模型同時導入Rhino 6.0軟件，再對點云模型與圖樣進行初步復核。點云模型與圖樣對比圖如圖2所示。從圖2的復核結(jié)果可以看出，點云模型中的輪廓與項目的建筑結(jié)構(gòu)圖樣基本一致，可為下一步點云模型與BIM復核的準確性提供了保證。

將現(xiàn)場施工成果以三維信息方式導入BIM軟件，也是對施工單位施工準確性的一種檢驗。點云模型的完整性是BIM項目管理的重要基礎之一。

3.3 點云模型與BIM復核

之前BIM的復核保證了結(jié)構(gòu)的完整度，但是正確性的校驗，還需與點云模型進行復核才能完成，這也是檢驗BIM項目管理的重要手段。由于空間結(jié)構(gòu)曲面較多且項目較大，點云模型與BIM重疊之后對比分析較為復雜，傳統(tǒng)對比方法需要在軟件中運用各方向空間剖切，難以做到內(nèi)部細致對比。基于此，運用編程語言與BIM軟件相結(jié)合的方式，實現(xiàn)軟件中模型X向和Y向自動逐幀對比。此方法極大地降低了對比難度，提高了對比精度，還縮短了對比時間，提高了BIM項目管理的效率。

首先將Rvt格式的BIM導出成fbx網(wǎng)格文件，同時導出BIM的軸網(wǎng)為dwg文件。將fbx和dwg兩種格式的文件分別導入Rhino，同時保持位置不變，將導入的fbx模型進行join合并。隨后，將掃描的點云模型導入Rhino軟件，根據(jù)原點與軸網(wǎng)的位置關(guān)系挪動點云模型，將點云模型與導入的fbx模型對準。插件Grasshopper界面如圖3所示。

在Rhino 6.0及軟件Grasshopper中，通過C#組件調(diào)用Rhino的_ClippingPlane函數(shù)編寫剖析程序，可以將程序中的每一幀模型對比圖導出為分析視頻，ClippingPlane函數(shù)編寫剖析程序如圖4所示。

點云模型與BIM模型X向逐幀對比圖如圖5所示。此方法可以實現(xiàn)X方向和Y方向的剖面框逐幀移動，依據(jù)逐幀的剖切面顏色差異分析模型的不一致部位。此種方法可以精確分析BIM模型與點云模型的偏差，空間結(jié)構(gòu)中眾多的異型構(gòu)件的偏差值都能夠一目了然。

從圖5中可以清晰看出BIM模型中的構(gòu)件與點云模型中的基本一致。與以往操作方式對比可以發(fā)現(xiàn)，該方法可以將對比時間減少50%，而問題發(fā)現(xiàn)數(shù)量可以提高約20%，極大地提高BIM管理效率。

隨后，將點云模型與內(nèi)裝方案模型同時導入rhino 6.0軟件進行對比（圖6），結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分墻體與內(nèi)裝方案模型色差較為明顯，這表明內(nèi)裝圖樣與現(xiàn)場實際模型有碰撞。然而，再將BIM與內(nèi)裝模型進行對比，發(fā)現(xiàn)此處并沒有發(fā)生碰撞，從而可以確認此處碰撞的責任來源。根據(jù)現(xiàn)場的實際測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)墻體在施工過程中存在少許偏差。該施工偏差雖然符合規(guī)范，但是對內(nèi)裝圖樣設計會產(chǎn)生較大影響。

依據(jù)BIM項目管理原則，內(nèi)裝圖樣還需要依據(jù)現(xiàn)場施工成果進行調(diào)整，因此需要先根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果調(diào)整BIM技術(shù)構(gòu)建的模型，然后將模型鏈接至內(nèi)裝模型，再對內(nèi)裝模型中的曲線進行微調(diào)，并考慮內(nèi)裝的美觀、聲學效果等因素修改內(nèi)裝圖樣。以上多家單位之間的協(xié)作都依賴于BIM團隊，以促進項目的順利進行。

4 BIM應用及管理問題分析及對策

雖然BIM技術(shù)與點云技術(shù)的運用在整個項目管理中發(fā)揮了重要作用，但是仍存在以下不足，并提出相應的解決措施。

4.1 BIM應用設備存在不足

將拼接完整的點云模型導入BIM軟件，部分點云數(shù)據(jù)存在缺失，導致點云模型呈現(xiàn)圖像清晰度不夠。當點云模型與其他模型進行對比時，無法辨別模型碰撞的尺寸及區(qū)域面積，而這些對BIM項目管理的效果發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

這需要提高現(xiàn)場技術(shù)人員三維激光掃描技術(shù)，更新設備功能，并對測量設備的布設進行整體調(diào)整，完善點云模型，從而保證BIM項目管理的順利實施。

4.2 項目施工管理存在不足

在點云模型與BIM對比過程中發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)梁搭接處、墻體等位置模型存在發(fā)生碰撞等問題，點云模型色塊凸出BIM表皮。由于部分剪力墻體呈曲面，施工過程中墻體澆筑曲率與設計圖樣存在誤差，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)項目施工結(jié)果偏出設計圖中曲線外約10cm，這將對后期內(nèi)裝設計產(chǎn)生很大影響。

因此，在施工前及其過程中，各方應利用BIM軟件對圖樣消化吸收，確保做到對各種結(jié)構(gòu)尺寸更加精細控制。此外，一旦在模型對比過程中發(fā)現(xiàn)問題，應明確問題來源和落實責任方，及時修正BIM軟件構(gòu)建的模型。這可以為內(nèi)裝圖樣變更及模型修改提供依據(jù)，做到事前控制，避免后期變更影響劇院內(nèi)部聲學及內(nèi)裝視覺效果，從而提高整體BIM管理水平。

4.3 BIM軟件及運用能力存在不足

目前，BIM軟件對于構(gòu)件細節(jié)的處理功能還有待完善，尤其是空間結(jié)構(gòu)項目中曲線結(jié)構(gòu)梁較多，搭接處無法做到自動深化處理，導致模型未能表達現(xiàn)場實際效果，與點云模型存在多處不一致。此外，劇院項目作為特殊用途、對內(nèi)裝要求較高的項目，樓座處結(jié)構(gòu)梁搭接較多的地方需要逐一深化，以保證BIM和現(xiàn)場一致。

因此，為了提高模型質(zhì)量，應提高BIM技術(shù)人員的軟件運用能力和協(xié)調(diào)能力，能夠跟蹤現(xiàn)場施工并對圖樣設計意圖充分了解。BIM存在多處需要糾偏的地方，這就需要BIM技術(shù)人員能夠?qū)κ┕すに囉凶銐虻恼莆眨苊饽Ｐ团c實際不一致。若不能提高人員的軟件應用能力，則BIM項目管理無從談起。

4.4 BIM協(xié)調(diào)管理存在不足

由于本項目建筑面積大、建設周期長，且項目建設不同階段間隔時間長，不同參建單位介入時間存在差異，不同單位收到的圖樣版本有所差異。在項目施工圖設計階段，圖樣問題、方案變更等因素導致變更較多，但是不同單位接收到的變更圖樣可能有差異、模型搭建有差異，以及內(nèi)裝圖樣并未隨之同步，這會導致BIM中的建筑結(jié)構(gòu)變更未同步于內(nèi)裝圖。此外，若變更圖樣落后于施工進度，則現(xiàn)場施工未變更而BIM已經(jīng)調(diào)整的情況會發(fā)生。這些因素易導致各參建單位的項目成果不一致。

因此，要強化BIM管理機制，搭建溝通平臺，團隊做好對圖樣的收發(fā)工作，敦促各單位緊密協(xié)作，以發(fā)揮BIM項目管理應有效果，確保圖樣與現(xiàn)場更新進度一致。

5 結(jié)語

隨著我國城市化進程的加速，人們對藝術(shù)文化的需求會得到進一步激發(fā)，未來空間結(jié)構(gòu)建筑等大型建筑物會逐漸增多，項目管理難度也會越來越大。本文以某城市劇院項目為例，將點云技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合，運用revit、Rhino等軟件及通過C#組件調(diào)用Rhino的_ClippingPlane函數(shù)編寫剖析程序，將BIM模型、點云模型、內(nèi)裝模型進行相互對比檢查和碰撞分析，并依據(jù)碰撞結(jié)果逆向調(diào)整BIM模型，為內(nèi)裝設計調(diào)整提供理論依據(jù)，以提高現(xiàn)場管理效率。

通過分析可以看出，采用以上方法既提高了項目施工效率，又保證了內(nèi)裝模型精度，可為未來類似項目設計與施工工作中的協(xié)調(diào)、管理提供參考。

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收稿日期：2024-06-25

作者簡介：

王勇（通信作者）（1992—），男，工程師，研究方向：BIM項目管理。

陳小泉（1992—），男，工程師，研究方向：BIM項目管理。

劉瑩（1989—），女，工程師，研究方向：BIM項目管理。