上海玉佛禪寺修繕與改擴(kuò)建工程中的BIM技術(shù)拓展應(yīng)用

趙華英 葉紅華 趙冠一 張盛程

(上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)工程建設(shè)咨詢有限公司，上海200041)

1 項(xiàng)目概況

玉佛禪寺，上海第一名剎。地處上海市普陀區(qū)安遠(yuǎn)路170號(hào)，上海市優(yōu)秀歷史建筑，寺院分為前院和后院兩部分，其中前院為本次工程范圍，為玉佛寺主要禮佛、參觀等對(duì)外開放區(qū)域，主要建筑有天王殿、大雄寶殿(優(yōu)秀歷史建筑)、玉佛樓等，建筑面積31 566m2。

本工程是在對(duì)天王殿和大雄寶殿建筑、佛像一體化平移頂升、保護(hù)修繕的基礎(chǔ)上，對(duì)寺院進(jìn)行改擴(kuò)建以消除寺院現(xiàn)存的消防、交通、建筑結(jié)構(gòu)、高密度人員集聚等公共安全隱患。工程將底層架空作為人流疏散、組織交通等功能的公共安全儲(chǔ)備空間;將寺院主體禮佛建筑架高，保留中軸線上天王殿、大雄寶殿并新建玉佛樓。東、西兩側(cè)建筑全部拆除后按照江南古典殿庭建筑風(fēng)格進(jìn)行新建，加建兩層地下室，滿足民眾日益增長(zhǎng)的精神需要和寺院現(xiàn)代化發(fā)展的功能需要。

2 項(xiàng)目特點(diǎn)

2.1 古建筑修繕

上海玉佛寺作為區(qū)級(jí)文物保護(hù)單位、優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑、古建筑，在原有位置將山門、主殿整體抬高5m并向北平移8m，部分房屋需要拆除重建。結(jié)構(gòu)加固與建筑翻新的設(shè)計(jì)與施工是本次改建工程的重要內(nèi)容(圖1、圖2)。與新建建筑不同的是歷史建筑的修繕過程必須保證過程中的可識(shí)別性和可逆性，必須保護(hù)好建筑的歷史痕跡。

圖1 上海玉佛禪寺現(xiàn)狀鳥瞰照片

圖2 上海玉佛禪寺修繕后鳥瞰效果圖

2.2 BIM技術(shù)應(yīng)用于古建筑

對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的古建筑群，古建筑的構(gòu)架本身就具有非常高的專業(yè)性，所以該項(xiàng)目的實(shí)施要求BIM工程師有一定古建筑修繕、設(shè)計(jì)、施工、管理專業(yè)知識(shí)。BIM技術(shù)應(yīng)用于古建筑修繕的難點(diǎn)包括:

(1)復(fù)雜性

古建筑的復(fù)雜性和構(gòu)件的多樣性使得BIM軟件平臺(tái)在該方面的應(yīng)用有非常高的難度，這也是對(duì)BIM工程師與BIM軟件工作平臺(tái)的一大考驗(yàn)。

(2)古建筑構(gòu)架

中國古代建筑慣用木構(gòu)架作房屋的承重結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)是沿房屋進(jìn)深在柱礎(chǔ)上立柱，柱上架梁，梁上重疊數(shù)層瓜柱和梁，再于最上層梁上立脊瓜柱，組成一組屋架。檁間架椽子，構(gòu)成屋頂?shù)墓羌?。斗栱是中國木?gòu)架建筑中最特殊的構(gòu)件，它們逐層縱橫交錯(cuò)疊加成一組上大下小的托架，安置在柱頭上用以承托梁架的荷載和向外挑出的屋檐。復(fù)雜的古建筑架構(gòu)對(duì)BIM軟件的空間建模能力要求比一般建筑要高得多，對(duì)BIM工程師的建模能力也是一種挑戰(zhàn)。

(3)古建筑的族文件

古建筑的裝飾使屋頂?shù)妮喞蜗蟾觾?yōu)美。如屋脊的張口吞脊，四條垂脊的檐角部位各飾有琉璃小獸。天花用木支條在梁架間搭制方格網(wǎng)，格內(nèi)裝木板，繪以彩畫。佛壇的上方正中的藻井它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，下方上圓，由三層木架交構(gòu)組成一個(gè)向上隆起如井狀的天花板。古建筑諸如此類的細(xì)節(jié)使得Revit軟件在“族”的應(yīng)用上變化多端類型繁多。

3 BIM+3D激光掃描+3D GIS在古建筑修繕改造中的應(yīng)用

3.1 3D激光掃描技術(shù)應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)自問世以來被廣泛應(yīng)用于古建筑保護(hù)、工業(yè)管道安裝和船舶機(jī)械等方面。它通過高速激光掃描測(cè)量的方法獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以快速、大量的采集空間點(diǎn)位信息，而且具有很高的分辨率，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。三維激光掃描技術(shù)采用的掃描儀器提供每秒100萬點(diǎn)的速度，整體精度可達(dá)1～2 mm。

由于三維激光掃描的成果可以說是建筑物真實(shí)狀態(tài)的體現(xiàn)，其數(shù)據(jù)格式兼容性也很好，易存儲(chǔ)。可以直接用于數(shù)據(jù)存檔、工程應(yīng)用、展示匯報(bào)、文物復(fù)建等方面。

玉佛寺屬于歷史保護(hù)建筑，項(xiàng)目開動(dòng)之前，利用其精確，快速，完整的特點(diǎn)，在盡可能不影響項(xiàng)目周期的前提下，對(duì)玉佛寺所有殿堂內(nèi)外進(jìn)行三維激光掃描測(cè)繪。然后將掃描的數(shù)據(jù)處理、拼接、附上色彩，形成現(xiàn)狀點(diǎn)云模型。該點(diǎn)云模型能夠把整個(gè)寺院現(xiàn)在的面貌完全記錄，并在其中進(jìn)行測(cè)量，瀏覽等信息獲取。依據(jù)高精度的掃描點(diǎn)云進(jìn)行建模，生成的三維模型最大程度上接近真實(shí)。不僅是構(gòu)件尺寸、定位，甚至連變形、缺損都可以表現(xiàn)出來。在今后需要查閱，修繕，復(fù)建的時(shí)候隨時(shí)調(diào)閱，無需再次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，一勞永逸，這些工作方法傳統(tǒng)手段無法實(shí)現(xiàn)(圖3、圖4)。

圖3 大雄寶殿3D激光掃描點(diǎn)云模型(測(cè)量)

圖4 3D激光掃描點(diǎn)云模型(破損查找)

采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法在該項(xiàng)目中的工作量是不可想象的，并且也不能生成三維空間可視化模型，3D激光掃描技術(shù)在玉佛寺修繕改造項(xiàng)目中的應(yīng)用解決了這一不可能完成的任務(wù)。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入到AutoCAD、Autodesk Revit等軟件中，進(jìn)行后續(xù)的處理與加工，并且可以在Autodesk Revit中通過捕捉點(diǎn)直接繪制生成幾何體。3D激光掃描點(diǎn)云模型是數(shù)據(jù)化模型，結(jié)合BIM模型的使用，可以在模型中直接測(cè)量工程師關(guān)心的建筑尺度、位置等信息，不需再次人工測(cè)量，大大方便了既有建筑修繕改造設(shè)計(jì)的工作(圖5、圖6)。

圖5 3D激光掃描點(diǎn)云模型(柱偏差檢驗(yàn))

圖6 根據(jù)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)還原的大雄寶殿BIM模型

3D激光掃描技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)繪方式，具有高精度、高效率、多方位、多元化等優(yōu)點(diǎn)，文物建筑在測(cè)量過程中的損壞情況可降至為零，且采用非接觸式測(cè)量的方式，人員自身的安全也得到了保障。在古建筑修繕中，現(xiàn)狀測(cè)繪圖能大大減少人力和物力的損耗，避免了設(shè)計(jì)人員因現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)條件限制所造成的疏忽，減少了修繕方案重復(fù)設(shè)計(jì)的次數(shù)[1]。

3.2 3D GIS 技術(shù)應(yīng)用

玉佛寺周邊環(huán)境與玉佛寺有著密切的關(guān)系，周邊的路網(wǎng)情況、建筑布局、地勢(shì)起伏、匯水范圍、視線遮擋、人員流線分布均是玉佛寺修繕設(shè)計(jì)必須考慮的因素。項(xiàng)目過程中、完成后與周邊環(huán)境的關(guān)系及可能對(duì)周邊環(huán)境帶來的影響也是項(xiàng)目重點(diǎn)考慮的因素。設(shè)計(jì)階段的建筑、規(guī)劃方案比選，施工階段的車輛流線組織、基坑開挖支護(hù)、施工場(chǎng)地管理，運(yùn)營階段的消防施救方案、積極情況下的人員疏散方案、大型集會(huì)的組織管理等都是該項(xiàng)目的重點(diǎn)及需要有明確解決方案。對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，周邊環(huán)境情況多為二維文件甚至有些是文字描述，項(xiàng)目對(duì)周邊環(huán)境的關(guān)系也僅體現(xiàn)在效果圖層面，周邊環(huán)境也只是概念性的表達(dá)，且表達(dá)的范圍也相當(dāng)有限。為了解決上面相互關(guān)聯(lián)的問題，傳統(tǒng)方法可能會(huì)采用多種工具、方法分別解決。在玉佛寺項(xiàng)目中我們采用網(wǎng)絡(luò)3D GIS技術(shù)將BIM模型、3D激光掃描點(diǎn)云模型結(jié)合在一起，真實(shí)反映項(xiàng)目在三維數(shù)字城市中的情況，為項(xiàng)目全過程解決方案提供了三維可視化展示、數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)提取、多解決方案比選等提供了強(qiáng)大的三維可視化數(shù)據(jù)支持?；贕IS和3D激光掃描技術(shù)的古建筑數(shù)字化應(yīng)用，就是采用已建立的古建筑數(shù)據(jù)庫，結(jié)合GIS技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、3D建模技術(shù)、多媒體技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及設(shè)計(jì)開發(fā)的綜合應(yīng)用[2]。

圖7 數(shù)字城市管理系統(tǒng)中的玉佛寺現(xiàn)狀

圖8 BIM模型插入數(shù)字化城市(局部)

3.3 Autodesk Revit在古建筑造型中的應(yīng)用

上海玉佛禪寺修繕與改擴(kuò)建工程含有大量的古建筑及造型節(jié)點(diǎn)，古建筑造型節(jié)點(diǎn)有著種類多、構(gòu)成復(fù)雜的特點(diǎn)。借助Autodesk Revit進(jìn)行古建筑建模可以還原真實(shí)的歷史。

圖11 Rhino+Grasshopper組件建立參數(shù)化瓦片

Revit建模時(shí)嚴(yán)格依古建筑的構(gòu)架，按層次搭建Revit模型，以達(dá)到真實(shí)還原建筑原貌的要求。建模的過程需要自定義大量的族文件，這也是該項(xiàng)目的一個(gè)挑戰(zhàn)(圖9、圖10)。屋面瓦片采用Rhinoceros+Grasshopper參數(shù)化編程生成瓦片幾何模型，并附著在建筑屋面上，然后導(dǎo)入到 Revit中。采用參數(shù)化模型建立屋面瓦片，使模型具有真實(shí)感，但使得模型文件比較大，所以同時(shí)在該項(xiàng)目中我們也采用了Revit“幕墻嵌板”功能以及貼圖的方法進(jìn)行屋頂瓦片的建模(圖11、圖12)?？傮w來說古建筑的Revit建模還有很多需要探索的地方。完成后的Revit模型可以作為結(jié)合3DGIS和3D激光掃描點(diǎn)云模型的BIM數(shù)據(jù)平臺(tái)，在該平臺(tái)上整合多渠道數(shù)據(jù)，進(jìn)一步開展設(shè)計(jì)沖突檢查、管線綜合、設(shè)計(jì)評(píng)審、施工管理、進(jìn)度模擬、增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)以及建成后的運(yùn)營維護(hù)等工作。

圖12 導(dǎo)入Revit完成屋頂瓦片

4 結(jié)束語

上海玉佛禪寺修繕與改擴(kuò)建工程具有較高的復(fù)雜性、專業(yè)性，包含修繕、新建等內(nèi)容，及建筑方案、規(guī)劃、消防、消除公共安全隱患和環(huán)境整治等各個(gè)方面，基于Autodesk Revit軟件的通用性以及便捷性，結(jié)合先進(jìn)的3D激光掃描和3D GIS數(shù)字化城市技術(shù)，以確保工程在各個(gè)階段良好的實(shí)用性，同時(shí)保持與各專業(yè)之間緊密的聯(lián)系及反饋機(jī)制。項(xiàng)目致力于在建筑設(shè)計(jì)階段運(yùn)用BIM技術(shù)為各專業(yè)提供精準(zhǔn)的可視化模型，并將BIM技術(shù)拓展到與建設(shè)工程全過程相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域(施工、管理、運(yùn)營維護(hù)等)，在同一個(gè)平臺(tái)下構(gòu)建綜合信息模型，這是在BIM技術(shù)平臺(tái)上結(jié)合3D激光掃描和3D GIS數(shù)字化城市技術(shù)對(duì)古建筑修繕與改擴(kuò)建全過程服務(wù)的一次創(chuàng)新性嘗試。

[1]周立，李明，等.三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕測(cè)繪中的應(yīng)用[J].上海建設(shè)科技，2011(4):47-50.

[2]邢昱，范張偉，等.基于GIS與三維激光掃描的古建筑保護(hù)研究[J].地理空間信息，2009，7(1):88-91.

[3]王其亨.古建筑測(cè)繪[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[4]柏慕中國，美國Autodesk.Inc公司.Autodesk Revit Architecture 2012官方標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2012.