一种既有桥梁快速BIM建模系统及方法与流程

本发明属于大型建筑物快速建模领域，更具体地，涉及一种既有桥梁快速BIM建模系统及方法。

背景技术：

对于某些多江多湖、水域丰沛的城市而言，随着城市范围的不断发展，大规模的桥梁建设给日后的运营管理带来了严峻的挑战。为了实现支持区域内桥梁数字化运营维护的工作，使桥梁管理走向科学化、合理化、规范化，加强对包括人、车及其他设施在内的交通要素的有效监控管理，提高有限资源的共享利用率，就需要建立一个覆盖区域全部桥梁的BIM模型数据库，作为支撑整个运营期桥梁维护的重要基础。

建筑信息建模(BIM)技术集参数化、集成化、可视化等优势，能够使桥梁建筑的信息参数化表达并实时集成于BIM模型中(如结构健康监测信息)，一个完备的桥梁BIM模型实质上意味着一个数据库。建立桥梁BIM模型数据库的核心技术是，针对桥梁BIM模型的快速建模方法。

目前用于桥梁BIM模型的快速建模方法主要有：AutoCAD二维图纸建模、遥感及GIS技术、三维全息照相技术。各种检测方法均有各自的优点，但也各自均存在不足。如AutoCAD二维图纸建模图纸的方法，只适用于保留有图纸的桥梁BIM建模，对于因时间久远或者其他原因缺失了图纸的桥梁则无法应用该方法建模。遥感及地理信息系统技术(GIS)主要应用于大范围的空间数据测量，如地形、地貌测量，农业、林夜监控，其覆盖范围较广，但精度较差，无法满足桥梁精细化建模的要求。三维全息照相技术虽然可以获取到空间物体较为精确的几何尺寸，但面向工程建模应用时缺乏相应的处理算法，且不利于图像数据在各类软件间的流动，兼容性差，难以利用已获取到的三维几何信息进行BIM建模。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明旨在提供一种快速BIM建模系统及方法，能够针对设计图纸缺失的既有桥梁进行BIM建模，从而通过对区域内所有桥梁的快速BIM建模形成桥梁BIM模型数据库，解决为区域内大量桥梁建筑提供等数字化运营维护的基础数据库的技术难题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种既有桥梁快速BIM建模系统，包括：三维建模单元、BIM建模单元；

三维建模单元包括三维激光扫描仪、点云数据处理器、三维实体建模工具；三维激光扫描仪的输出端连接点云数据处理器的输入端，点云数据处理器的输出端连接三维实体建模工具的输入端；

BIM建模单元包括BIM建模工具、传感器组、桥梁BIM模型库；结构应力传感器安装于桥梁的应力检测部位，其输出端连接BIM建模工具的输入端，三维实体建模工具的输出端连接BIM建模工具的输入端，BIM建模工具的输出端连接桥梁BIM模型库的输入端；

其中，三维激光扫描仪用于扫描桥梁实体以获得桥梁实体点云数据，并发送至点云数据处理器；点云数据处理器用于对点云数据进行预处理，生成完整的全彩点云模型并发送至三维实体建模工具；三维实体建模工具用于对全彩点云模型中各点云模型面的漏洞进行修复，生成三维实体模型并发送至BIM建模工具；

结构应力传感器用于检测桥梁结构应力信息以及监测桥梁运营实时信息并发送至BIM建模工具；BIM建模工具用于录入桥梁的三维实体模型、桥梁结构应力信息以及桥梁运营实时信息，并将三者整合得到集成了桥梁结构应力信息以及桥梁运营实时信息的三维实体模型，存储至桥梁BIM模型库。

进一步地，还包括桥梁信息管理服务器，桥梁信息管理服务器的输入端连接桥梁BIM模型库的输出端；桥梁信息管理服务器包括模型管理模块、用户管理模块、调用管理模块以及系统管理模块；

模型管理模块用于处理新模型入库以及模型资料修改；用户管理模块用于管理用户资料；调用管理模块用于管理和查询桥梁信息管理服务器的调用情况；系统管理模块用于数据信息的维护。

进一步地，还包括云端服务器，三维实体建模器的输出端口连接云端服务器，用于三维实体模型的实时发布与分享。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种既有桥梁快速BIM建模方法，包括如下步骤：

(1)数据采集：在桥梁四周设立至少两个扫描站点，架设三维激光扫描仪，扫描获取不同视角的点云数据；

(2)数据处理：将扫描获取的各站点云数据进行处理，形成完整准确的桥梁点云；

(3)三维实体建模：利用三维建模工具将桥梁点云拟合成多个表面并进行漏洞修补，形成完整的桥梁三维实体模型；

(4)BIM建模：利用三维建模工具对桥梁三维实体模型进行构件分块处理，分别导入BIM建模器制成族文件，构建桥梁BIM模型。

进一步地，步骤(4)中还包括将生产建造、运营维护信息集成到BIM模型中形成信息完整的桥梁BIM模型。

进一步地，利用三维建模工具对桥梁三维实体模型进行分块处理，分别导入BIM建模器制成族文件，构建桥梁BIM模型。

进一步地，还包括步骤(5)模型数据库建立及应用：对区域内的大量桥梁进行快速BIM建模，将模型分类整理形成本区域桥梁BIM模型数据库，配合现代桥梁检测技术和本区域市政设施及路网系统支持区域内桥梁数字化运营维护管理，实现区域内桥梁的智能诊断、精准维修和智慧交通的应用。

进一步地，步骤(1)中，对于桥梁隐蔽处以及有障碍物遮挡部分，采用无人机机载扫描、机械臂机载扫描或人工手持设备扫描方式来实现全方位、多角度的全面扫描，以获得完整的点云数据。

进一步地，步骤(2)包括如下步骤：将采集的多站数据根据标靶建立的坐标系拼接成全桥的点云模型；将桥身及其周围因空气中的水汽或扬尘颗粒等杂质干扰产生的错误点进行剔除；将除桥梁实体以外的周围环境产生的多余点云数据进行剔除。

进一步地，步骤(1)还包括使用影像采集器多角度获取外业影像资料；步骤(3)还包括配合外业扫描获取的外业影像资料，对三维实体模型进行贴图处理，生成逼真、生动的虚拟模型，用于云端的实时发布与分享，以提高在线协作的工作效率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、由于采用了三维激光扫描技术作为桥梁三维几何数据的采集工具，它克服了传统近景摄影测量技术被动测距的局限性(受自然光的条件限制)。在实际的应用实例中，通过三维扫描建立的BIM模型与实际建筑物的对比，发现两者相似度可达到90％以上。

2、由三维激光扫描技术获取的全彩点云模型，经过三维实体建模软件处理，可生成逼真、精细的虚拟模型，可用于网页实时发布与共享，提高协同工作的效率。

3、整个BIM建模过程，便捷、快速、精准，针对于中小型桥梁，从外业扫描到建立完整BIM模型数个小时，模型误差可控制在毫米级。

4、将大量桥梁BIM模型资料信息归档整理后，建立桥梁BIM模型库，配合现代桥梁检测技术和本区域市政设施及路网系统支持区域内桥梁数字化运营维护管理，能够取得快速、高效、高精度的桥梁BIM模型及模型库建立的有益效果。

5、实时集成、查阅、修改、共享桥梁的各种参数信息，配合现代桥梁检测技术和本区域市政设施及路网系统支持区域内桥梁的精准维修、智能诊断以及智慧交通等数字化运营维护工作的决策，给桥梁的数字化管理带来便利。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参照图1，为本发明优选实施例的系统结构图。本发明的既有桥梁快速BIM建模系统，包括：三维建模单元、BIM建模单元；三维建模单元包括三维激光扫描仪、点云数据处理器、三维实体建模工具；三维激光扫描仪的输出端连接点云数据处理器的输入端，点云数据处理器的输出端连接三维实体建模工具的输入端；BIM建模单元包括BIM建模工具、传感器组、桥梁BIM模型库；结构应力传感器安装于桥梁的应力检测部位，其输出端连接BIM建模工具的输入端，三维实体建模工具的输出端连接BIM建模工具的输入端，BIM建模工具的输出端连接桥梁BIM模型库的输入端。三维实体建模器的输出端口连接云端服务器，用于三维实体模型的实时发布与分享。

其中，三维激光扫描仪用于扫描桥梁实体以获得桥梁实体点云数据，并发送至点云数据处理器；点云数据处理器用于对点云数据进行预处理，生成完整的全彩点云模型并发送至三维实体建模工具；三维实体建模工具用于对全彩点云模型中各点云模型面的漏洞进行修复，生成三维实体模型并发送至BIM建模工具。

结构应力传感器用于检测桥梁结构应力信息以及监测桥梁运营实时信息并发送至BIM建模工具；BIM建模工具用于录入桥梁的三维实体模型、桥梁结构应力信息以及桥梁运营实时信息，并将三者整合得到集成了桥梁结构应力信息以及桥梁运营实时信息的三维实体模型，存储至桥梁BIM模型库。

桥梁信息管理服务器的输入端连接桥梁BIM模型库的输出端；桥梁信息管理服务器包括模型管理模块、用户管理模块、调用管理模块以及系统管理模块；模型管理模块用于处理新模型入库以及模型资料修改；用户管理模块用于管理用户资料；调用管理模块用于管理和查询桥梁信息管理服务器的调用情况；系统管理模块用于数据信息的维护。

下面结合图2介绍本发明的工作原理及方法步骤。

1.数据采集：

1)桥面扫描：针对桥面路面及其附属设施数据的采集，采用设站式扫描。依据桥跨长度L和扫描仪有效扫描范围D(主流的长距离激光扫描仪约为100～150m)，沿桥跨方向设置合理的桥面扫描站数A≈L/D(如常见的桥长为30～100m的中型梁桥，设置1站即可)，同时沿垂直桥跨方向分别在人行横道及桥面中央分隔带设置3个扫描站点，总设站数为3A。

2)桥跨扫描：针对桥梁立面桥跨轮廓数据的采集，采用设站式扫描。在桥两侧岸边或其它人眼可直接观测到桥跨全景的位置。设站数参照桥面扫描的设置公式。

3)桥梁墩台等细节扫描：针对桥底部及下部结构细节数据的采集，采用无人机机载扫描和机械臂机载扫描相结合。无人机为遥控，机械臂从上部结构或桥墩台顶部悬挑式扫描。

4)获取影像资料：使用数码相机对桥梁进行多角度拍照，获取桥梁真实的表观纹理。

2.数据处理

将上一步采集到的点云数据导入到三维激光扫描仪专用点云数据处理软件，将扫描获取的多站点云数据进行预处理，包括对多站数据的拼接、降低噪点以及剔除错误和多余点云等步骤，经过上述处理，将分站点云数据拼接成完整、准确的桥梁点云模型；

3.三维实体建模与共享

1)三维实体建模：利用三维建模软件将桥梁点云模型的各点状平面拟合成实体表面，并对其检测、修补漏洞，从而将桥梁三维点云模型实体化，使其成为一个完整的三维实体模型，形成可用于BIM建模的三维实体模型。

2)模型共享，协同工作

配合由数码相机获取到的外业影像素材，使用三维实体建模软件进行纹理贴图处理，可生成逼真、生动的虚拟模型，用于实时网页发布与分享，实现高效率的协同工作；

4.BIM建模

利用三维建模软件，对桥梁三维实体模型按主要构件，如桥面板、梁、墩柱、桥台、栏杆灯柱、交通设施等进行分块处理，生成桥梁构件三维实体模型，然后将外业扫描收集好的照片素材通过3DSMAX软件进行纹理贴图处理，用于实时网页发布与分享，实现高效率的协同工作；借助3DSMAX的分块功能，分别将桥面、扶手、桥墩等桥梁构件导出DWG格式的图纸，再分别导入BIM建模软件转制成族文件，可用于建立桥梁构件族库。使用桥梁构件族，可快速建立参照图纸，中完成桥梁BIM模型。同时，将桥梁建造、合同文件等相关非几何信息集成入BIM模型，并在实体桥梁上安装压力传感器、位移传感器、摄像头等用于采集桥梁运营过程中的实时表观、结构健康状态信息，借助IFC标准框架，将桥梁运营过程的状态信息集成到BIM模型中，形成信息完整的桥梁BIM模型；

5)模型数据库建立及应用：对区域内的大量桥梁进行快速BIM建模，将模型分类整理形成本区域桥梁BIM模型数据库，并开发与之配套的桥梁模型数据管理系统，数据管理系统主要由模型管理、数据管理、调用管理、系统管理四个子系统组成。配合现代桥梁检测技术，包括桥梁识别、损伤检测和定位等以及本区域市政设施及路网系统，结合物联网、大数据、云计算、移动互联网等新兴技术，形成桥梁智能诊断、精准维修、智慧交通三大功能模块支持区域内桥梁数字化运营维护管理。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。