一种三维扫描数据与bim模型套合方法
技术领域
1.本发明涉及bim模型技术领域，特别涉及一种三维扫描数据与bim模型套合方法。
背景技术：2.目前，政府部门和建筑行业正大力推进bim(建筑信息模型)技术。无论从现阶段技术工具出发还是基于未来协同管理模式的创新来看，广泛应用bim技术势在必行。bim技术的出现，工程项目施工、管理方面又迎来一大技术变革，新技术必将带来新的商业机会和工作岗位。全国各有关高校土木类专业已将bim有关课程引入课堂，着力培养熟悉bim知识的高层次人才，而广大在校生正在为考取国家bim认证而积极努力。
3.bim软件应用部分体现在施工前利用以建筑工程项目的各项相关信息数据建立建筑模型，模拟施工各个阶段及其过程，并将发现的问题加以研究、讨论、解决，这样既可以减少材料损耗，又可以缩短施工工期。
4.bim技术促进我国建筑产业加速进入信息化时代，基于bim信息模型的建筑工程项目管理信息化可有效提升项目生产效率、缩短建设工期、提高建筑工程质量，并降低工程造价，而bim信息模型的参数与建筑实际工程中设计、施工及竣工使用期间的参数一致性成为项目信息化管理的关键。
5.基于bim技术建立三维测量坐标系即三维模型，可减少关键点数据繁琐的人工计算过程及高强度的全站仪测量数据放样过程，进而提高测量效率和精度，降低工程施工成本，基于三维激光扫描测量技术是目前工程测量技术领域继gps技术、rs技术、gis技术后的又一项技术革新，具有自动化测量数据采集和处理，实时化点云、三维图像生成和传输，数字化基础数据共享等功能。
6.基于此，相比传统测量勘测和放样，3d扫描和bim信息模型深度融合可有效解决参数一致性问题，建筑施工过程中的3d扫描测量参数结果与bim信息模型参数的对比可用于现场指导施工定位、检测工程质量、扫描还原桥梁实际样貌、检测装配式构件缺陷、监测变形等。
技术实现要素：7.为解决上述问题，本发明旨在提出一种三维扫描数据与bim模型套合方法，通过基于revit及其插件的桥梁快速建模，创建基于工程相对坐标系的精细化桥梁bim模型，通过自主开发的基于bim设计的桥梁工程施工坐标智能转换系统，将工程相对坐标系转换为工程绝对坐标系；通过全站型扫描仪与无人机航测的配合，得到桥梁下部结构及上部结构的全方位三维扫描数据；利用在同一工程坐标系内，三维扫描数据与bim模型理论上将处于同一位置，将三维扫描数据重建，与bim模型作为初始参考数据进行比对，通过生成模型色谱图的方式，实现桥梁的质量检测、缺陷检查、变形监测等功能，形成一套标准化、流程化的数据处理过程。
8.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
9.一种三维扫描数据与bim模型套合方法，包括以下步骤：
10.s1：进行桥梁快速建模得到bim模型；
11.s2：根据工程进度，每一期均通过三维扫描全方位获取点云数据；
12.s3：将点云数据与bim模型数据比对处理；
13.s4：当对比结果符合设定要求即为数据成果，否则，根据对比处理结果进行桥梁整改。
14.进一步的，s1：进行桥梁快速建模得到bim模型是指：基于dynamo进行项目拼装，根据坐标系统进行精准的bim模型拼装，并使用编程块计算出各里程处的切线方位角，将承台，桩基，墩柱构件调整至该方位角，使bim模型整体与实际完全一致。
15.进一步的，所述s1：进行桥梁快速建模得到bim模型包括以下具体步骤：
16.s11：信息库建立：根据图纸提供的线路参数信息计算相对坐标，根据里程建立信息库，提取出各构件的点位信息，选定相互关联的坐标信息；
17.s12：构件参数化：单独建立的参数化桩基、承台、墩柱，根据相对关系进行分类后，将桩基族载入承台族中，整合为命名为某某类型承台，将墩柱与垫石整合，将拱部与相对应的梁体整合，达到简化参数与族类型的目的；模型拼装：结合dynamo的相关编程块进行项目拼装，分为：承台墩柱的布置及调整和箱梁的布置；
18.s13：根据之前建立好的信息库，通过读取excel的形式导入进dynamo，根据设定的格式进行编辑excel，使用data.importexcel编程块，选定excel中的所需要的数据，使用list.dropltems将表格的表头部分剔除，最后通过list.transpose将读取进来以行展示的数据转置成以列的形式展示；
19.s14：根据计算好的相对点位，生成轴线，在点位处放置好已经整合过后的下部结构族，根据轴线生成各点处的切线方向后，调整族的平面姿态；根据桩基与承台的相对关系，在模型拼装完成后，对桩基位置进行二次复核；
20.s15：将轴线根据点位切分成段，每一段放置已整合过后的相关上部结构族；检核生成的轴线段的数量，进行判断是否符合要求，若出现数据丢失的情况，根据list.replaceltematindex编程块，将缺失数据单独提取创建成的轴线段添加进原数据列，重新生成轴线段后，放置上部结构族；
21.s16：由于工程绝对坐标系的位置偏离坐标原点较远，在revit软件建模过程中会加大软件运算量，导致无法实现快速精细化建模的目的，由此，在建模过程中，选择模型第一个构件为建模中心原点，将模型坐标系快速转换到工程坐标系；
22.s17：将模型导入软件中，根据使用四参数坐标转换原理，实现快速坐标系转换。
23.进一步的，所述s2：根据工程进度，每一期均通过三维扫描全方位获取点云数据的获取方式为：通过地面型激光扫描系统三维扫描数据获取以及机载激光扫描系统三维扫描数据获取。
24.进一步的，所述地面型激光扫描系统三维扫描数据获取是指：全站型扫描仪中新建项目，根据已知控制点进行设站；根据要扫描范围，确定单次扫描距离与扫描次数；进入扫描界面，进行扫描设置；创建扫描，根据需求选择扫描模式，开始扫描；重复上述步骤直至完成扫描；最后将数据以.pts格式导出。
25.进一步的，所述机载激光扫描系统三维扫描数据获取是指：根据线路中心线创建
无人机航测飞行航线，无人机搭载激光扫描镜头以固定航高按航线飞行，根据差分信号数据进行空三处理，完成后将建模生成的三维扫描数据以.pts格式导出。
26.进一步的，所述s3：将点云数据与bim模型数据比对处理是指：将三维扫描的点云数据与bim数据根据工程坐标系导入同一软件，将三维扫描数据降噪、封装后，设为对照系，以bim模型为参考系进行模型碰撞，将碰撞结果以色谱图及图表的方式进行数据统计。
27.有益效果：本发明利用三维扫描数据与bim模型理论来套合构建的模型，根据工程进度工期，每一期均通过三维扫描获取点云数据并进行数据比对，从而根据数据比对结果进行桥梁整改，在桥梁竣工完成后bim模型与实际桥梁完成结构将处于一致水平，本发明通过进行数据比对，生成模型色谱图，直观反应桥梁的施工建造质量，实现质量检测、缺陷检查、变形监测及竣工测量的目的。
附图说明
28.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
29.图1为本发明实施例所述的三维扫描数据与bim模型套合方法的主体流程图；
30.图2为本发明实施例所述的三维扫描数据与bim模型套合方法的桥梁快速建模流程图；
31.图3为本发明实施例所述的三维扫描数据与bim模型套合方法的桥梁快速建模dynamo流程图；
32.图4为本发明实施例所述的三维扫描数据与bim模型套合方法的三维扫描数据全方位获取外业示意图；
33.图5为本发明实施例所述的三维扫描数据与bim模型套合方法的三维扫描数据整体图；
34.图6为本发明实施例所述的三维扫描数据与bim模型套合方法的三维扫描数据封装图；
35.图7为本发明实施例所述的三维扫描数据与bim模型套合方法的三维扫描数据与bim模型数据比对流程图；
36.图8为本发明实施例所述的三维扫描数据与bim模型套合方法的数据处理色谱图；
37.图9为本发明实施例所述的三维扫描数据与bim模型套合方法的数据比对结果图。
具体实施方式
38.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
39.传统的bim建模过程为族库建立，根据相对关系进行模型拼装，该过程并不能准确的反应工程情况，并且对于构件数量庞大的工程增加了建模的繁琐程度，不具备通用性。传统的三维扫描数据获取方式较为单一，其成果用途功能单一，且由于桥梁系统的控制点系统位于桥面下，部分梁柱高度较高，新建桥梁存在一定的沉降期，无法在梁面进行扫描导致三维扫描数据存在漏洞或缺口。传统的质量检测、缺陷检查及变形监测等测量过程，以特征点代替整体构件，在发生不均匀沉降或构件部分位置存在缺陷时，无法直观及时的发现问
题。
40.实施例1
41.基于以上的现有技术的缺陷，参见图1-9：本实施例的一种三维扫描数据与bim模型套合方法，包括以下步骤：
42.s1：进行桥梁快速建模得到bim模型；
43.s2：根据工程进度，每一期均通过三维扫描全方位获取点云数据；
44.s3：将点云数据与bim模型数据比对处理；
45.s4：当对比结果符合设定要求即为数据成果，否则，根据对比处理结果进行桥梁整改。
46.需要说明的是，桥梁整改指的是：线性调整、外观尺寸调整等。
47.在一具体的实例中，s1：进行桥梁快速建模得到bim模型是指：基于dynamo进行项目拼装，根据坐标系统进行精准的bim模型拼装，并使用编程块计算出各里程处的切线方位角，将承台，桩基，墩柱构件调整至该方位角，使bim模型整体与实际完全一致。
48.本实施例的上述方法可避免传统建模的单个构件调整，节省建模时间并提高准确度。
49.在一具体的实例中，所述s1：进行桥梁快速建模得到bim模型包括以下具体步骤：
50.s11：信息库建立：根据图纸提供的线路参数信息计算相对坐标，根据里程建立信息库，提取出各构件的点位信息，选定相互关联的坐标信息；
51.需要说明的是，本实施例的相互关联的坐标信息为承台-承台中心里程点坐标和高程；墩柱-墩柱里程中心点坐标和高程；梁体-起始与终止点的里程坐标与高程；
52.s12：构件参数化：单独建立的参数化桩基、承台、墩柱，根据相对关系进行分类后，将桩基族载入承台族中，整合为命名为某某类型承台，将墩柱与垫石整合，将拱部与相对应的梁体整合，达到简化参数与族类型的目的；模型拼装：结合dynamo的相关编程块进行项目拼装，分为：承台墩柱的布置及调整和箱梁的布置；
53.s13：根据之前建立好的信息库，通过读取excel的形式导入进dynamo，根据设定的格式进行编辑excel，使用data.importexcel编程块，选定excel中的所需要的数据，使用list.dropltems将表格的表头部分剔除，最后通过list.transpose将读取进来以行展示的数据转置成以列的形式展示；
54.s14：根据计算好的相对点位，生成轴线，在点位处放置好已经整合过后的下部结构族，根据轴线生成各点处的切线方向后，调整族的平面姿态；根据桩基与承台的相对关系，在模型拼装完成后，对桩基位置进行二次复核；
55.需要说明的是，本实施例的上述步骤可以避免桩基结构多，相对坐标计算繁杂的弊端。
56.s15：将轴线根据点位切分成段，每一段放置已整合过后的相关上部结构族；检核生成的轴线段的数量，进行判断是否符合要求，若出现数据丢失的情况，根据list.replaceltematindex编程块，将缺失数据单独提取创建成的轴线段添加进原数据列，重新生成轴线段后，放置上部结构族；
57.s16：由于工程绝对坐标系的位置偏离坐标原点较远，在revit软件建模过程中会加大软件运算量，导致无法实现快速精细化建模的目的，由此，在建模过程中，选择模型第
一个构件为建模中心原点，将模型坐标系快速转换到工程坐标系；
58.s17：将模型导入软件中，根据使用四参数坐标转换原理，实现快速坐标系转换。
59.在一具体的实例中，所述s2：根据工程进度，每一期均通过三维扫描全方位获取点云数据的获取方式为：通过地面型激光扫描系统三维扫描数据获取以及机载激光扫描系统三维扫描数据获取。
60.在一具体的实例中，所述地面型激光扫描系统三维扫描数据获取是指：全站型扫描仪中新建项目，根据已知控制点进行设站；根据要扫描范围，确定单次扫描距离与扫描次数；进入扫描界面，进行扫描设置；创建扫描，根据需求选择扫描模式，开始扫描；重复上述步骤直至完成扫描；最后将数据以.pts格式导出。
61.使用本实施例的方法，可实现三维扫描数据自动拼装，其原理为每次设站都在工程施工坐标系内，所有三维扫描数据皆为工程坐标系下的真实空间三维绝对坐标，本方法相较传统的三维扫描数据获取，可以避免因特征点(像控点)坐标采集误差，导致误差的积累。
62.在一具体的实例中，所述机载激光扫描系统三维扫描数据获取是指：根据线路中心线创建无人机航测飞行航线，无人机搭载激光扫描镜头以固定航高按航线飞行，根据差分信号数据进行空三处理，完成后将建模生成的三维扫描数据以.pts格式导出。
63.本实施例所使用的无人机航测设备具备rtk定位功能，实现所有点云采集数据皆为rtk模式固定解状态下的空间三维绝对坐标，此方法相较传统的航测，可避免因点云坐标系位置不同，导致三维扫描数据拼接过程中特征点选点误差及拼接误差的误差累积，实现无人机航测三维扫描数据与扫描全站仪所得三维扫描数据，根据数据本身都为施工绝对坐标系，二者自动套合拼接，实现了三维扫描数据外业过程中偶然误差控制的目的。
64.在一具体的实例中，所述s3：将点云数据与bim模型数据比对处理是指：将三维扫描的点云数据与bim数据根据工程坐标系导入同一软件，将三维扫描数据降噪、封装后，设为对照系，以bim模型为参考系进行模型碰撞，将碰撞结果以色谱图及图表的方式进行数据统计。
65.由于三维扫描数据与bim数据皆处于工程绝对坐标系，实现了三维扫描数据与bim模型数据的自动套合。本数据比对处理过程原理为，将三维扫描数据组合经过封装的步骤，转换为几何面状结构，与bim模型同为面状几何，通过面状几何之间的空间碰撞，计算产生二者数据的偏差。本方法相较传统的点与面的比对方法，一是更进一步剔除了，由于去噪不精准导致的离散点与面的距离过远造成区域误差过大的可能性；二是通过面于面之间的碰撞，更加直观形象的表示构件沉降的趋势及位置。
66.综上所述：本实施例的三维扫描数据与bim模型套合技术，从项目的全生命周期角度出发，在设计阶段，利用工程设计坐标系及图纸，对桥梁进行快速精细化建模，利用自主开发的坐标转换系统，完成相对坐标到施工绝对坐标系的快速转换；利用地面型激光扫描系统全站式扫描仪，对梁面下桥梁构件进行扫描，结合机载激光扫描系统无人机航测的方式，从高空对桥梁整体结构进行扫描，将二者三维扫描数据通过共用一套工程坐标系进行整合，得到桥梁的全方位三维扫描数据；将精细化bim模型作为初始参考数据，在工程施工过程中按一定频率采集三维扫描数据，对桥梁进行质量检测、缺陷检查、变形监测等，在桥梁竣工完成后，利用三维扫描数据与bim模型理论上将处于同一位置，进行数据比对，生成
模型色谱图，直观反应桥梁的质量，实现竣工测量的目的。本实施例的上述方法有标准化、流程化、智能化的特性。
67.本发明已在引江济淮沪蓉铁路改建工程中得到应用，外业测量中有效解决了因受现场条件限制无法获得桥梁全部位置数据，实现了外业数据量丰富的功能；内业测量数据处理中，解决了初始值采集问题，使用设计bim模型作为初始数据参考进行比对，实现了内业处理的流程化，标准化。
68.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种三维扫描数据与bim模型套合方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：进行桥梁快速建模得到bim模型；s2：根据工程进度，每一期均通过三维扫描全方位获取点云数据；s3：将点云数据与bim模型数据比对处理；s4：当对比结果符合设定要求即为数据成果，否则，根据对比处理结果进行桥梁整改。2.根据权利要求1所述的三维扫描数据与bim模型套合方法，其特征在于，s1：进行桥梁快速建模得到bim模型是指：基于dynamo进行项目拼装，根据坐标系统进行精准的bim模型拼装，并使用编程块计算出各里程处的切线方位角，将承台，桩基，墩柱构件调整至该方位角，使bim模型整体与实际完全一致。3.根据权利要求2所述的三维扫描数据与bim模型套合方法，其特征在于，所述s1：进行桥梁快速建模得到bim模型包括以下具体步骤：s11：信息库建立：根据图纸提供的线路参数信息计算相对坐标，根据里程建立信息库，提取出各构件的点位信息，选定相互关联的坐标信息；s12：构件参数化：单独建立的参数化桩基、承台、墩柱，根据相对关系进行分类后，将桩基族载入承台族中，整合为命名为某某类型承台，将墩柱与垫石整合，将拱部与相对应的梁体整合，达到简化参数与族类型的目的；模型拼装：结合dynamo的相关编程块进行项目拼装，分为：承台墩柱的布置及调整和箱梁的布置；s13：根据之前建立好的信息库，通过读取excel的形式导入进dynamo，根据设定的格式进行编辑excel，使用data.importexcel编程块，选定excel中的所需要的数据，使用list.dropltems将表格的表头部分剔除，最后通过list.transpose将读取进来以行展示的数据转置成以列的形式展示；s14：根据计算好的相对点位，生成轴线，在点位处放置好已经整合过后的下部结构族，根据轴线生成各点处的切线方向后，调整族的平面姿态；根据桩基与承台的相对关系，在模型拼装完成后，对桩基位置进行二次复核；s15：将轴线根据点位切分成段，每一段放置已整合过后的相关上部结构族；检核生成的轴线段的数量，进行判断是否符合要求，若出现数据丢失的情况，根据list.replaceltematindex编程块，将缺失数据单独提取创建成的轴线段添加进原数据列，重新生成轴线段后，放置上部结构族；s16：由于工程绝对坐标系的位置偏离坐标原点较远，在revit软件建模过程中会加大软件运算量，导致无法实现快速精细化建模的目的，由此，在建模过程中，选择模型第一个构件为建模中心原点，将模型坐标系快速转换到工程坐标系；s17：将模型导入软件中，根据使用四参数坐标转换原理，实现快速坐标系转换。4.根据权利要求1所述的三维扫描数据与bim模型套合方法，其特征在于，所述s2：根据工程进度，每一期均通过三维扫描全方位获取点云数据的获取方式为：通过地面型激光扫描系统三维扫描数据获取以及机载激光扫描系统三维扫描数据获取。5.根据权利要求4所述的三维扫描数据与bim模型套合方法，其特征在于，所述地面型激光扫描系统三维扫描数据获取是指：全站型扫描仪中新建项目，根据已知控制点进行设站；根据要扫描范围，确定单次扫描距离与扫描次数；进入扫描界面，进行扫描设置；创建扫描，根据需求选择扫描模式，开始扫描；重复上述步骤直至完成扫描；最后将数据以.pts格
式导出。6.根据权利要求4所述的三维扫描数据与bim模型套合方法，其特征在于，所述机载激光扫描系统三维扫描数据获取是指：根据线路中心线创建无人机航测飞行航线，无人机搭载激光扫描镜头以固定航高按航线飞行，根据差分信号数据进行空三处理，完成后将建模生成的三维扫描数据以.pts格式导出。7.根据权利要求1所述的三维扫描数据与bim模型套合方法，其特征在于，所述s3：将点云数据与bim模型数据比对处理是指：将三维扫描的点云数据与bim数据根据工程坐标系导入同一软件，将三维扫描数据降噪、封装后，设为对照系，以bim模型为参考系进行模型碰撞，将碰撞结果以色谱图及图表的方式进行数据统计。
技术总结本发明提供了一种三维扫描数据与BIM模型套合方法，包括以下步骤：S1：进行桥梁快速建模得到BIM模型；S2：根据工程进度，每一期均通过三维扫描全方位获取点云数据；S3：将点云数据与BIM模型数据比对处理；S4：当对比结果符合设定要求即为数据成果，否则，根据对比处理结果进行桥梁整改。本发明利用三维扫描数据与BIM模型理论来套合构建的模型，根据工程进度工期，每一期均通过三维扫描获取点云数据并进行数据比对，从而根据数据比对结果进行桥梁整改，在桥梁竣工完成后BIM模型与实际桥梁完成结构将处于一致水平，本发明通过进行数据比对，生成模型色谱图，直观反应桥梁的施工建造质量，实现质量检测、缺陷检查、变形监测及竣工测量的目的。测量的目的。测量的目的。
技术研发人员：郝国宇 朱善美 夏松 李科昌 席江铭 崔庆辉
受保护的技术使用者：中铁四局集团有限公司
技术研发日：2022.07.14
技术公布日：2022/11/1
