基于三维激光扫描重建商业BIM模型

王宁,杜鑫鑫,房维,李晓凤,汪晓龙,侯佳丽

【摘要】基于现在结构施工精确度与装饰装修施工精确度要求不一，装饰装修要求比较高。再加上商业的轴线并非像住宅一样正南正北，一定夹角。且现在大商业建造过程中工期节点紧迫，设计单位和各深化单位无法详尽阐述自己需求，后期提供的需求可能会导致结构与建筑变更、按照二维CAD图纸进行构件加工将造成材料浪费。

【关键词】三维激光扫描；BIM；模型重建；构件；二维图纸

引言

当前，房产商希望加快资金的流动。对工期和质量都有着较高的要求。不断压缩工期，设计院无法多次核对设计图纸。加之大商业施工过程中建筑结构多次变更，使得建筑结构变更很多。为保证装修的各类配件按现场尺寸加工，特采用三维激光扫描重建商业模型。

1三维激光技术的概述

1.1三维激光采集技术概述

20世纪末，真正意义的站式三维激光扫描仪才正式出现，但激光测距技术其实早已应用在实际工程中了。自20世纪末，激光测量技术取得了较大的发展，由一维测距向二维、三维测距发展，并不断突破技术限制，取得了较大进步。直到1999，瑞士徕卡推出了全球首台可在一秒钟内采集1000个点的三维激光扫描仪 Cyrax2500，轰动业界，迅速引起了测量领域的关注，并在短时间内推广到全世界各个领域。[1]

三维扫描仪器技术逐步登上社会这个大舞台，主要还是因为全站仪为其提供了理论的基础。全站仪的高度自动化和批量化，在提高测绘工作的效率的同时还保证了测量的精确度。三维扫仪器设备的出现，是为了解决每次全站仪在测量单个点时，反馈给设备记录，如此反复耗时很长，效率低下。因此一台三维扫描仪器应运而生。因为三维扫描仪器设备测量时转化时不仅仅可以将单个点的信息转化传导，还可以将物体的整个面的信息转化，从而实现高度自动化的测量。因此我们常常称三维扫描仪为全站仪系统的进化版本。

1.2三维激光扫描的工作原理

扫描设备的内部由三个组件组成。包括激光扫面的组件，自动控制的组件和激光测距的组件。不同品牌的扫描仪的工作的原理也是不一样的。

激光测距系统

扫描仪的激光测距部件和常规电子测绘仪器类似，测距的原理通常有：脉冲法测距、相位法测距、激光三角法三种。

脉冲测距法：

扫描设备可以发出红外信号，经过反射设备反射后射向被测量的物体。然后设备会将从被处理物体反射回来的光信号收集。通过计算光信号的发射出去的时间和接受的时间间隔来计算距离。所以，假设光速是c，脉冲信号往返的时间差是△t，根据公式（2.1）计算距 S：[2]

（2.1）

相位测距法

因为无线电波的波段和频率，对于激光的振幅进行调节。并确定一个固定为相位差为两物体之间的距离。通过波长和相位差可以间接的算出往返的时间差。设定往返传播一次的相位差为φ，脉冲频率是f，由式（2.2）可求所测距离S。

（2.2）[2]

激光三角法测距

激光三角测距的原理是：运用勾股定理，可以测算出仪器设备到目标物之间的距离。将发射器、所测的物体和CCD感光器件分别放在三角形的三个位置。根据发射到目标的信号和反射到感光元件CCD的之间的夹角，还有发射器与CCD之间的基线长度，计算出目标物的距离。

1.3三维激光扫描的分类

不同的分类规则，有不一样的分类标准。三维激光扫描系统的分类在不同的分类规则下。一般情况下，我们会以平台和激光发生的方式，测量的距离远近来进行分类。

扫描平台不同

大体分为固定式和移动式两类。

扫描距离不同

扫描仪设备的测量远近不同，我们一般根据测量的远近不同分类：近距离、中近距离、中远距离、以及远距离几类。手持式扫描仪用于测量近距离（2m左右），精度很高，中近距扫描仪测量的距离在25m以内，中远距扫描仪测量的距离在40-1000m，远距扫描仪标称测量的距离在1000m以上。测绘工作中大多数采用中远距扫描仪。

2览秀城商业模型重建

2.1三维激光扫描站位的选择

三维激光扫描仪在不规则对象建模方面具有很大的优势。一般情况下，三维激光的三维模型重建分为规则实体和不规则实体。前者通过构建三角网的方法来进行模型的重建，后者则是通过提取特征线，再转化为实体进行模型重建，也可以通过先构建三角网再以此为特征，构建实体模型。

三维空间获取技术在一些大型工程测量上得到了很好的应用。三维空间获取技术具有非接触性、高效性、适应性强等优点。利用传统的二位测量方法，工作量大、操作复杂往往难以满足大型工程测量检测的方法。

首先在商业分区，根据仪器设备的特性。放置于不同的位置。如图所示：

现场测量定位·图1

扫描前要对扫描目标物进行现场踏勘，确定扫描路线，扫描的测点位置，测点的位置，标靶数量，标靶的位置。建立控制网，用全站仪和水准仪测设控制点的坐标值。需要扫描的时候，安装扫描的仪器和其他有关的设备。

对商业进行分区后，在各个分区的控制点坐标上架设仪器设备，固定脚架，使其基本平整。将扫描仪固定在支架上，开始调平将仪器上液泡居中后，宁静连接旋钮。先连接数据线（注意接口位置，不得随意连接）。打开供电按钮，启动一起，同时启动电脑。在距离扫描仪15米左右视野开阔的地方，固定化简易支架，设置反射贴片的位置，并记录反射贴片高度，反射贴片针对扫描仪。

扫描仪开机后，仪器下方出现激光束投射到地面上，找准激光位置，做好标记，量取仪器高并记录（激光投射地面点到支架基座的高度，单位M）。

当扫描工作完毕后，需要对比较复杂的建筑物进行补扫描。

在三维激光扫描前，需要对览秀城商业进行整体踏勘栏，全范围的了解览秀城商城，现场勘察有助于对扫描建筑进行总体的把控，判断出设置仪器设备的位置，进行合理的规划路线走向，使扫描工作全面高效。

以下是现场勘察要点总结归纳

勘察要点总结·图2

提前对现场进行观察并记录该览秀城商业的结构和体量，观察结构的复杂性，结构与结构之间有没有遮挡，遮挡的复杂成都，提前规划出仪器和设备的布置方式。在现场勘察的时候，用商业的结构模板图，标出适合仪器架设的位置。

2.2三维模型构建

当jm1025三维仪器通过扫描得到数据后，通过点云数据的高精度和其扫描信息的全面的特性。所以可以通过BIM参数化的辅助工作，基于点云数据的BIM模型时，可以通过仪器中扫描信息的基础参数的尺寸进行建立建设构件尺寸，然后通过调整标准构件的基础参数，从而使得标准构件依据实景数据的测量参数进行自适应等材比例的调整，从而完成依据实景数据进行复建的复原模型快速搭建。

点云数据转化流程·图3

3从商业模型中提前构件的参数

3.1三维模型中转化为二维图纸

通过三维激光扫描技术获取的参数和数据。由于技术比较硬核。现在的CAD图纸在现在预制工厂的生产中最常用，最重要的图纸资料。所以需要将三维模型转化为二维图纸。

在商业装饰装修时正摄图很常见。常用的平面图、立面图、剖面图等都是正投影图，而三视图最大的作用在于消除了透视。当前正态点云图像直接来自扫描的点云数据，无需数据转换，能够直观、真实地反映商业中各构件的现状，包括三维扫描仪获取的内部结构和周围环境信息。可以通过导入Revit、AutoCAD和其他工程绘图软件平台来标记和观察点云，也可以通过剪切命令剪切点云，并使用绘图功能在需要的任何位置打印剖面、剖面、平面和立面图形

为了获得二维图形，在对点云数据进行去噪、滤波和拼接等前期基础工作后，对点云进行封装和平滑，得到多边形模型，然后自动合成得到点云数据的三维模型。目前，将点云数据转换为三维模型的方法主要是利用三维激光扫描仪软件生成点云三维模型。最后，基于该模型，绘制了二维图形的输出。

3.2、从CAD图纸中提取参数

正投影影像转化为CAD图纸，比传统通过测量的CAD从参数信息和尺寸上要更为准确一些，由于其为转化的来，速度也比较快。并且在三维的模型建立后，可以任意选择需要的位置和区域观察构件的安装方位。还可以对建筑的各个梁板构件分析，尽可能的减少构件的制作过程中照成的材料损失。

通过对装饰构件进行编码，提资到预制构件工厂按照CAD中构件参数进行制作。待装饰构件进场后，按照编码，由工人在模型中查找编码对应构件位置。按照模型中构件的安装方向进行安装。不仅极大的减少了由于制作过程中的裁切造成的浪费，而且也方便了工人的安装。节约了工期，为商业能早日开业提供了有力的支持。

4结语

通过三维激光扫描技术进行商业建模，从而从模型中提取栏杆，装饰面板，等装饰构件的参数。为以后建筑模型的提供了一个新的方向，逆向建模不用在考虑主体结构的精确度与装饰面层精确度不同。异形结构也可以准确的生产构件满足现场安装需求。

参考文献

[1]刘科.基于古建筑保护修缮需求的三维激光几何信息采集应用研究[J].工程科技Ⅱ辑，2020.03，03.

[2]方毛林.三维激光扫描技术在文物古迹保护中的应用研究.基础科学，2018.01，08

[3]李雪.基于古建筑保护修缮需求的三维激光扫描数据应用研究[J].工程科技Ⅱ辑，2019.04，34

第一作者简介：姓名：王宁性别：男 出生日期：1990年7月民族：满族籍贯：吉林省安图县学历：本科职位/职称：工程师研究方向：建筑施工管理

通讯作者简介：姓名：杜鑫鑫性别：男出生日期：1994年10月民族：汉族籍贯：河南省安阳市学历：本科职位/职称：助理工程师研究方向：建筑施工管理

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