本發明屬于大型建筑物快速建模領域，更具體地，涉及一種既有橋梁快速BIM建模系統及方法。

背景技術：

對于某些多江多湖、水域豐沛的城市而言，隨著城市范圍的不斷發展，大規模的橋梁建設給日后的運營管理帶來了嚴峻的挑戰。為了實現支持區域內橋梁數字化運營維護的工作，使橋梁管理走向科學化、合理化、規范化，加強對包括人、車及其他設施在內的交通要素的有效監控管理，提高有限資源的共享利用率，就需要建立一個覆蓋區域全部橋梁的BIM模型數據庫，作為支撐整個運營期橋梁維護的重要基礎。

建筑信息建模(BIM)技術集參數化、集成化、可視化等優勢，能夠使橋梁建筑的信息參數化表達并實時集成于BIM模型中(如結構健康監測信息)，一個完備的橋梁BIM模型實質上意味著一個數據庫。建立橋梁BIM模型數據庫的核心技術是，針對橋梁BIM模型的快速建模方法。

目前用于橋梁BIM模型的快速建模方法主要有：AutoCAD二維圖紙建模、遙感及GIS技術、三維全息照相技術。各種檢測方法均有各自的優點，但也各自均存在不足。如AutoCAD二維圖紙建模圖紙的方法，只適用于保留有圖紙的橋梁BIM建模，對于因時間久遠或者其他原因缺失了圖紙的橋梁則無法應用該方法建模。遙感及地理信息系統技術(GIS)主要應用于大范圍的空間數據測量，如地形、地貌測量，農業、林夜監控，其覆蓋范圍較廣，但精度較差，無法滿足橋梁精細化建模的要求。三維全息照相技術雖然可以獲取到空間物體較為精確的幾何尺寸，但面向工程建模應用時缺乏相應的處理算法，且不利于圖像數據在各類軟件間的流動，兼容性差，難以利用已獲取到的三維幾何信息進行BIM建模。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明旨在提供一種快速BIM建模系統及方法，能夠針對設計圖紙缺失的既有橋梁進行BIM建模，從而通過對區域內所有橋梁的快速BIM建模形成橋梁BIM模型數據庫，解決為區域內大量橋梁建筑提供等數字化運營維護的基礎數據庫的技術難題。

為了實現上述目的，本發明提供了一種既有橋梁快速BIM建模系統，包括：三維建模單元、BIM建模單元；

三維建模單元包括三維激光掃描儀、點云數據處理器、三維實體建模工具；三維激光掃描儀的輸出端連接點云數據處理器的輸入端，點云數據處理器的輸出端連接三維實體建模工具的輸入端；

BIM建模單元包括BIM建模工具、傳感器組、橋梁BIM模型庫；結構應力傳感器安裝于橋梁的應力檢測部位，其輸出端連接BIM建模工具的輸入端，三維實體建模工具的輸出端連接BIM建模工具的輸入端，BIM建模工具的輸出端連接橋梁BIM模型庫的輸入端；

其中，三維激光掃描儀用于掃描橋梁實體以獲得橋梁實體點云數據，并發送至點云數據處理器；點云數據處理器用于對點云數據進行預處理，生成完整的全彩點云模型并發送至三維實體建模工具；三維實體建模工具用于對全彩點云模型中各點云模型面的漏洞進行修復，生成三維實體模型并發送至BIM建模工具；

結構應力傳感器用于檢測橋梁結構應力信息以及監測橋梁運營實時信息并發送至BIM建模工具；BIM建模工具用于錄入橋梁的三維實體模型、橋梁結構應力信息以及橋梁運營實時信息，并將三者整合得到集成了橋梁結構應力信息以及橋梁運營實時信息的三維實體模型，存儲至橋梁BIM模型庫。

進一步地，還包括橋梁信息管理服務器，橋梁信息管理服務器的輸入端連接橋梁BIM模型庫的輸出端；橋梁信息管理服務器包括模型管理模塊、用戶管理模塊、調用管理模塊以及系統管理模塊；

模型管理模塊用于處理新模型入庫以及模型資料修改；用戶管理模塊用于管理用戶資料；調用管理模塊用于管理和查詢橋梁信息管理服務器的調用情況；系統管理模塊用于數據信息的維護。

進一步地，還包括云端服務器，三維實體建模器的輸出端口連接云端服務器，用于三維實體模型的實時發布與分享。

為了實現上述目的，本發明還提供了一種既有橋梁快速BIM建模方法，包括如下步驟：

(1)數據采集：在橋梁四周設立至少兩個掃描站點，架設三維激光掃描儀，掃描獲取不同視角的點云數據；

(2)數據處理：將掃描獲取的各站點云數據進行處理，形成完整準確的橋梁點云；

(3)三維實體建模：利用三維建模工具將橋梁點云擬合成多個表面并進行漏洞修補，形成完整的橋梁三維實體模型；

(4)BIM建模：利用三維建模工具對橋梁三維實體模型進行構件分塊處理，分別導入BIM建模器制成族文件，構建橋梁BIM模型。

進一步地，步驟(4)中還包括將生產建造、運營維護信息集成到BIM模型中形成信息完整的橋梁BIM模型。

進一步地，利用三維建模工具對橋梁三維實體模型進行分塊處理，分別導入BIM建模器制成族文件，構建橋梁BIM模型。

進一步地，還包括步驟(5)模型數據庫建立及應用：對區域內的大量橋梁進行快速BIM建模，將模型分類整理形成本區域橋梁BIM模型數據庫，配合現代橋梁檢測技術和本區域市政設施及路網系統支持區域內橋梁數字化運營維護管理，實現區域內橋梁的智能診斷、精準維修和智慧交通的應用。

進一步地，步驟(1)中，對于橋梁隱蔽處以及有障礙物遮擋部分，采用無人機機載掃描、機械臂機載掃描或人工手持設備掃描方式來實現全方位、多角度的全面掃描，以獲得完整的點云數據。

進一步地，步驟(2)包括如下步驟：將采集的多站數據根據標靶建立的坐標系拼接成全橋的點云模型；將橋身及其周圍因空氣中的水汽或揚塵顆粒等雜質干擾產生的錯誤點進行剔除；將除橋梁實體以外的周圍環境產生的多余點云數據進行剔除。

進一步地，步驟(1)還包括使用影像采集器多角度獲取外業影像資料；步驟(3)還包括配合外業掃描獲取的外業影像資料，對三維實體模型進行貼圖處理，生成逼真、生動的虛擬模型，用于云端的實時發布與分享，以提高在線協作的工作效率。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有如下有益效果：

1、由于采用了三維激光掃描技術作為橋梁三維幾何數據的采集工具，它克服了傳統近景攝影測量技術被動測距的局限性(受自然光的條件限制)。在實際的應用實例中，通過三維掃描建立的BIM模型與實際建筑物的對比，發現兩者相似度可達到90％以上。

2、由三維激光掃描技術獲取的全彩點云模型，經過三維實體建模軟件處理，可生成逼真、精細的虛擬模型，可用于網頁實時發布與共享，提高協同工作的效率。

3、整個BIM建模過程，便捷、快速、精準，針對于中小型橋梁，從外業掃描到建立完整BIM模型數個小時，模型誤差可控制在毫米級。

4、將大量橋梁BIM模型資料信息歸檔整理后，建立橋梁BIM模型庫，配合現代橋梁檢測技術和本區域市政設施及路網系統支持區域內橋梁數字化運營維護管理，能夠取得快速、高效、高精度的橋梁BIM模型及模型庫建立的有益效果。

5、實時集成、查閱、修改、共享橋梁的各種參數信息，配合現代橋梁檢測技術和本區域市政設施及路網系統支持區域內橋梁的精準維修、智能診斷以及智慧交通等數字化運營維護工作的決策，給橋梁的數字化管理帶來便利。

附圖說明

圖1是本發明的系統結構示意圖；

圖2是本發明的方法流程示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

請參照圖1，為本發明優選實施例的系統結構圖。本發明的既有橋梁快速BIM建模系統，包括：三維建模單元、BIM建模單元；三維建模單元包括三維激光掃描儀、點云數據處理器、三維實體建模工具；三維激光掃描儀的輸出端連接點云數據處理器的輸入端，點云數據處理器的輸出端連接三維實體建模工具的輸入端；BIM建模單元包括BIM建模工具、傳感器組、橋梁BIM模型庫；結構應力傳感器安裝于橋梁的應力檢測部位，其輸出端連接BIM建模工具的輸入端，三維實體建模工具的輸出端連接BIM建模工具的輸入端，BIM建模工具的輸出端連接橋梁BIM模型庫的輸入端。三維實體建模器的輸出端口連接云端服務器，用于三維實體模型的實時發布與分享。

其中，三維激光掃描儀用于掃描橋梁實體以獲得橋梁實體點云數據，并發送至點云數據處理器；點云數據處理器用于對點云數據進行預處理，生成完整的全彩點云模型并發送至三維實體建模工具；三維實體建模工具用于對全彩點云模型中各點云模型面的漏洞進行修復，生成三維實體模型并發送至BIM建模工具。

結構應力傳感器用于檢測橋梁結構應力信息以及監測橋梁運營實時信息并發送至BIM建模工具；BIM建模工具用于錄入橋梁的三維實體模型、橋梁結構應力信息以及橋梁運營實時信息，并將三者整合得到集成了橋梁結構應力信息以及橋梁運營實時信息的三維實體模型，存儲至橋梁BIM模型庫。

橋梁信息管理服務器的輸入端連接橋梁BIM模型庫的輸出端；橋梁信息管理服務器包括模型管理模塊、用戶管理模塊、調用管理模塊以及系統管理模塊；模型管理模塊用于處理新模型入庫以及模型資料修改；用戶管理模塊用于管理用戶資料；調用管理模塊用于管理和查詢橋梁信息管理服務器的調用情況；系統管理模塊用于數據信息的維護。

下面結合圖2介紹本發明的工作原理及方法步驟。

1.數據采集：

1)橋面掃描：針對橋面路面及其附屬設施數據的采集，采用設站式掃描。依據橋跨長度L和掃描儀有效掃描范圍D(主流的長距離激光掃描儀約為100～150m)，沿橋跨方向設置合理的橋面掃描站數A≈L/D(如常見的橋長為30～100m的中型梁橋，設置1站即可)，同時沿垂直橋跨方向分別在人行橫道及橋面中央分隔帶設置3個掃描站點，總設站數為3A。

2)橋跨掃描：針對橋梁立面橋跨輪廓數據的采集，采用設站式掃描。在橋兩側岸邊或其它人眼可直接觀測到橋跨全景的位置。設站數參照橋面掃描的設置公式。

3)橋梁墩臺等細節掃描：針對橋底部及下部結構細節數據的采集，采用無人機機載掃描和機械臂機載掃描相結合。無人機為遙控，機械臂從上部結構或橋墩臺頂部懸挑式掃描。

4)獲取影像資料：使用數碼相機對橋梁進行多角度拍照，獲取橋梁真實的表觀紋理。

2.數據處理

將上一步采集到的點云數據導入到三維激光掃描儀專用點云數據處理軟件，將掃描獲取的多站點云數據進行預處理，包括對多站數據的拼接、降低噪點以及剔除錯誤和多余點云等步驟，經過上述處理，將分站點云數據拼接成完整、準確的橋梁點云模型；

3.三維實體建模與共享

1)三維實體建模：利用三維建模軟件將橋梁點云模型的各點狀平面擬合成實體表面，并對其檢測、修補漏洞，從而將橋梁三維點云模型實體化，使其成為一個完整的三維實體模型，形成可用于BIM建模的三維實體模型。

2)模型共享，協同工作

配合由數碼相機獲取到的外業影像素材，使用三維實體建模軟件進行紋理貼圖處理，可生成逼真、生動的虛擬模型，用于實時網頁發布與分享，實現高效率的協同工作；

4.BIM建模

利用三維建模軟件，對橋梁三維實體模型按主要構件，如橋面板、梁、墩柱、橋臺、欄桿燈柱、交通設施等進行分塊處理，生成橋梁構件三維實體模型，然后將外業掃描收集好的照片素材通過3DSMAX軟件進行紋理貼圖處理，用于實時網頁發布與分享，實現高效率的協同工作；借助3DSMAX的分塊功能，分別將橋面、扶手、橋墩等橋梁構件導出DWG格式的圖紙，再分別導入BIM建模軟件轉制成族文件，可用于建立橋梁構件族庫。使用橋梁構件族，可快速建立參照圖紙，中完成橋梁BIM模型。同時，將橋梁建造、合同文件等相關非幾何信息集成入BIM模型，并在實體橋梁上安裝壓力傳感器、位移傳感器、攝像頭等用于采集橋梁運營過程中的實時表觀、結構健康狀態信息，借助IFC標準框架，將橋梁運營過程的狀態信息集成到BIM模型中，形成信息完整的橋梁BIM模型；

5)模型數據庫建立及應用：對區域內的大量橋梁進行快速BIM建模，將模型分類整理形成本區域橋梁BIM模型數據庫，并開發與之配套的橋梁模型數據管理系統，數據管理系統主要由模型管理、數據管理、調用管理、系統管理四個子系統組成。配合現代橋梁檢測技術，包括橋梁識別、損傷檢測和定位等以及本區域市政設施及路網系統，結合物聯網、大數據、云計算、移動互聯網等新興技術，形成橋梁智能診斷、精準維修、智慧交通三大功能模塊支持區域內橋梁數字化運營維護管理。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。