BIM与三维激光交互在文物与工程冲突时的应用

2016-09-14王飞，郑惊

四川建筑 2016年4期

关键词：古城墙扫描仪城墙

王　飞，郑　惊

(重庆高科集团有限公司，重庆 401121)

BIM与三维激光交互在文物与工程冲突时的应用

王飞，郑惊

(重庆高科集团有限公司，重庆 401121)

城市建设施工与古建筑保护二者之间历来存在着难以协调的矛盾，而城市建设又是势在必行。客观地说，这个问题是当前我国许多城市在建设施工中都会遇到的问题。文章介绍了BIM与三维激光扫描交互在重庆来福士广场项目宋代古城墙保护中的应用，为解决古建筑与新建工程的冲突寻求一条新途径，为类似的工程提供参考。

BIM；三维激光扫描技术；古城墙测绘；点云配准

在施工现场发现文物及古建筑群，对于施工的连续性是个很大的难题。利用三维激光扫描技术对深基坑内城墙(保护文物)的位置和尺寸进行精确测量，将数据结合项目BIM模型点云配准，提前发现城墙与结构冲突区域，并提出修改意见，为施工场内存在文物时的不间断施工提供可能性。

1　工程概况

重庆来福士广场项目位于长江嘉陵江两江交汇的朝天门，是一个集住宅、办公楼、商场、服务公寓、酒店、餐饮会所为一体的城市综合体。包括整体3层地下室、6层裙房(南侧局部5层)、8个塔楼及连接其中4个塔楼的观景天桥组。

在来福士广场项目施工过程中，于项目西北侧发现古城墙遗址，立即停止该位置的施工，将现场保护起来，等待市文化遗产研究院的考察。

重庆历史上有4阶段筑城，其中最为有名的是南宋时期彭大雅所筑的重庆城，在彭大雅“不把人当人看，不把钱当钱看”的筑城思路下，冒着战火修筑而成的牢固宋代城墙，挡住了蒙古铁骑数十年的进攻。数百年岁月过去，当时牢不可破的宋代城墙一度消失在了历史的车轮下，让人无处寻踪。在考古专家坚持试掘过程中，主城首段宋代古城墙的遗址现身朝天门的嘉陵江边。

在试掘现场，不仅发现了明代戴鼎所筑的明城墙，还首次发现了南宋时期彭大雅所筑的宋城墙。宋代城墙的墙宽约10 m，采用的是内部夯土夯筑，外部包裹巨石的方式砌筑而成。在宋代城墙之外，明代城墙紧贴而筑，明代城墙比宋代城墙更高更宽，它完全将宋代城墙包裹在了自己的“身体”之中。

古城墙其中一段穿过本项目深基坑，与地下室结构产生了冲突。经考古专家分析研究确定，此段古城墙不能拆除，应保护起来。考虑到古城墙建筑的文化重要性，在地下室施工过程中如何保护古城墙的完整性，是必须解决的问题。为解决这一难题，决定运用BIM与三维激光扫描技术建立地下室结构与古城墙的综合模型，对比其冲突关系，从而找到合理的施工方案。

2　BIM与三维激光扫描技术应用

传统的测量方法一般是在古建筑外部搭设脚手架，然后利用皮尺、纸笔、经纬仪、水准仪等工具来进行古建筑测绘工作。由于这种方法工作量巨大，不便于精确细致的测绘古建筑的每个细节部分，而且效率较低，采集的数据精度低，并不能精确、直观反映出古城墙和地下室结构的关系，这给施工方制定施工方案带来了很大的困难。

于是项目部决定运用BIM和三维激光扫描仪对现场进行逆向建模分析，利用三维激光扫描仪对物体进行非接触式测量，得到三维点云数据。点云数据是一种可以精确表达物体表面三维特性和物体空间位置的集合文件。通过点云数据建立新的BIM模型，配准到原施工建筑模型，对比冲突区域，找到合理的施工方案。

3　BIM与三维激光扫描技术应用流程

3.1现场实地踏勘

扫描前到现场进行实地踏勘，踏勘过程中查看已有控制点的位置(图1)。根据古城墙的空间分布和形态，为确保扫描精度，需要两个站点进行扫描，扫描站点位置如图2～图4所示。

图1　已有控制点的位置

图2　测站点位置1站点

图3　测站点位置2站点

图4　测站点位置

3.2获取点云数据

根据实地勘察结果，在选好的位置架设扫描仪、布置标靶等，设定扫描仪的各项参数进行扫描。选用天宝公司的三维激光扫描仪进行数据获取。三维激光扫描仪精度较高，测速快、稳定性好，它完成一个全景(360°水平)的高精度扫描,激光安全等级高，能够满足应用要求[1]。对应扫描对象，设置可控制整体场景的标靶，在360°环境使用1个标靶，然后分别在两站对古城墙像进行三维激光扫描。

3.3数据处理与点云配准

把三维激光扫描仪扫描的数据导入电脑，当建筑物数字化为大量离散的空间点云数据后，在此基础上来构造建筑物的三维模型。通过该点云模型提取建筑物边界点、特征线、高度等信息，为三维建模提供精确的几何信息[2]，如图5～图7所示。采用Revit Architecture进行建模，再通过模型配准点云，查看建模是否准确。通过得出的精确模型，结合现场施工情况，重新制定合理的施工方案，在避免破坏文物的同时不耽误现场施工。

图5　三维激光扫描仪图片

图6　BIM环境下的古城及现场模型

图7　点云和BIM配准模型

4　提出结构修改方案

通过已有模型数据分析，为了不破坏古城墙遗址，建议业主修改结构，具体结构方案如图8所示。

图8　结构修改方案

5　结束语

现阶段，随着城市建设的快速发展，旧城改造的步伐也越来越快，在旧建筑物拆除的基础上新建的工程也越来越多，很有可能会碰到拟建建筑物旁边有需要保护的古建筑的情况。本工程在古建筑物的保护措施中，既有设计阶段采取的措施，也有施工、监测所采取的措施，可供类似工程参考。

施工工程中，很难在各个不同的项目组之间以及复杂的全工程范围内进行沟通交流。建筑信息模型(BIM)技术目前在3D建筑模型中能够被赋予诸如进度、投资等信息，形成4D乃至5D的BIM模型，使得建筑图纸更加直观，对于各个项目组之间的协调工作特别关键。但是在工程实施阶段，如何能够将BIM模型应用于现场管理和推进，就需要有效的手段作为辅助。基于此背景，采用三维扫描技术作为有效连接BIM模型和工程现场的纽带，它能够有效地、完整地记录下工程现场复杂的情况。

5.1扫描技术的优点

扫描技术对于工程现场最大的好处在于优化现场人员主要以钢尺、传统图纸作业这种繁琐的工作方式。

(1)精简现场工作只需在现场进行扫描工作，对比偏差与测量工作可在后台完成。

(2)方便监理人员在现场的测量复核工作，可利用像素测量、点云测量技术完成一些费力、高危险部位的测量复核。

(3)减少监理人员的监督工作量，可以直接在图像上标示，而无需再进行纸上记录；也可直接得到扫描结果与设计模型的偏差，而无需先测量、后对照图纸、最后确认偏差。

(4)完善各方人员的沟通，可以直接利用直观的图像、视频甚至转换后的模型与施工方进行沟通。

5.2扫描技术存在的问题及改进

作为新技术，三维激光扫描仪也存在很多问题，比如如何全面检验和评价三维激光扫描仪测量精度，软件对海量数据的处理速度较慢，对作业人员要求较高及设备费用太高等。

三维激光扫描仪今后的研究和发展应该主要体现在以下三个方面：

(1)进一步改进硬件，使激光扫描仪有更高的测量精度、更快采样速度以及低廉的价格，同时还具备全站仪的部分功能(如整平、定向、单次测量等)，使其能在精密工程测量和工业测量中得到广泛应用；

(2)与其他传感器集成，如与摄影测量/CCD的集成，与动态测量车的集成等，相互利用其优势，扩展应用领域，提高工作效率；

(3)进一步完善和开发后处理软件，使处理的数据量更大、数据处理的速度更快，软件操作更容易。