貴州省松桃大灣苗寨建筑數(shù)字化保護(hù)

彭永鵬，張慶高，肖曉維，阿依丁，馬 宏

(大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

貴州省松桃大灣苗寨建筑數(shù)字化保護(hù)

彭永鵬，張慶高，肖曉維，阿依丁，馬 宏

(大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

為了提高苗族建筑保護(hù)的準(zhǔn)確性和有效性，以貴州省銅仁市松桃苗族自治縣大灣苗寨吊腳樓為研究對(duì)象，利用三維激光掃描技術(shù)，采集苗寨吊腳樓三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取建筑尺寸、節(jié)點(diǎn)樣式等信息，并繪制其二維施工圖紙，為吊腳樓建立完整、規(guī)范的施工圖集。同時(shí)以BIM技術(shù)為支撐，以施工圖紙為參照，對(duì)吊腳樓進(jìn)行參數(shù)化建模。通過可視化動(dòng)態(tài)施工模擬對(duì)吊腳樓的施工工藝進(jìn)行分解，直觀地展示其施工過程。以三維點(diǎn)云信息保存、施工圖紙逆向設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)施工模擬的方式對(duì)苗族吊腳樓進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)。

吊腳樓；三維激光掃描；逆向設(shè)計(jì)；BIM

大灣苗寨位于貴州省銅仁市松桃苗族自治縣，經(jīng)歷數(shù)百年的風(fēng)雨滄桑，至今仍保留著140余棟百年木結(jié)構(gòu)的苗族風(fēng)格古建筑。這一灣苗族建筑全用木板一塊塊搭建而成，匯集了苗族人的智慧與汗水，集歷史與文化于一身，具有獨(dú)特的工藝價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值。隨著當(dāng)?shù)噩F(xiàn)代化和工業(yè)化的不斷加深，施工工藝復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)、施工材料獲取難等因素使得傳統(tǒng)建筑逐漸被現(xiàn)代建筑所替代，大灣內(nèi)的建筑保護(hù)工作迫在眉睫。與此同時(shí)，大部分民族建筑都是由本地區(qū)的職業(yè)木匠施工完成，構(gòu)件制作過程和施工工藝都是憑借經(jīng)驗(yàn)，沒有規(guī)范的施工圖紙可以參照。加之工匠漸趨老化，年輕人更傾向于外出打工，導(dǎo)致傳統(tǒng)的民族建筑從業(yè)繼承者不斷流失。因此，當(dāng)?shù)丶毙铻槊缯谋Ｗo(hù)尋找新思路。本文嘗試用數(shù)字化的方法為大灣苗寨特色建筑進(jìn)行保護(hù)，取得了一定的成效。

1 原始三維數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)處理

三維激光掃描技術(shù)可以對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地捕獲，利用激光掃描測(cè)量的方式，對(duì)其空間信息數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，形成專業(yè)的影像數(shù)據(jù)，從而建立起地物地貌的三維模型圖[1]。三維數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)建筑逆向設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，能夠?yàn)槊褡褰ㄖ膹?fù)建提供依據(jù)。文中三維數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的是美國(guó)FARO公司生產(chǎn)的X330三維激光掃描儀，掃描范圍和掃描精度都能夠滿足大型民族建筑三維數(shù)據(jù)采集的要求。數(shù)據(jù)采集完成后，需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化處理，如：拼接、去噪等，以達(dá)到逆向設(shè)計(jì)的要求。

1.1 數(shù)據(jù)采集

由于苗族吊腳樓尺寸較大，造型復(fù)雜，掃描儀掃描范圍又有限，很難通過一次性掃描將三維數(shù)據(jù)采集完成，因此需要通過變換測(cè)站的方式對(duì)建筑進(jìn)行掃描操作，三維數(shù)據(jù)采集方案如圖1。選擇測(cè)站時(shí)，測(cè)站與測(cè)站距離根據(jù)建筑物拐角等情況確定，以保證掃描數(shù)據(jù)沒有遺漏[2]。在實(shí)地掃描的過程中，要提前觀察地形，根據(jù)實(shí)際情況選擇測(cè)站位置，盡量選擇對(duì)建筑遮擋少的點(diǎn)進(jìn)行操作。后期內(nèi)業(yè)處理時(shí)，需要將每一站的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，使其成為完整的三維模型。

圖1 三維數(shù)據(jù)采集方案

在外業(yè)操作過程中，盡量保證建筑的所有部分都在掃描儀的掃描范圍內(nèi)，確保掃描過程中掃描儀激光光線所及處沒有遮擋，以避免后期處理時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失。單站掃描時(shí)，根據(jù)周圍環(huán)境及光照條件調(diào)節(jié)掃描儀參數(shù)，也應(yīng)酌情考慮精細(xì)掃描與粗略掃描之間的關(guān)系，如建筑細(xì)節(jié)處需要精心掃描，站間拼接作用的測(cè)站可將掃描精度適當(dāng)調(diào)低。單站建筑三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2。同時(shí)，對(duì)于同時(shí)出現(xiàn)在多站點(diǎn)掃描范圍內(nèi)的公共區(qū)域，也應(yīng)適當(dāng)降低掃描精度，避免數(shù)據(jù)重復(fù)，拼接重影或資源浪費(fèi)的情況發(fā)生。

圖2 單站建筑三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.2 內(nèi)業(yè)處理

建筑的原始三維數(shù)據(jù)采集完成后，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。因?yàn)橥鈽I(yè)掃描均為單站測(cè)量，在后期處理過程中需要將所有單站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，使其構(gòu)成完整的建筑模型。同時(shí)，掃描儀的工作范圍是水平方向360°，豎直方向270°，在外業(yè)操作的過程中，不可避免地會(huì)采集到單體建筑以外的場(chǎng)景信息，這些信息是干擾因素，需要內(nèi)業(yè)處理將其進(jìn)行去噪。

站點(diǎn)位置選擇不當(dāng)、標(biāo)靶遮擋不清、系統(tǒng)計(jì)算誤差等因素是導(dǎo)致拼接失敗的主要原因，在拼接過程中，如出現(xiàn)拼接錯(cuò)誤或拼接無效的情況，需要人為干預(yù)來實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)之間的連接。優(yōu)化拼接前后效果對(duì)比如圖3。所有測(cè)站拼接完成后，對(duì)其進(jìn)行“創(chuàng)建掃描點(diǎn)云”操作，去除重疊部分的點(diǎn)，使場(chǎng)景中所有測(cè)站點(diǎn)的密度保持一致，便于后期操作和處理。最后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，將整體場(chǎng)景中的噪點(diǎn)、環(huán)境等不需要的點(diǎn)去除，單獨(dú)留下建筑本身的點(diǎn)云，為圖紙繪制和模型建立提供依據(jù)。

圖3 優(yōu)化拼接前后效果對(duì)比

2 二維圖紙

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)處理為民族建筑的圖紙繪制提供了依據(jù)。利用已經(jīng)處理好的點(diǎn)云圖，通過剖切的方法來獲取建筑的平面輪廓圖，同時(shí)變換視圖角度獲取不同方向的建筑立面圖，將繪制苗族建筑所需的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為底圖，以此為參照，準(zhǔn)確繪制二維圖紙。吊腳樓平面輪廓圖如圖4。

通過已知的平面輪廓圖，可以確認(rèn)建筑的平面尺寸，并且準(zhǔn)確定位柱、門、窗等構(gòu)件的位置；利用立面點(diǎn)云圖，可以明確建筑的層高、建筑樣式等民族性強(qiáng)的標(biāo)志，極大地節(jié)省了外業(yè)測(cè)繪時(shí)間，同時(shí)可以減少誤差，最大程度地逆向還原吊腳樓的二維圖紙。繪制完成的平面輪廓圖如圖5。除此之外，對(duì)吊腳樓的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行繪制，如：梁柱間的榫卯鏈接，門窗的樣式等。通過對(duì)吊腳樓建筑進(jìn)行細(xì)致的研究與繪制，最終構(gòu)建出吊腳樓的施工圖紙集。吊腳樓立面圖如圖6。

圖4 吊腳樓平面輪廓圖

圖5 繪制完成的平面輪廓圖

圖6 吊腳樓立面圖

3 BIM建模與動(dòng)態(tài)施工

BIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建設(shè)工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，同時(shí)又是一種應(yīng)用于設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)字化技術(shù)[3]。BIM 包含了建筑物在項(xiàng)目建設(shè)周期中所有相關(guān)真實(shí)信息，不僅包括幾何信息，幾何信息是指建筑模型外部和內(nèi)部空間上的三維幾何表示，通常是基于參數(shù)化的三維構(gòu)件模型來表達(dá)，如梁的長(zhǎng)度、寬度等。同時(shí)還包括非幾何信息，非幾何信息是除了幾何信息以外的其他信息總和，通常是指建筑模型中的參數(shù)屬性，如建筑材料的價(jià)格、材料類型、重量、進(jìn)度等信息[4]。當(dāng)前，BIM 技術(shù)已成為建設(shè)領(lǐng)域信息技術(shù)的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，BIM 的應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)得到政府的高度關(guān)注和行業(yè)的普遍認(rèn)可。然而，BIM技術(shù)應(yīng)用在民族建筑上的案例卻相對(duì)較少，利用BIM參數(shù)化建模功能，為所有建筑構(gòu)件設(shè)置參數(shù)，除了尺寸信息位置信息外，還能夠更詳細(xì)地將構(gòu)件材質(zhì)、功能等一系列信息添加到單個(gè)構(gòu)件中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所有構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢的效果。同時(shí)，將吊腳樓模型賦予動(dòng)態(tài)施工模擬的功能，使吊腳樓的建造過程實(shí)現(xiàn)可視化，為吊腳樓的數(shù)字化保護(hù)提供支持。

3.1 苗族建筑的BIM建模

將前期繪制好的二維施工圖紙導(dǎo)入到Revit軟件中，建立共同的軸網(wǎng)，通過“拾取線”的方法實(shí)現(xiàn)模型的快速建立，并將吊腳樓所有的木結(jié)構(gòu)梁、板、柱等構(gòu)件與參數(shù)關(guān)聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，以此反映該建筑的真實(shí)信息。

因建模軟件的面向?qū)ο鬄楝F(xiàn)代建筑，在對(duì)苗族建筑進(jìn)行繪制的時(shí)候難免會(huì)因造型復(fù)雜而難于繪制的問題。例如，吊腳樓的六角花柱，每根柱子都有六個(gè)角，并且柱子不同的位置尺寸不一，出現(xiàn)很多倒角，而軟件中現(xiàn)有的柱子滿足不了六角花柱建模的需求，因此就需要對(duì)特殊的構(gòu)件進(jìn)行特殊建模。以繪制族的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)六角花柱的繪制，以柱底為起始點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)云量取的尺寸，每個(gè)一定的距離繪制平面正六邊形，利用“融合”命令將不同面的正六邊形融合成一體，形成倒角，完成六角花柱的制作。六角花柱立面圖如圖7。

圖7 六角花柱立面圖

除了單體構(gòu)件的建模需要特殊處理以外，苗族建筑的結(jié)構(gòu)建模也十分重要。為了真實(shí)地反映苗族吊腳樓的結(jié)構(gòu)形式，需將整個(gè)建筑全部拆開，了解構(gòu)件與構(gòu)件之間的關(guān)系，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，木結(jié)構(gòu)吊腳樓大多采用榫卯連接的結(jié)構(gòu)形式，成百上千個(gè)柱與梁的榫卯形成了穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，然而，現(xiàn)代建筑卻多用鋼筋作為加固構(gòu)件的紐帶，對(duì)吊腳樓在進(jìn)行建模時(shí)，構(gòu)件連接處的真實(shí)性合理性也需要在BIM模型當(dāng)中體現(xiàn)出來，因此，需要將存在榫卯關(guān)系的構(gòu)件進(jìn)行特殊處理，以達(dá)到最終目的。梁柱榫卯連接圖如圖8。

圖8 梁柱榫卯鏈接圖

在建模過程中，單個(gè)青瓦片的繪制、瓦片群的造型、苗族特色木門窗的繪制、樓梯與樓板的搭接方式、椽片與檁條的固定等都是建模的難點(diǎn)。最終將苗族吊腳樓的BIM模型繪制完成，吊腳樓三維BIM模型如圖9。

圖9 吊腳樓三維BIM模型

3.2 動(dòng)態(tài)施工

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、查閱資料的方式整理吊腳樓的施工工藝，獲取一套完整的施工流程。苗族建筑施工流程圖如圖10。將吊腳樓BIM模型與Navisworks Manage鏈接,編制施工進(jìn)度計(jì)劃表，在編制進(jìn)度表的時(shí)候應(yīng)具體到每一個(gè)構(gòu)件，同時(shí)保證施工順序的準(zhǔn)確性，以施工進(jìn)度表為基礎(chǔ)對(duì)模型構(gòu)件進(jìn)行施工順序編排，并對(duì)每一項(xiàng)施工工藝進(jìn)行說明，完成整個(gè)吊腳樓的動(dòng)態(tài)施工模擬。動(dòng)態(tài)施工模擬如圖11。苗族吊腳樓的動(dòng)態(tài)施工能夠直觀地將其建造過程展示出來，指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)中吊腳樓的施工，結(jié)合二維施工圖紙，形成完整的苗族吊腳樓施工工藝數(shù)字化保護(hù)。

圖10 苗族吊腳樓施工流程圖

圖11 動(dòng)態(tài)施工模擬

4 結(jié) 語(yǔ)

民族地區(qū)的特色建筑是值得保護(hù)和再次開發(fā)利用的，本文提出的數(shù)字化保護(hù)方案能夠?yàn)槊褡宓貐^(qū)的建筑遺產(chǎn)保護(hù)提供支持。利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)建筑、建筑群以及場(chǎng)景進(jìn)行原貌復(fù)制，利用BIM技術(shù)對(duì)民族建筑進(jìn)行參數(shù)化建模、圖紙繪制，并通過動(dòng)態(tài)施工模擬的方式實(shí)現(xiàn)民族建筑施工工藝的可視化保存，一系列工作成果能夠基本達(dá)到對(duì)民族建筑數(shù)字化保護(hù)的目的。在保護(hù)的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)注重科學(xué)合理地開發(fā)，將特色民族建筑作為旅游資源，通過旅游開發(fā)的方式促進(jìn)民族地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

[1] 王水明.地面三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用[J].裝備技術(shù)，2017(1):1．

[2] 劉鵬.三維激光掃描技術(shù)在異性建筑玻璃幕墻中的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017(3)：26.

[3] 鄭華海，劉勻，李元齊. BIM技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].結(jié)構(gòu)工程師，2015(4):233-239.

[4] 程歆琛.BIM技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工程學(xué)院，2016.

(責(zé)任編輯 王楠楠)

Digital Protection of National Architecture in Dawan Miao Village, Songtao County, Guizhou Province

PENG Yong-peng, ZHANG Qing-gao, XIAO Xiao-wei, Ayiding, MA Hong

(Shool of Civil Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

In order to improve the accuracy and effectiveness of the Miao building protection, a Miao building digital protection method is put forward in this paper. Taking the Miao Diaojiao buildings in Dawan Miao Village, Songtao Miao Autonomous County, Tongren City, Guizhou Province as the research objects, we use 3D laser scanning technology to collect the three-dimensional point cloud data of the Diaojiao buildings, and then extract the information such as size and style of node from the point cloud. Meantime, we draw the 2D construction drawings to establish the complete and standardized drawing sets. Supported by BIM and construction drawings, we parametrically model the Diaojiao buildings. By the dynamic visualized construction simulation to analyze the construction technology of Diaojiao buildings, it shows the construction process intuitively. We make Dawan Miao Village digital protection possible by the three-dimensional point cloud, construction drawings reverse design and dynamic construction simulation.

Diaojiao building; 3D laser scanning; reverse design; BIM

2017-01-19；最后

2017-03-25

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DC201501040101)。

彭永鵬(1989-)，男，山東高密人，助理工程師，主要從事民族建筑數(shù)字化保護(hù)研究。

2096-1383(2017)03-0253-04

TV17

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