逆向建模是通过对工程中扫描得到的点云数据，结合专业建模软件，得到三维空间模型的一种方法。根据三维模型表示的方式不同，对点云数据进行三维模型重建有两种方法:一种是三维表面模型重建，主要是构造网格(三角形网格等)逼近物体表面;另一种是几何模型重建，常见于CAD中的轮廓模型[1]。前者构网方法简单，适用于地形建模，后者适用于建筑物等较规则实体，但点云数据量太大，普通 PC 机无法对点云数据进行处理[1]。
查阅近五年相关文献，三维激光逆向建模技术在建筑方面应用日趋成熟。文献[2] 利用三维激光扫描点云模型，创建主体建筑物的表面模型，然后导入Rhino(犀牛软件)进行逆向建模；文献[3-4] 从三维激光扫描点云模型提取的特征线导入 3ds Max 软件中逆向建模；文献[5]从耦合数据库出发研究逆向建模方法；文献[6]中应用激光扫描点云数据逆向建模得到构件现实模型，将分割好的古建筑构件点云数据生成 Delaunay 三角网格模型，是基于三角网格建模方法；文献[7] 阐述三维点云数据的准确配准拼接与坐标转换是确保大型建筑物重构精度的关键；文献[8]从正射深度影像中对线特征进行提取，然后绘制成建筑物的平立、剖面图形。
综上所述：文献[1]建模方法对电脑硬件要求高，文献[2-4]建模方法对工程师软件专业技能要求高，文献[5-8]建模方法对工程师测量专业造诣要求高，但均有一定的局限性。因此笔者搜集近两年与武汉天测测绘科技有限公司合作完成的相关案例，结合近年来BIM建模技术研究，探讨如何突破硬件或软件的局限，将测量领域软件与建筑领域软件进行格式转换，实现跨界，将点云模型导入常用软件中建模，逆向建立BIM模型，满足智能化建造和管理的要求。
1 基于三维激光扫描的建筑物逆向建模实现方法
通过三维激光扫描仪获得点云模型，点云模型经过拼接、去燥、配准等，形成完整建筑物点云模型。虽然建立了点云模型，但是此点云模型不能添加相关数据属性，未能真正将三维激光技术与建筑信息建模技术相结合，运用于施工过程中[9]，因此需逆向建立BIM模型，几种常见逆向建模实施技术路线见图1。
图1 逆向建模实施技术路线
Fig.1 Technical roadmap for reverse modeling
2 逆向建模的建筑信息模型分类
目前三维激光扫描技术在建筑施工领域的应用，主要集中在建筑施工领域[2，9-10]和古建筑保护领域[1，3-4，6]。根据建模前期基础，可分为两大类：根据三维激光扫描点云数据结合设计模型，逆向创建现场施工模型，用于施工协同管理及运营维护；另一种逆向建模是根据建筑物扫描点云数据，在设计图纸缺失前提下逆向建模，满足工程需求。根据对模型的要求各异，逆向建模技术获得的BIM模型承载功能亦不同，因此逆向建模实现方法随之而变。
3 几种常见的逆向建模方法和应用
3.1 利用3ds Max软件逆向建模
3ds Max三维建模软件可快速建模、赋予相应材质、设置灯光、后期渲染等，亦可导入BIM管理平台进行协同施工模拟，广泛应用于建筑设计和施工领域。
工程案例为某纺锤型建筑幕墙定位表面模型。该建筑物总体呈纺锤型，主体结构由钢结构组成，属平面弯曲结构，围护结构为全玻璃幕墙。玻璃幕墙骨架通过连接件固定于钢结构主体之上，此时幕墙骨架连接件的施工定位难度很大，因此现场采用三维激光技术结合3ds Max软件逆向建模进行幕墙连接件定位。其中锯齿型凸出钢板(图2c、图2d中点1)主要固定水平环向幕墙骨架，钢板下侧悬挑工字钢(图2c、图2d中点2)固定竖向弧形幕墙骨架，该纺锤型建筑模型幕墙定位见图2。
BIM技术团队使用徕卡P40高精度三维激光扫描仪，在每层钢结构施工完成后，对其开展扫描。每层扫描多达22站，确保扫描准确、全面、无死角，数据精度达2 mm。
在扫描过程中使用现场坐标进行定位，获得的点云数据可以直接转换到BIM模型坐标系中(图3)。
BIM工程师将现场三维激光扫描点云模型从Cyclone软件中导出为pts格式文件，导入Recap软件转换成rcp文件，再将rcp文件导入3ds Max软件进行建模，对幕墙结构深化设计，进行逆向建模，生成主体表面模型(图4)，消除幕墙安装前置工序累积误差。
根据JGJ 102—2013《玻璃幕墙工程技术规范》中表10.3.9幕墙安装连接件允许偏差，标高为±10.000 mm；平面位置在±20 mm。针对第四层幕墙H型钢连接件的平面定位，与设计尺寸对比，对所有平面位置偏差点连接件在幕墙骨架二次深化设计时进行修正，对超出平面位置允许偏差范围±20 mm的连接件进行重点标识和修正，保证后期幕墙安装精度。同时使用逆向BIM模型与“真实”的点云数据对深化设计成果进行再校核，完善深化设计成果，消除主体结构施工误差对下道工序幕墙施工造成的影响，分析对比见表1，分析对比走势见图5。
a—定位施工；b—总体定位设计；c—局部定位施工；d—局部定位设计。
图2 幕墙连接件定位
Fig.2 Curtain wall connector positioning diagram
a—纺锤体建筑下部点云模型；b—第四层点云模型；c—第四层点云模型中部分连接件。
图3 纺锤体建筑下部点云模型
Fig.3 Point cloud model of the lower part of the spindle building
a—第四层逆向幕墙连接件逆向模型(线框模型)；b—第四层幕墙局部连接件逆向模型(线框模型)；c—第四层幕墙局部连接件逆向模型(渲染模型)。
注：图4b中尺寸为零件长度和宽度，m。
图4 第四层幕墙连接件逆向模型
Fig.4 Reverse model of the fourth layer of curtain wall connector
表1 悬挑工字钢梁设计长度与三维激光扫描测定实际长度误差分析对比
Table 1 Analysis and comparison of error between design length and actual length measured by 3D laser scanning mm
定位点编号设计长度实际长度误差定位点编号设计长度实际长度误差1800815-1512800802-22800824-2413800806-63800779211480079554800818-1815800802-25800805-516800792868007841617800819-197800801-11880078911880078515198006611399800806-620800807-710800808-821800821-2111800820-2022800811-11
——设计长度；
监测长度；---误差。
图5 误差分析走势
Fig.5 Trend chart of error analysis
逆向BIM模型同时用于幕墙定位、幕墙板块的设计及施工指导，确保BIM模型与工程同步，并且为后期运维管理预留了真实漫游的图形基础。
本项目采用三维激光先进技术结合逆向BIM建模技术，逆向建立主体模型，结合幕墙骨架进行深化，输出幕墙排版图形，将排版数据输入数控机床，进行数字化生产，消除幕墙前置工序累积误差，保证了现场幕墙一次成型。根据幕墙加工厂统计，运用逆向BIM建模技术后，相比同类幕墙加工材料损耗降低60%，有效解决了不规则幕墙板块的加工和安装的不协调难题，取得了良好的经济效益和社会效益。
3ds Max逆向建模快速准确，且易上手，建模效率高。但模型不能承载材质信息，不能实现模型构件信息分类汇总和参数化联动，有一定的局限性。
3.2 利用Rhino(犀牛)软件逆向建模
近年来建筑外观造型复杂多变，体育馆、飞机场等公共建筑，由大量空间弯扭钢构件组成，幕墙施工难度加大。同时受主体钢结构施工工艺特征影响，施工过程中变形和误差易积累，使得主体实际模型与设计模型有偏差。为精确定位幕墙结构，需先采用三维激光扫描技术获取主体结构点云模型，采用Rhino(犀牛软件)进行逆向建模。
工程案例为某体育馆主体建筑物表面模型(图6)。此时逆向建模相对简单，只需在Cyclone软件中测量幕墙连接件的空间坐标和实长，结合已有Rhino(犀牛软件)设计模型，再逆向创建主体表面模型。此逆向建模优势在于能够快速准确地建立曲面弯扭结构模型，目前在BIM异形幕墙建模领域使用率较高，但不能实现参数化联动，不能导入BIM 5d进行现场管理。
图6 某体育馆主体建筑物表面模型
Fig.6 Surface model of the main building of a stadium
3.3 利用Revit软件逆向建模
Revit为通用性较强的BIM建模软件，具备多种文件格式接口，是目前BIM技术领域主流建模软件。根据逆向模型，通过Revit软件自动统计工程量，亦可进入BIM 5D平台进行协同管理。
工程案例为临街建筑物立面改造工程。此时，利用三维激光扫描技术获得点云模型，将模型数据转换文件格式，并导入Revit进行逆向建模，根据模型准确统计工程量，从而控制施工进度和工程造价，助力项目精细化管理。
3.4 利用SketchUp软件逆向建模
SketchUp又名草图大师，能快速和方便地创建、观察和修改三维模型，是一款极易上手的建模软件。在SketchUp软件中逆向建模时，根据Recap软件量测数据，进行线框实体拉伸。通过实体拉伸建立的模型功能比较单一，只能表达设计意图及模型轮廓，建模时既不能实现参数化功能，也不能进行工程量统计，只能通过逐个图元统计工程量，工作效率低。
4 几种逆向建模软件构建的BIM模型的适用范围
常用逆向建模软件各有利弊，项目施工方可根据自身工程需求，合理选择逆向建模方法，实现数字化、信息化协同管理，见表2。
表2 逆向建模方法的比较和适用范围
Table 2 Comparison and application scope of reverse modeling methods
软件名称渲染效果是否自动统计工程量是否参数化设计是否BIM协同适用范围Rhino较好否否否空间弯扭结构,无需统计工程量,渲染效果要求不高,不能导入进行BIM协同管理3dsMax好 否否是弯曲平面结构,无需统计工程量,但渲染效果要求高,且需要BIM协同管理Revit一般是是是规则平面结构,需统计工程量,参数化设计,且需要BIM协同管理SketchUp一般否否是规则平面结构,需快速建模,可手动统计工程量,且需要BIM协同管理
5 结束语
三维激光逆向建模技术是建筑施工BIM技术应用领域的新方向，不仅为项目施工提供数字化信息化技术支持，还优化了BIM项目中数据采集至生产的业务流程，让项目施工方既可提高工程质量控制精度，亦可实时掌控施工进程，同时提高了生产效率。基于三维激光扫描逆向建模实现方法，既解决从测量专业软件到建筑建模软件的跨界使用问题，又丰富了建筑信息模型技术应用经验。
[1] 杨林,盛业华,王波.利用三维激光扫描技术进行建筑物室内外一体建模方法研究[J].测绘通报,2014(7):27-30.
[2] 王代兵,杨红岩,邢亚飞，等.BIM与三维激光扫描技术在天津周大福金融中心幕墙工程逆向施工中的应用[J].施工技术,2017,46(23):10-13.
[3] 史少维,李玉富,王瑞，等.一种基于三维激光点云建模的技术方案[J].测绘通报,2017(3):83-85.
[4] 张官进.三维激光扫描数据处理及建模研究[D].合肥：安徽理工大学,2017.
[5] 刘尚蔚.钢结构工程数字图形信息体系多维多源数据耦合处理与逆向建模技术[C]//钢结构与金属屋面新技术应用会议论文集.北京：2015.
[6] 胡春梅,张方.基于扫描点云和标准参数的古建筑构件正逆向建模方法研究[J].激光杂志,2018,39(4):34-39.
[7] 李博超,龙四春.基于三维激光扫描的大型建筑物重构[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2015,30(3):57-61.
[8] 车尔卓,詹庆明,金志诚，等.基于激光点云的建筑平立剖面图半自动绘制[J].激光与红外,2015,45(1):12-16.
[9] 姚习红,陈浩,加松，等.三维激光扫描建筑信息建模技术在超高层钢结构变形监测中的应用[J].工业建筑,2019,49(2):189-193.
[10] 姚习红,徐晓雨,高志民.基于三维激光扫描的BIM技术在武汉绿地中心钢结构项目中的应用[J].钢结构,2018,33(8):118-121.