作为建筑工业化的重要信息技术支撑, 建筑信息模型BIM (Building Information Modeling) 技术由于其参数化构件级别粒度、多专业共享式协同、信息全阶段管理等技术优势高度符合以近零能耗为目标导向的装配式建筑的设计特征与生产需要, 因而被广泛应用于其全生命周期的各个阶段^[1]。建筑师作为建筑信息创建和维护的重要参与方, 对BIM模型的应用范围拓展也有着更高的需求。BIM模型不仅是设计阶段建筑师的创作载体和交付成果, 也是施工阶段建筑师与施工方进行现场协调与沟通的重要信息依据与参考。然而由于设计变更、制造与建造误差、重力形变等主客观原因, 设计阶段的建筑信息模型 (信息) 与建造阶段的建筑物理实体 (物理) 往往存在一定偏差^[2]。这种信息物理的不交互现象导致建筑师与施工方在建造误差的问题定位、责权归属和处理方式等方面存在一定分歧。施工方会因BIM设计模型脱离施工现实等原因自行建立适用于自身需要却与建筑师相脱离的BIM施工模型, 多模型并立的BIM技术应用现状也导致全生命周期的建筑信息流被人为严重割裂^[3]。

目前针对装配式建筑建造误差的成因探寻研究已由传统的人工测绘和拍照记录等方法向以激光扫描、照片建模等为代表的建筑逆向RE (Reverse Engineering) 技术¹过渡^[4]。施密茨伯格 (Schmitzberger) 将依托逆向技术的设备和方法来实现针对建筑业相关活动的物理实体数字化过程的技术总和称为建筑逆向技术^[5]。RE技术的建筑学研究主要集中在与建筑物理实体相关信息的逆向获取及数字化重建领域, 并被广泛应用于场地踏勘调研、设计方案深化、建筑信息建模、施工现场监管、增强现实与混合现实应用、既有建筑改造以及建筑遗产保护等方面^[6,7]。RE技术不只是一种快速测绘和建模的技术方法, 其所实现的物理实体逆向信息化也可以为许多建筑活动及研究带来新的认知和探索^[8]。然而目前在建造误差方面的研究, 更多是在利用RE技术实现目标对象的数字化还原后, 通过手动测量和比对进行误差分析^[9]。RE技术并未融入BIM技术的方法体系中, 因而无法形成面向建造误差分析的连贯、精确、自动的建筑信息技术应用流程。

针对因信息物理不交互导致建筑师与施工方就建造误差问题产生的信息协同矛盾, 本研究以BIM与RE技术的结合为基础, 探索基于建筑实体类型信息的感知、校核和决策的相关步骤流程与应用方法, 以实现装配式建筑建造误差的快速定位、高效分析与实时反馈。研究旨在技术应用层面实现建筑信息模型与建筑物理实体的阶段性交互^[5], 并通过BIM设计模型的半自动化持续更新与修正, 实现向施工深度和竣工深度的BIM模型转变, 在一定程度上解决由于多BIM模型并立导致的建筑信息传递障碍, 从而拓展建筑师主导下的BIM设计模型在建筑全生命周期中的应用广度和深度。

岳阳县三中风雨操场项目位于湖南省岳阳县新墙镇, 其主要功能为室内运动场兼多功能报告厅 (图1, 2) 。项目采用装配式建造体系, 结构主体为钢结构, 建筑表皮选用预制水泥纤维板等材料。设计团队从设计阶段开始采用BIM技术, 以Revit为平台进行设计, 建模达到LOD 300深度 (图3～5) 。由于该装配式建筑项目存在工期紧张、施工水平低等问题, 因而由设计团队进行全程驻场跟踪并指导建造, 具有三维可视化和信息关联集成等特点的BIM模型成为建筑师与施工方进行现场沟通的主要技术手段, 同时也是建造误差复核的信息依据。

建筑信息物理交互是指信息在建筑信息模型与建筑物理实体间的无障碍流动所实现的交互协同状态。其概念来源于以全生命周期建筑信息集成交互为核心的建筑信息系统理论的表述——信息物理交互建筑信息系统BIPIS (Building InformationPhysics Interaction System) ^[10]。信息物理交互既是实现目标, 同时也是实现方法。此次研究将依托RE技术实现案例项目的阶段性非实时化的信息物理交互。

使用三维激光扫描技术进行案例项目的数字化重建。三维激光扫描属于RE技术中基于激光的探测与测量技术LiDAR (Light Detection and Ranging) , 其原理是通过计算相关设备发射并探测激光的反射时间差来还原场景结构, 并由激光照射到目标对象的位置点形成真实的点云模型^[11]。相较于RE技术的另一大分类, 即基于图像的建模与绘制技术IBMR (Image Based Modeling and Rendering) , LiDAR具有精度高、速度快、范围广等优点, 非常适合单体建筑尺度的目标对象。

根据案例项目的施工进度主要进行三次阶段性的建造误差成因分析研究, 分别是基础、钢结构和表皮的建造阶段。在下游工种进场前完成上游工种作业成果的扫描, 可以解决隐蔽工程信息无法获取的问题, 并及时就建造误差与施工方进行沟通。

三个阶段均采用“感知-校核-决策”的研究流程:1) 信息感知研究主要采用RE技术的三维激光扫描来获取案例项目不同阶段的点云数据并进行数字化重建;2) 信息校核研究采用Geomagic Control软件对重建模型和BIM设计模型进行信息物理比对, 探究两者间存在偏差的内容、位置与程度;3) 信息决策研究将根据信息物理比对结果进行误差成因分析并建立信息反馈机制, 以提供误差处理方法参考, 最终实现装配式建筑建造误差的快速定位、高效分析与实时反馈的流程方法构建。

信息感知研究主要分为逆向信息获取和数字化重建两个步骤。逆向信息获取主要使用Trimble TX8激光扫描仪作为获取几何尺寸与空间位置类型信息的RE设备, 同时辅用鱼眼相机进行全景相片拍摄, 以获取材质色彩与肌理图案的类型信息。数字化重建主要采用Trimble RealWorks软件进行点云模型生成。

TX8扫描仪在120m测量距离范围内有2mm的误差精度, 因此针对体量不大、形态简单的案例无需设置太多扫描站点。以表皮完工阶段的现场扫描为例, 考虑到场地高差及北面过窄的扫描距离, 研究团队选取了7个室外扫描站点和2个室内扫描站点, 其中最后一个站点设置在南面的教学楼顶, 以实现屋顶部分的扫描 (图6) 。站点路线设计须确保建筑整体信息采集的完整性, 同时需要考虑相邻站点间扫描范围的重合度以便于点云数据的配准操作。扫描前应布置靶标球组, 即人为提供特征参照物。其布置位置需在相邻两站的共有扫描范围内, 根据三点确定平面的原理按三角形态布置 (图7) , 且扫描过程中位置不可改变。为了减少后期点云数据清理的工作量, 扫描开始前应尽可能确保扫描范围内无人走动且没有障碍物遮挡扫描视野。

在每一个站点完成扫描操作后, 需在扫描仪同轴位置换装配有鱼眼镜头的单反相机进行全景相片的拍摄。如图8所示, 鱼眼相机可以用较少的张数完成360°环绕拍摄, 后期经过专业软件处理拼合生成单一站点的全景相片。

基于上一步骤的靶标球布置, RealWorks软件可以全自动完成点云配准操作。若现场条件不利于球组布置或在其扫描过程中发生移动 (如案例存在靶标球被大风吹动的情况) , RealWorks依然可以通过手动方式完成多站数据的配准。在确定点云数据取样精度后建立测站点云, 每一站的点云数据将完成释放从而显示出扫描获取的场景范围。通过基于两个站点扫描场景的相似点提取, 软件将以半自动形式完成不同站点间数据的坐标系配准, 从而实现点云模型的完整拼合。

RealWorks软件内置的RealColor插件可以进行点云模型着色操作。通过点云模型与对应站点全景相片的比对分析, RealColor将进行两者位置的自动匹配, 然后将全景相片的RGB信息投射并附着到点云模型上。点云模型的着色质量一方面有赖于扫描对象的完整程度, 如案例中屋顶部分的点云数据不完整, 导致该部分的色彩信息没有可附着的点云载体;另一方面有赖于全景相片的拍摄质量, 低噪点、曝光均匀、对焦清晰、高画质设定的相片有利于生成场景感较好的色彩点云模型。最终生成的基础、钢结构、表皮三个完工阶段的点云模型如图9～11所示。

信息校核研究将对信息感知研究中生成的点云模型进行简化和构件识别拟合, 并应用Geomagic Control软件将其获取的重建模型与原有的BIM设计模型进行信息物理比对。重建模型作为建筑物理实体的数字化再现, 与建筑信息模型的偏差程度代表了建筑的建造误差结果。

针对地形、景观、复杂构件等不适合点云模型进行构件识别拟合的目标对象, 可以将点云简化成以三角网格为信息载体的Mesh模型作为其重建模型并进行比对分析。以基础开挖部分的点云模型为例, 利用RealWorks软件将点云模型处理成Mesh模型 (图12) , 可以实现模型数据量的简化和运算速度的提升。将目标对象的Mesh重建模型和BIM设计模型依次导入Geomagic Control, 软件将首先执行基于全局坐标的粗略匹配和基于局部特征的精细匹配, 从而实现两个模型的位置重合;然后根据两个模型各个部位之间的法线矢量距离计算得出两者间的信息物理偏差结果, 包括位置、范围和程度等。如图13所示, 红色表示正偏差, 蓝色表示负偏差, 基础开挖部分的平均建造误差值为正向24mm。研究将Mesh重建模型对应BIM设计模型的原始地形部分进行差值计算, 求得基础挖填方统计数据 (表1) , 其结果符合施工方的挖填方工作量估算, 证明了该方法在施工驻场中的实用性。

点云模型作为非结构化的信息载体, 无法用于Revit等BIM建模软件的直接编辑应用, 因此需要进行构件识别拟合以生成对应的BIM重建模型。目前商业化软件中针对点云数据的BIM构件拟合技术仍不够成熟, 仅能对形态规则的构件进行识别并拟合。因此研究团队选择案例项目的钢结构和表皮等线、面型构件, 应用EdgeWise软件进行相关操作研究。如图14所示, 将点云模型导入EdgeWise后, 需手动框选目标构件并选择构件类型, 然后软件会根据框选区域的点云分布规律进行构件形态的匹配识别, 最后拟合成相应的BIM参数化构件。生成的结构和表皮部分的BIM重建模型如图15, 16所示。

应用Geomagic Control软件进行BIM重建模型与BIM设计模型的信息物理比对, 过程同理于基于Mesh重建模型的比对分析。如图17所示, 绿色表示两者偏差情况最为理想, 颜色越红代表重建模型相对设计模型的正向偏差数值越大, 越蓝代表负向偏差数值越大。由分析结果的数据统计可知:1) 钢结构部分的平均建造误差为15mm, 局部极值误差达到50mm以上;2) 表皮部分的平均建造误差为38mm, 东西立面的偏差较小, 而南北方向的正向偏差在20～50mm (图18) ;3) 南北立面两侧的钢结构斜撑为最大误差位置, 重建模型相对于设计模型的正向偏差达到50mm以上 (图19) 。

信息决策研究将进一步针对信息校核研究中生成的信息物理比对结果进行建造误差成因分析, 进而总结相应的误差应对建议和反馈机制, 以便建筑师与施工方就建造误差的处理办法进行交流和协调。

从信息物理比对结果的矢量图中总结建造误差成因的相关原型, 不仅有利于建造误差的快速定位和分析, 也有助于问题交流时的直观表达。代表信息物理偏差的矢量具有疏密、颜色和长短等特征, 用于表示建造误差的位置范围、偏差方向及其程度等信息 (图20) 。以结构方钢为例, 研究总结了以建筑构件为对象的建造误差成因原型, 分别是位置偏移 (单向均匀矢量) 、型号尺寸偏差 (多向均匀矢量) 、角度偏转 (单向均匀矢量变化) 和局部缺陷 (单向非均匀矢量变化) (图21) 。根据图17, 18的分析可知:1) 钢结构偏差最大的南北立面两侧斜撑的矢量图显示为多向均匀红色矢量, 表示实际安装的构件型号尺寸偏大;2) 其他存在建造误差的多数钢结构构件的矢量图显示由绿到红的单向均匀矢量变化, 表示构件在安装时存在角度偏转;3) 表皮部分矢量图显示单向均匀红色矢量, 表示在整体安装时存在向外的位置偏移。

建立基于BIM工作流程的信息反馈机制有助于将建造误差信息实时反馈给相关责任方, 辅助其快速做出决策并生成相应的误差处理办法, 以便在下游工种开始作业前解决上游工种的建造误差问题。研究团队将整理有误差对象、成因、对下游影响、建议处理办法等信息的建造误差反馈统计 (表2) 上传至案例项目的BIM管理平台, 并结合信息物理比对结果矢量图、BIM设计模型等参考资料与相关参与方进行问题处理协商。以误差最大的南北向钢结构斜撑为例, 在和结构设计师、钢结构厂家、施工方沟通后发现, 钢结构厂家在经过结构计算复核后改变了原先的方钢截面尺寸的生产数据但未及时反馈给设计团队。

考虑到钢结构外包的内外表皮间留有足够的空腔间距, 并不影响表皮部分的下游工种施工, 因此由施工方做出决策——不进行该建造误差的返工调整, 而由建筑师参照重建模型来修正BIM设计模型中存在偏差构件的几何尺寸和相对位置, 以实现基于BIM模型的设计与建造信息的协同一致。同时在BIM模型中针对修改后的构件新增两类属性信息标注:一是问题及责任人描述, 二是建造误差成因原型 (图22) , 以便今后的建造误差查找和分类统计。

本文基于BIM与RE技术的结合应用研究, 探索并总结了以建筑信息“感知-校核-决策”为核心流程的装配式建筑建造误差分析方法 (图23) , 在技术层面实现了信息物理的阶段性交互。通过岳阳县三中风雨操场项目建筑师在施工驻场的全程应用及验证, 展现了该方法针对装配式建筑建造误差的快速定位、高效分析和实时反馈等优点, 证明了其高效率、高精度和实用性的应用价值。研究总结的相关技术流程步骤、RE设备与软件操作经验、建造误差成因原型等成果, 将有助于建筑师利用RE技术完善以BIM为核心的建筑信息技术应用体系, 实现设计与建造的多阶段、多参与方的信息协同与管理。而无障碍传递的建筑信息流将是装配式建筑实现全生命周期近零能耗目标的重要保证。

由于本研究所实践的风雨操场项目案例的空间形式规则、构件种类简单且施工团队配合紧密, 因而RE技术的应用条件环境较为理想。考虑到大型建筑项目的设计复杂程度及多工种交叉作业的施工常态, 基于BIM与RE技术结合的装配式建筑建造误差分析方法应用会有一定限制, 该研究还需要更多项目实践来检验并修正其流程的合理性, 从而提高该方法的应用效率。同时下一阶段研究将在基础、结构、表皮等工种的基础上拓展装配式建筑建造误差分析的内容和范围, 如景观场地、室内装修、MEP等。

图片来源

图1, 2为夏至拍摄, 其余图表均为作者自摄或自绘。