建筑物化階段的BIM建模方法研究

阮若琳

（集美大學誠毅學院，福建 廈門 361021）

近年來，學者們在提高建筑建模準確度方面取得了較多的研究成果。陳彪等［1］以建筑矢量底圖為主，結合衛片圖像建立建筑模型結構，通過高分辨率遙感影像和Mask R＿CNN技術，提出了基于多源數據融合的農村建筑智能識別與三維建模方法，以解決農村地區低成本、廣覆蓋的信息采集和建模問題。李寧等［2］使用無人機傾斜攝影測量技術獲取高質量的航片數據，同時采用RTK技術進行影像配準和檢核數據，通過ContextCapture軟件對傾斜攝影測量原始數據進行空三解算和三維重建，生成具有真實紋理的實景三維模型。孫保燕等［3］利用圖像識別與細節增強技術對建筑圖像進行預處理，借助掛接數據庫，確定模型中點和面的數量，最終使用插件導出BIM模型，從而提高異形仿古建筑的建模準確度。宋仁波等［4］提出了一種基于多源數據集成和GIS建模技術的城市建筑物三維建模方法，具備了成本低、操作簡單、自動構建的特點，為大規模城市建筑物三維建模與可視化提供技術解決方案。

為了提高建筑建模的準確度，有必要對復雜建筑的BIM建模方法進行深入研究。BIM技術具有高度的模型信息集成性，通過BIM模型對構件參數的控制，改善因構件沖突導致建筑模型準確度較低的問題。本文基于BIM技術實現建筑物化階段的精細化建模，結合BIM技術對建筑構件和材料進行參數模擬，并在上游模型的基礎上，進行添加、刪除、深化等流程，以確保建筑模型的精細化和全面性。

1 BIM建模方法設計

1.1 建筑構件創建

選擇ArchiCAD作為建筑物化階段BIM的核心建模軟件。通過建筑結構的幾何特征數據創建建筑構件，并為具有可變基本結構特征參數的構件設置參數，再根據各構件在建筑模型中的幾何位置與結構關系對創建的構件進行集成化處理，獲取建筑的整體BIM模型［5］。最后通過對建筑的視覺展示、模擬和協調優化，發布處理圖紙，使建筑信息的表達更加詳細。

建筑項目物化階段的BIM模型主要包括方案設計、初步設計、深化設計、建材設備生產和運輸5個階段，為保證建模的細致程度，需要根據建筑物化階段和施工需求調整模型的深度。建筑物化各階段模型深度要求如表1所示。

表1 構件不同階段模型設計要求

根據表1中建筑物化各階段建筑構件模型的深度要求，利用軟件中的PKPM模塊讀取目標建筑構件的數據信息，包括材料、鋼筋、荷載和邊界條件等基本信息，以創建建筑梁、柱、桿、剪力墻和樓板的模型，通過使用軟件提供的腳本語言轉換功能，將上述數字信息轉換為軟件易識別的IGES格式的通用格式文件［6］，并根據計算參數要求在ArchiCAD／CAE中創建一個內置文件，指定其材料性能，執行諸如分析步驟、網格生成和結果分析等的特定操作。

以數據庫中建筑預制梁與預制柱的拓撲和結構信息為依據，在ArchiCAD中添加新的圖層，作為建筑構件的數據層。對于建筑鋼筋混凝土構件，利用軟件中的STRINGER命令在圖層的中心處同時建立兩個相同的beam構件截面，根據構件面積與位置一致性的原則，創建建筑構件截面［7］，如圖1所示。

圖1 建筑構件等效截面

建筑剪力墻和樓板可通過SHELL模塊自動生成與實際建筑幾何信息參數一致的構件模型，同時可將其中的鋼筋與混凝土等不易識別的邊界信息轉換為相應的應力層。為簡化運算流程、提高建模效率，此次在剛性構件模擬的基礎上，使用耦合約束來約束與原剛性樓板連接的梁和墻的平面內自由度［8］，從而有效地考慮了剛性樓板的無限平面內剛度的力學特性。根據建筑物化各階段的模型構建原則，以碳排放約束為導向，結合模型的深度控制要求，對建筑各構件進行創建。為獲取更加精細化的建筑信息模型，還應對構件模型的參數進行曲線定位。

1.2 建筑模型參數定位

在構建建筑物化階段BIM模型時，模型參數控制是關鍵。通過特征構件的尺寸參數和屬性參數間接驅動模型形態變化。零部件參數值的選擇將會直接影響建模效果，不同的組件類型對應不同參數［9］。因此，進行模型參數定位可以確保構件的幾何形狀、材料屬性等關鍵參數與建筑實際情況相匹配，提高建筑模型的準確度，改善建筑模型的可視化效果和可理解性?；贐IM建模創建的梁、柱、桿、剪力墻和樓板參數如表2所示。

表2 建筑構件及對應參數

由于在掃描階段未使用絕對坐標系，所有點云數據都是點之間的相對位置關系，無法滿足構建三維模型的要求。因此采用共同目標算法和最小二乘變換原理計算構件初始模型的變換參數［10］，即

式中：（xa，ya，za）表示轉換后的構件底部空間坐標；（xA，yA，zA）表示構件底部原始坐標。

將構件底部所在平面的點云數據向量記作｛QN｝，其可切割成若干個點數據組向量｛Q1，Q2，…，Qk｝，選擇平面中曲率最小的數據點作為點集對應的水平距離，之后對初始數據平面進行擴展與擬合，即對特定平面模型與切割點云數據進行估算和匹配，以獲得最佳平面參數，從而實現轉換參數與模型參數高程的一致性［11］。假設構件所處的空間中兩個相鄰面片的法向量分別為n1＝（a1，b1，c1），n2＝（a2，b2，c2），則該交線的向量為

式中Qi表示平面中第i個點云數據向量。

通常，在建模過程中，建立一個世界坐標系作為構件模型參數轉換的參考坐標系，而將構件所在的平面坐標系視為局部坐標系［12］。假定構件的原始位置在局部坐標系與全局坐標系中的坐標值重合，則可使用三元旋轉法來表示兩個坐標系之間的轉換。假設旋轉順序為x→y→z，構件在x、y、z3個方向上的姿態角分別為α、β、γ，則可將局部坐標系中的構件坐標系轉換為全局坐標系下的坐標矩陣Pl＝CγCβCαPw，其中索引旋轉變換矩陣可表示為

對式（3）變換進行逆變換處理，得到構件在投影面的坐標矩陣Pt，即

在ArchiCAD中，零部件的位置以文件的形式表示。對象坐標系被定義為父類，組件頂點的上層坐標系被用作子類，局部坐標系的位置通過投影索引逆矩陣的反向旋轉來表示［13］。為了避免構件之間的沖突，預制柱的定位曲線每側的長度應延長2 DN（公稱直徑）?；诩用軈^域和稀疏區域的分量長度數據，可以獲得分量數量與加密區域的長度、稀疏區域的長度和分量間距之間的函數關系，即

式中：m為加密區域和稀疏區域的分量長度；l1為加密區長度；d1為加密區構件間距；l2為稀疏區長度；d2為稀疏區構件間距。

將構件1的定位點信息L1（X1，Y1，Z1）和構件2的定位點信息L2（X2，Y2，Z2）的坐標參數值進行參數化連接，則兩點之間的關系為

式中：t為連接厚度；h為兩點之間的距離。

利用參數化表示構件定位點之間的幾何約束關系，兩點之間的差值可表示為

式中De表示定位曲線起點到模型下邊界的距離。

根據式（7）將構件底部三根定位曲線以坐標（0，0，1）為方向平移Δy便可得到頂部三根定位曲線。根據L1、L2所代表的定位曲線向（0，0，1）方向平移CAD圖紙上標注的距離，即可得到構件底部定位曲線，最后通過Rebar.ByCurve節點連接所有構件的定位曲線。完成模型參數的定位，為后續建筑BIM模型的生成奠定基礎。

1.3 建筑BIM模型生成

建筑的外觀是在ArchiCAD軟件中基于建筑多邊形建立的。建筑模型的高度應嚴格按照實際建筑物的高度進行設置。復雜形態的建筑物或曲面建筑物的標高可根據周邊已知建筑物的標高進行逼近估計［14］。建筑的其他參數設定均按照此方法進行設置。建筑BIM模型的生成過程如下：

（1）采集實測建筑物的矢量數據。按照1∶1的比例從1∶1 000的地籍測量圖中復制單幢建筑物的邊界閉合線，并添加到新單元閉合線的CAD文件中［15］。

（2）標準化組件單元。利用ArchiCAD中的“自定義／單位設置／修正”對建筑模型的單位進行設定。保證模型數據單位與量測單位的一致性，便于后續Scale：1數據庫的導入。

（3）建筑建模。在ArchiCAD中導入并創建一個新的閉合線，CAD圖紙參考底圖和構件定位曲線，并進行成組處理，所有坐標都重置為零，之后新建一個矢量圖層。

（4）逐層建模。根據地形圖數據，采用逐層建模的方式對建筑物進行整體建模［16］。對不具有屋頂的建筑物，應將建筑墻體厚度設置為0.5 m，再通過“擠出”設置比例高度。對具有屋頂的建筑物，直接使用最小容量作出相似造型。

（5）進行材料選擇和能源消耗設置。設置能源分析的時間范圍、天氣數據、室內設計溫度、照明和設備使用情況等參數。運行能源分析程序，對建筑模型進行能源分析，并生成能耗報告和圖表。同時，設置碳排放分析的時間范圍、碳排放系數、能源消耗方式等參數。運行碳排放分析程序，對建筑模型進行碳排放分析，并生成碳排放報告和圖表。根據能耗、碳排放報告和圖表，識別和分析建筑能耗和碳排放的瓶頸，并提出相應的優化措施。

（6）在TerraExplorer Pr中，按照構件創建順序導入數據集，包括建筑位置參數、角度參數等，將所有數據添加到MPT文件中，并構建2D和3D模型。

2 實驗論證

2.1 項目概況

福建省廈門市同安區某項目規劃總用地面積4.69萬m2，實際用地面積4.02萬m2，總建筑面積32.45萬m2。建筑基底面積約8 500 m2，平均容積率2.5，建筑密度15.25%，總高度88.41 m，地下3層，地上28層。該建筑抗震設防烈度為7度，結構重要性系數為2.0，建筑安全等級為二級。該建筑構件結構參數的規模相對較大，由多個結構單元組成，為便于分析，案例選取2＃樓作為研究對象。

2.2 實驗準備

在Revit界面中以參數化形式添加基本建筑數據，創建參照平面，對其進行尺寸標注，并關聯獨立參數。根據表3所示建模參數對單個建筑進行建模。

表3 建模參數表

每個組件的原始參數按照加密和稀疏區域的順序進行排序，將項目中的參數范圍劃分為只讀參數和自定義參數，以便于建模過程中的參數調整。另外，將生成的單個建筑模型輸出為.X文件格式，用于后續存儲與處理建筑BIM模型的材質與顏色紋理信息。

2.3 實驗說明

采用ArchiCAD軟件創建建筑構件，使用特定類型的實體來定義構件屬性和連接關系，通過輸入構件的直接屬性、間接屬性和反向屬性將構件與實體類型相關聯，進而確定建筑構件在參考坐標系中的定位點。通過旋轉矩陣變換，生成曲面定位空間，從而實現零部件的參數定位。用于構建屬性信息表示的核心知識工程語句如圖2所示。

圖2 構建屬性信息表達的核心知識工程語句

在分析了案例建筑的結構特征后，使用一個3層的砌塊從上到下進行構件建模，通過模型集成命令獲得了建筑的最終BIM模型。

2.4 建筑BIM建模結果分析

在ArchiCAD中建立建筑標高并生成對應的平面視圖，在平面視圖中對構件定位曲線進行成組，根據矢量圖標注作出建筑物的三維模型。構建的建筑物BIM模型如圖3所示。

圖3 結構BIM設計模型

為評價BIM模型的精確性，在結構信息模型中等間隔地選取6組特征點，并測算每組特征點之間的相對距離，將計算結果與高精度全站儀測得的實際特征點距離相比較，以測試設計的建模方法的性能。對比結果如表4所示。

表4 模型測距結果對比

由表4可知，所建BIM模型的6組特征點之間的距離與全站儀測得的參考距離的差值較小，均在0.1 mm內，表明此次設計的建筑BIM建模方法具有較高的建模準確度，能夠滿足大部分建筑三維模型的構建要求。

2.5 建模準確度對比分析

采用文獻［4］的多源數據融合算法（方法1）、文獻［3］的融合大高差序列影像（方法2）與本文方法作對比。在工程案例上隨機選取5個實測點，通過采集其建筑形態計算模型的尺寸，并與實測尺寸相比較，統計不同建模方法的相對誤差，進而評估3種方法的建模效果（見圖4）。

圖4 不同BIM建模方法的建模準確性結果對比

由圖4可知，在不同區域點云數量條件下，對建筑物的5個實測點進行尺寸計算，本文建模方法得到的模型尺寸與實測尺寸之間的偏差遠低于方法1與方法2，其中最大相對誤差為0.042%，在控制范圍內。方法1與方法2建模準確度較低的原因是在建模過程中無法很好地處理建筑物的轉折處，使得模型網格面的精細度降低。實驗結果說明，此次設計的BIM建模方法能夠更加準確地構建出建筑物三維模型，還原度較高。

3 結語

通過建筑構件創建與模型參數定位計算，結合ArchiCAD軟件實現建筑BIM模型的構建。采用實例應用的形式驗證了設計方法的可行性，可為建筑的數字化控制提供參考。下一步將通過優化設計、施工和運營等環節，降低建筑物化階段的碳排放水平，提高碳排放協同控制的效率和效果。