建筑設計行業(yè)引入地信技術不是偶然

——與北京市建筑設計研究院項目團隊研討三維掃描技術在海外工程項目中的應用

近幾年，隨著海量數(shù)據(jù)增加以及科技的發(fā)展，測繪地理信息行業(yè)不斷涌現(xiàn)出新的技術，從數(shù)據(jù)采集、處理到使用，再到現(xiàn)在挖掘數(shù)據(jù)背后的價值，測繪地理信息技術已經(jīng)被廣泛應用在各個領域，尤其是近幾年測繪地理信息行業(yè)和建筑行業(yè)也有了頻繁的跨行業(yè)的合作。

隨著中國在國際舞臺上重要性的提升，建筑設計行業(yè)新增了許多援外項目和駐外使領館的新建和改造工程，此類項目現(xiàn)場信息的完整采集至關重要，而三維信息掃描技術又能夠?qū)崿F(xiàn)短期內(nèi)完整、準確采集信息的目標。所以建筑設計行業(yè)引入地理信息手段并不算偶然，而是順從時代發(fā)展的產(chǎn)物。

泰伯網(wǎng)了解到，今年上半年北京市建筑研究院項目團隊在某海外改造工程中便嘗試應用了三維掃描技術。對此，泰伯網(wǎng)聯(lián)系到了本次工程中的負責人，對參與本次海外建筑改造的工程設計師和提供三維掃描技術的北京奧騰巖石科技有限公司相關技術人員做了采訪，就本次雙方合作的工程項目展開了進一步總結(jié)和探討。

采訪對象：

北京市建筑設計研究院某海外改造工程設計團隊主要設計師：

陳穎，北京市建筑設計研究院方案創(chuàng)作工作室主任工程師，某海外改造工程主持人;

奧京，北京市建筑設計研究院方案創(chuàng)作工作室建筑師，某海外改造工程建筑專業(yè)負責人。

北京奧騰巖石科技有限公司：

蔣超，北京奧騰巖石科技有限公司戰(zhàn)略與市場總監(jiān)，某海外改造工程技術負責人

冀然，北京奧騰巖石科技有限公司資深工程師，某海外改造工程測繪技術負責人

巖石科技技術人員與北京市建筑設計研究院設計師合影(從左至右分別為：巖石科技項目工程師冀然、巖石科技戰(zhàn)略發(fā)展總監(jiān)蔣超、北京市建筑設計院項目經(jīng)理陳穎、北京市建筑設計研究院項目設計師奧京)

泰伯網(wǎng)：北京建筑設計研究院在某海外改造工程中應用三維掃描技術的契機是什么?

陳穎：我們公司作為一家大型的、和共和國同齡的設計單位，從歷史淵源上，承接過一系列重要的國家級和北京市的重要項目，也因此獲得和積攢了很多業(yè)主的好評和信任。

近些年，隨著中國在國際舞臺上重要性的提升，也隨著中國經(jīng)濟實力的增強，我們業(yè)務范圍內(nèi)一些援外項目和駐外使領館項目的新建和改造工程量也在不斷增加。這些海外項目，是一類特殊的項目類型。這種特殊性體現(xiàn)在由于空間和地域的差異而帶來的一系列控制難題上。如當?shù)貧夂颦h(huán)境影響、當?shù)厥姓l件影響、當?shù)卦O計標準、當?shù)匾?guī)劃條件和審批的影響。還有設計和施工是否由國內(nèi)來完成?材料設備是國內(nèi)采購，還是當?shù)夭少?除此之外，特別是對于改造項目而言，現(xiàn)場信息的采集的完整性，至關重要。如果前期現(xiàn)場信息采集不全，沒有做好充分的評估和預判，會直接導致設計過程中的偏差，影響后續(xù)招標、施工深化和加工建造。對于國內(nèi)的常規(guī)項目，即使是跨省市的項目，在設計階段和施工階段，通過多次的溝通和現(xiàn)場服務，可以將設計意圖比較順暢的傳遞給加工企業(yè)，保障最終的工程完成品質(zhì)。但是海外項目設計人員或者加工企業(yè)直接到達現(xiàn)場進行調(diào)研的機會不能是無限的。所以，如何利用僅有的幾次調(diào)研機會做好前期數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集工作，很有價值。

目前，正好我們公司又承接了某海外項目的改建任務。以往，我們在開始工程設計前，都有安排設計團隊考察。每個專業(yè)僅安排1個名額，而且為期不超過5天。對于面積達到2-3萬平米以上的項目，很難在短時間內(nèi)既完成專業(yè)的搜資工作，又完成現(xiàn)場的測繪工作。所以，這個項目準備設計考察的時候，我們同時就實施了采用三維信息掃描的構(gòu)想。這個改造項目，主要是針對內(nèi)部使用功能的重新調(diào)整。而且大樓的內(nèi)部已經(jīng)對原有的裝修做了拆除，室內(nèi)幾乎為毛坯狀態(tài)，也是采用三維掃描最為合適的時機。

蔣超：我簡要補充一下，這幾年建筑行業(yè)設計工作正在由傳統(tǒng)的二維圖紙設計，轉(zhuǎn)向三維數(shù)字信息模型設計，也就是我們熟知的BIM，目前整個BIM市場大概有400-500億規(guī)模，其中用到測量相關技術的項目越來越多，大概5%-10%項目比例。

泰伯網(wǎng)：在選取解決方案的過程中，北京建筑設計研究院為什么會選擇巖石科技?

陳穎：選擇巖石科技也是源于Autodesk公司的推薦。Autodesk公司是我們公司的長期合作伙伴，我們共同在設計工作平臺和三維前沿科技研究方面有多項合作計劃。當時我們設計考察團組出發(fā)前的時間非常緊張，在策劃海外項目的三維掃描工作時，我們也是借助合作伙伴在相關領域的聯(lián)絡，為我們提供了更多具備合作價值的團隊。其實巖石科技之前在我們公司也做過和三維掃描相關的推廣普及講座。但借這個項目的機會，我們就有了初次的合作。另外，我們對三維掃描團隊的選擇還有幾個硬性的要求。一個是我們要求承接三維掃描工作的單位必須是全中資背景。而且承接過國內(nèi)相關重點工程的任務。這主要是考慮到三維掃描數(shù)據(jù)的安全性問題。第二個是，建筑三維掃描不同于雕塑或者工業(yè)產(chǎn)品的掃描，我們還要求參與單位必須具備測繪的能力，并將測繪方法與三維掃描相結(jié)合，為建筑定位創(chuàng)造條件。第三個是，因為時間很緊張，我們還來不及簽訂合同，但是合作單位必須先期配合我們的時間開始工作。這對巖石科技是很大的風險。以上三個前提，巖石科技都達到了我們的要求。也很感謝巖石科技，在還沒有正式合同約定的時候，就全力參與到項目的工作中。

蔣超：感謝北京建筑院提供的項目合作機會，我們公司在此合作之前，就已經(jīng)和國內(nèi)大型建筑類公司進行了廣泛合作，例如和中建一局望京SOHO項目、平安金融中心項目，中建五局深圳地鐵項目，湖南建工集團梅溪湖項目，蘇州金螳螂南京青奧會場館等項目，豐富的項目實施經(jīng)驗，使得我們能很好的把控項目工期、人員、設備、預算、成果，我們知道，海外項目實施現(xiàn)場情況復雜，工期緊，不可控因素多，這些項目經(jīng)驗也是雙方能迅速達成一致的重要基礎。

泰伯網(wǎng)：本次項目將測量與BIM相結(jié)合的過程中，巖石科技提供了哪些技術、產(chǎn)品?最終交付的產(chǎn)品形態(tài)是什么?

奧京：巖石科技在配合現(xiàn)場掃描工作時，為我們項目提供了最先進的測繪儀器、并結(jié)合我們討論的，針對項目的特點，采用了固定支架式的GLS-2000高清三維掃描儀及測繪定位用的MS05高精度專業(yè)全站儀。并在出發(fā)前，和我們溝通了初步的測繪結(jié)合三維掃描方案。為什么強調(diào)是測繪結(jié)合三維掃描?這也是我們建筑項目掃描不同于工業(yè)產(chǎn)品掃描的特點。工業(yè)產(chǎn)品的尺度是有限的，簡單的掃描就能呈現(xiàn)對象的全部。工業(yè)產(chǎn)品也是單擺浮擱的，沒有和其他參照物相對關系定位的問題。而建筑項目的尺度是巨大的，必須經(jīng)過分區(qū)、分層、分段的掃描，才能將一個完整的建筑體信息采集完全。相對于工業(yè)產(chǎn)品，建筑體掃描涉及到站點是無窮多個，那么用什么樣的方法和步驟能保證多個站點的拼合信息是準確的，是一個需要提前思考和策劃的問題。而且工作現(xiàn)場，我們也找不到原始的工程坐標點，只能自己定義一套相對坐標系統(tǒng)，這就是本次掃描的特點，必須結(jié)合測繪。所以，巖石科技這次給我們派駐的現(xiàn)場工程師除了專門負責三維掃描的工程師，還有專業(yè)的測繪工程師。

最終的交付產(chǎn)品形態(tài)是點云模型，但是基于我們工作的需要，巖石科技還配合我們進行掃描模型和理論模型的比對工作研究。這也是我想在下一個問題里重點說的。

蔣超：考慮的項目精度要求很高，我們使用拓普康MS05最高精度的全站儀(精度遠高于原計劃中的ES600)，和拓普康GLS-2000三維激光掃描儀聯(lián)合進行作業(yè)，高精度全站儀確保了整個控制網(wǎng)和每個樓層控制點的整體精度，掃描儀在此控制點基礎上的掃描，能將每一層的掃描精度都控制在合理的范圍以內(nèi)，剛剛提到，我們是有測繪資質(zhì)依托的掃描技術公司，我們有對應的測繪設備和技術人員，所以在精度這一個環(huán)節(jié)，整個項目下來，大概300多個測站，我們和二維圖紙比較了一下，在已知的區(qū)域精度達到了很高的標準。

泰伯網(wǎng)：在后期三維數(shù)據(jù)處理方面，巖石科技提供的解決方案是否達到了高效精準自動化處理水平?

奧京：其實在出發(fā)前，我們就已經(jīng)有一個基于改造工程原有圖紙的理論模型。但是，大家肯定都知道，圖紙和現(xiàn)場三維掃描模型之間的差距肯定是有的。而且，既然是改造工程，那么我們還不能忽視現(xiàn)場的條件。當時在現(xiàn)場時，我們的測繪工程師利用全站儀在場地布網(wǎng)建立了一套自己的相對坐標系，而理論模型又是根據(jù)建筑軸網(wǎng)制定的坐標系。所以，從現(xiàn)場掃描回來后，我們有一項重要的工作就是，如何將掃描的點云模型和原有的理論模型的兩套坐標系統(tǒng)一到同一坐標系下，并在此基礎上有效利用這些掃描的數(shù)據(jù)。

首先，巖石科技為我們推薦了Geomagic軟件，此軟件可通過圈選一個面上任意幾個區(qū)域點云的方式擬合出一個平面，同時也可以通過點或面將點云模型和理論模型進行特征對齊，還可進行全自動分析進行偏差校核。

然后，我們根據(jù)軟件的特點制定坐標對齊的方案——先進行單層點云模型和理論模型的對齊，在單層點云中做出三個坐標參照點，隨點云聯(lián)動性變動。利用Geomagic軟件作出單層點云和理論模型較為關鍵的12個角點(一一對應)，然后再在點云和理論模型的12個角點中各任取4個對應點，進行特征對齊，多次計算取誤差最小的一次。其余各層也均按此方式進行對齊取最優(yōu)結(jié)果，得出此對齊結(jié)果下隨點云變動的三個坐標參照點的坐標。最后將點云由原來的坐標參照點移動對齊到現(xiàn)求得的三坐標下，我們即認為此位置是點云與理論模型最終坐標對齊的位置。

過程說起來較為復雜，總結(jié)一句就是從幾何邏輯出發(fā)，利用兩個坐標系統(tǒng)對應的坐標參照點進行對齊，且又通過多次計算的方式減少誤差，最終求得一個較為穩(wěn)定的結(jié)果。

據(jù)此，我們分析點云模型和理論模型的偏移差距，也是方便以后我們在工程設計中，制定出一些合理的工作原則，來平衡新設計和實際狀況之間的差距。

泰伯網(wǎng)：目前，測量技術和BIM互操作性發(fā)展如何?3D測量在建筑信息化領域應用，優(yōu)勢是什么?

陳穎：我理解三維掃描技術相對于傳統(tǒng)的、單一的測繪手段來說，最大的優(yōu)點是能提高獲取信息的效率，同時能保證對象信息的完整性。有了這項技術，我們可以對早期沒有完整模型數(shù)據(jù)的建筑進行后續(xù)的信息錄入，相當于為已有的建筑補充一份檔案。大到城市中重點的文物建筑、重要的地標建筑;中國政府在海外投資的多項房產(chǎn);小到一幢普通的民用建筑。這一項應用無論是對于城市的管理者，還是對于項目的業(yè)主、或者是建筑大樓的運營商，都是極具價值的。但是，目前我所了解的三維掃描技術的輔助工程項目的服務實例還是有限的，所以，能總結(jié)出來的成熟的服務內(nèi)容和流程，也是有限的。主要還是應用在對已有建筑的信息采集方面，對于后續(xù)如何更好的使用和分析數(shù)據(jù)，還有很大的待開發(fā)空間。

蔣超：測繪技術和BIM的互操作性在這幾年有了很大的改進和提高，大概3-4年前，我們掃描獲取的點云還需要第三方插件才能讀入到Autodesk軟件里來，現(xiàn)在這個問題早已不存在，不僅如此，現(xiàn)在Autodesk公司還專門為拓普康放樣機器人做了一個插件，能將BIM模型無縫、三維立體的進行放樣和測量工作。3D測量在建筑信息化領域發(fā)展很快，除了我剛剛提到的三維激光掃描儀，BIM放樣機器人，我們還和萬達商業(yè)規(guī)劃院一起合作了重慶萬達城項目，采用的也是測繪無人機技術，大量的實際項目經(jīng)驗可以告訴我們，測量技術在建筑信息化領域大有可為，主要優(yōu)勢在于測量技術注重精度和效率，這一點與BIM應用中精細化管理趨勢是完全一致的。

泰伯網(wǎng)：在BIM領域內(nèi)，使用更為精準的測量產(chǎn)品是否已經(jīng)成為一種主流趨勢?您如何看待3S技術在該領域的應用前景?

陳穎：目前，三維掃描還是一項出于起步階段的技術，至少對于建筑行業(yè)還是這樣。雖然這項技術的出現(xiàn)，從我聽說開始，已經(jīng)有8年左右的時間，但是在建筑行業(yè)的應用還并不普遍。2010的時候，我們有主持形態(tài)復雜的建筑類型，當時建筑還在施工過程中，有三維掃描技術的推廣廠家，找到我們項目的業(yè)主，說可以提供針對項目的三維掃描技術，通過將點云模型和實際建筑設計模型比對，來考量現(xiàn)場的工程實施情況。當時，對于那個非線性的復雜形態(tài)的建筑來說，的確很有吸引力。但是據(jù)說最后還是服務費用的問題，業(yè)主沒有采納。到了2015年左右，隨著我們公司新主持的中國尊項目的推進，我們看到施工總包自己掏錢購買了時下最為先進的三維掃描設備，在施工現(xiàn)場通過三維掃描，對現(xiàn)場施工情況進行管控。不得不說，從我所了解的這兩個項目的、5-6年之間的變遷，就可以感受到三維掃描技術的發(fā)展空間是巨大的。今后還會有更多高品質(zhì)項目的施工單位，甚至業(yè)主，可能會更加主動的去觸及三維掃描的領域。

通過三維掃描，我們可以在有限的時間內(nèi)獲得更加準確、且完整的數(shù)據(jù)，這數(shù)據(jù)量是傳統(tǒng)通過人工測繪無法企及的。而且，隨著目前建筑行業(yè)中，從業(yè)主方、設計方、監(jiān)理方到施工方對于BIM技術的全面認知、接納到實施覺悟的提高，三維掃描技術將能獲得更好的比對基礎，這也是三維掃描技術有更加廣闊發(fā)展前景的時代環(huán)境。

蔣超：我剛剛提到了測量技術在BIM應用領域中優(yōu)勢，和項目經(jīng)驗，陳經(jīng)理也分享了設計院對于三維的理解和分析，這幾年我們國家的BIM應用發(fā)展很快，測繪能豐富的地理數(shù)據(jù)成果，和BIM的聯(lián)系會越來越緊密，至于能否成為主流趨勢，我們的判斷是新興的測量技術會成為重要的BIM工藝，就像現(xiàn)在的建筑施工都離不開全站儀、水準儀，未來可能離不開三維掃描、測繪無人機、BIM放樣機器人等。關于3S技術在該領域的應用前景，目前來看，BIM已經(jīng)在融合越來越多的測量數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品和技術，未來我相信，BIM也會融合越來越多的GIS數(shù)據(jù)、模型和分析方法，彼此都會打破專業(yè)的界限，提供給業(yè)主呈現(xiàn)一個更加美好的解決方案。

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