信息化技術(shù)在上海玉佛禪寺大雄寶殿平移頂升工程中的應(yīng)用

谷志旺（上海建工四建集團(tuán)有限公司，上海 201103 )

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的轉(zhuǎn)型，城市建設(shè)與文物古建筑保護(hù)的矛盾開(kāi)始顯現(xiàn)。在城市建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的同時(shí)，如何更好地保護(hù)古建筑已成為亟待解決的重要問(wèn)題。工程實(shí)踐表明，古建筑整體移位技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效方法。將古建筑整體移位到規(guī)劃目標(biāo)位置，既可以完整地保護(hù)古建筑的原始風(fēng)貌，又可以滿(mǎn)足城市發(fā)展的總體需求。但是，建筑在整體移位過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)材料開(kāi)裂、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)整體變形等影響結(jié)構(gòu)安全的情況。因此，需要在建筑移位過(guò)程中對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)施有效監(jiān)測(cè)。

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)僅能反映建筑物局部的受力和變形狀態(tài)，缺乏對(duì)建筑物整體的直觀(guān)展示。隨著建筑信息化管理（BIM）技術(shù)的發(fā)展，可采用多種計(jì)算機(jī)建模技術(shù)對(duì)建筑建立三維模型，且能實(shí)現(xiàn)建筑信息的在線(xiàn)集中管理。在建筑移位過(guò)程中，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與 BIM 平臺(tái)進(jìn)行融合，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況下建筑物結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤和展示，還有助于將局部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于結(jié)構(gòu)整體的安全分析，提高管理效率。本文結(jié)合上海玉佛禪寺大雄寶殿整體移位工程，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)和 BIM 的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)及其關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程背景

上海玉佛禪寺位于上海市普陀區(qū)安遠(yuǎn)路 170 號(hào)。隨著城市發(fā)展，廟宇建筑群的平面規(guī)劃暴露出消防不利、交通擁堵、建筑結(jié)構(gòu)損壞、人員高密度集聚等多重安全隱患，需要對(duì)平面規(guī)劃進(jìn)行調(diào)整。寺院決定將大雄寶殿進(jìn)行整體移位，移位實(shí)景如圖1 所示。

圖1 大雄寶殿移位實(shí)景鳥(niǎo)瞰圖

此舉不僅可以消除上述隱患，還可以增強(qiáng)建筑群的空間層次感，且有利于對(duì)大雄寶殿進(jìn)一步修繕。大雄寶殿移位的要求如下：大雄寶殿水平移位 30.66 m，向上提升 0.85 m；大雄寶殿殿內(nèi)佛像隨主體結(jié)構(gòu)整體移位。

大雄寶殿是一座木結(jié)構(gòu)建筑，有著近百年歷史，被列為上海市二類(lèi)優(yōu)秀歷史建筑。大殿平面呈長(zhǎng)方形，東西向長(zhǎng)24.00 m，南北向?qū)?18.34 m，殿高 18.20 m。寶殿主體結(jié)構(gòu)為木框架結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)為榫卯連接，兩側(cè)磚墻僅起圍護(hù)分隔作用。殿內(nèi)供奉佛像共 23 尊，均為泥塑佛像。

2 技術(shù)難點(diǎn)和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

為提升工程管理效率，需要對(duì)大雄寶殿及其周邊環(huán)境建立三維模型，并融合施工設(shè)施和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立模型可視性好、數(shù)據(jù)交互性強(qiáng)、易于管理的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)。建立智能監(jiān)控平臺(tái)的主要技術(shù)難點(diǎn)如下。

（1）建模對(duì)象規(guī)模較大，精細(xì)化程度要求高，且原始建造圖紙缺失。為實(shí)現(xiàn)對(duì)大雄寶殿整體移位全過(guò)程的有效監(jiān)控，需要對(duì)大雄寶殿及其周邊環(huán)境和建筑建立三維模型。大雄寶殿幾何形態(tài)較不規(guī)則，且殿內(nèi)具有較多佛像、雕塑等幾何形態(tài)極為復(fù)雜的裝飾物，因此對(duì)模型精細(xì)化要求較高，建模工作量較大。同時(shí)，大雄寶殿的原始圖紙缺失，需要通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量完成構(gòu)件空間和幾何信息的捕捉。

（2）模型數(shù)據(jù)體量較大，難以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。以規(guī)模較大、形態(tài)復(fù)雜為對(duì)象建立的三維模型，通常具有較大的數(shù)據(jù)體量，難以滿(mǎn)足模型數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上快速傳輸?shù)囊蟆?/p>

（3）監(jiān)測(cè)對(duì)象較多，需要更加高效的管理模式。工程監(jiān)測(cè)對(duì)象包括大雄寶殿的主體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部佛像等裝飾物以及建筑移位動(dòng)力系統(tǒng)等。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅難以集中管理多種檢測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)，并且在三維視圖中難以直觀(guān)地查看施工工況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此降低了管理效率。

2.2 創(chuàng)新點(diǎn)

針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)，本文提出以下創(chuàng)新點(diǎn)。

（1）基于多源數(shù)據(jù)的古建筑建模技術(shù)。根據(jù)建模對(duì)象的結(jié)構(gòu)重要性和幾何復(fù)雜性，將大雄寶殿、內(nèi)部裝飾和其周邊環(huán)境分開(kāi)建模，分別選取不同的測(cè)量方法獲取幾何信息。在保證模型具有足夠精度的前提下，提高建模效率，并最終將多種方法建立的模型融合為一體。

（2）面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的模型輕量化技術(shù)。通過(guò)多種方法，有效減小模型的數(shù)據(jù)體量，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求。其中貼圖替代復(fù)雜曲面的方法非常適用于古建筑模型的輕量化。

（3）基于物聯(lián)網(wǎng)和 BIM 的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息與 BIM 管理系統(tǒng)相結(jié)合，不僅可以在四維空間中展示工程進(jìn)度，還可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智能分析。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)警值時(shí)，監(jiān)控平臺(tái)會(huì)生成報(bào)警消息，并根據(jù)報(bào)警等級(jí)將報(bào)警信息推送給相關(guān)負(fù)責(zé)人，從而有效地提升了工程管理效率。

3 基于多源數(shù)據(jù)的古建筑建模技術(shù)

3.1 建模流程

根據(jù)大雄寶殿組成部分的結(jié)構(gòu)重要程度和幾何形態(tài)復(fù)雜程度，采用不同方式獲取幾何信息，并通過(guò)不同的軟件進(jìn)行建模。建模流程如圖2 所示。

幾何形態(tài)規(guī)則適合采用 BIM 軟件建模，并且大雄寶殿的木框架構(gòu)件和整體移位設(shè)施對(duì)結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。大雄寶殿的外立面及內(nèi)部佛像分別起維護(hù)和裝飾作用，其幾何形態(tài)極為復(fù)雜。為節(jié)約人力和時(shí)間成本，可以采用三維激光掃描建模。大雄寶殿的周邊環(huán)境規(guī)模較大，僅起視覺(jué)輔助作用，對(duì)模型精度要求較低，宜采用傾斜攝影建模。最后，將不同數(shù)據(jù)來(lái)源的模型融合為一體，形成完整的大雄寶殿及其周邊環(huán)境的三維模型。

3.2 建模技術(shù)

（1）BIM 軟件建模。根據(jù)工程測(cè)繪圖紙應(yīng)用 BIM 軟件對(duì)大雄寶殿木框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并根據(jù)施工方案建立上托換裝置、上托盤(pán)梁體系、下滑道梁體系和移位動(dòng)力系統(tǒng)模型，如圖3 所示。

圖3 BIM 軟件建模

（2）三維激光掃描建模。大雄寶殿外立面包含大量構(gòu)件，空間關(guān)系復(fù)雜；內(nèi)部裝飾包含佛像、佛臺(tái)、墻壁浮雕、廊柱和屋頂壁畫(huà)等藝術(shù)作品，幾何形態(tài)復(fù)雜。對(duì)外立面和內(nèi)部裝飾直接建模將耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本，而如果采用三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取外立面的幾何信息，且模型精度較高。采用三維激光掃描建立的大雄寶殿外立面模型，如圖4 所示。

圖4 外立面三維激光掃描模型

（3）傾斜攝影建模。傾斜攝影技術(shù)適用于對(duì)大規(guī)模建筑群的頂部及外立面的快速建模，且可以捕捉表面紋理。相比于 BIM 軟件建模和三維激光掃描建模，傾斜攝影技術(shù)模型精度略低，但建模效率較高。采用傾斜攝影技術(shù)對(duì)大雄寶殿的周邊環(huán)境和建筑的頂部及外立面建模，如圖5 所示。

圖5 利用傾斜測(cè)量技術(shù)對(duì)大雄寶殿周邊環(huán)境建模

3.3 多源數(shù)據(jù)模型融合技術(shù)

通過(guò)以上多種建模方式，對(duì)大雄寶殿的各個(gè)組成部分及其外部環(huán)境的分離建模已經(jīng)完成，但仍需將這些模型融合為一體。由于獲取幾何信息的方式不同，各模型間存在多種差異，如坐標(biāo)系基點(diǎn)、模型比例、模型精度和文件格式等存在差異。通過(guò)坐標(biāo)變換的方式可以統(tǒng)一模型間坐標(biāo)系基點(diǎn)和比例。采用 MeshLab 軟件對(duì)三維激光掃描模型和傾斜攝影模型的精度進(jìn)行調(diào)整，最后采用 3DS MAX 軟件對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行融合，并以 FBX 格式存儲(chǔ)，如圖6 所示。

圖6 多源數(shù)據(jù)融合模型

4 面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的模型輕量化技術(shù)

為了將模型用于網(wǎng)絡(luò)傳輸，需要將模型輕量化。模型輕量化主要通過(guò)合并構(gòu)件、減少面片和貼圖替代復(fù)雜曲面 3 種方法實(shí)現(xiàn)，如圖7 所示。

圖7 模型輕量化流程圖

其中，以貼圖替代復(fù)雜曲面的方法非常適用于古建筑模型的輕量化。佛像的原始模型通常具有較多面片，為保證模型在減少面片后仍具有較好的視覺(jué)效果，需借助基于物理效果渲染而成的貼圖表現(xiàn)原始模型的凹凸、色彩和紋理等信息。大雄寶殿牌匾貼圖前后的模型，如圖8 所示。

圖8 大雄寶殿牌匾模型

將模型輕量化技術(shù)應(yīng)用于玉佛禪寺大雄寶殿整體移位工程中，可以有效縮減大雄寶殿及其周邊環(huán)境的三維模型數(shù)據(jù)體量。初始數(shù)據(jù)體量約為 1000 MB，通過(guò)上文提出的模型輕量化技術(shù)，最終將數(shù)據(jù)體量減小到 20 MB，即原始模型的1/50，從而滿(mǎn)足了模型網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的要求。

5 基于物聯(lián)網(wǎng)和 BIM 的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)

5.1 平臺(tái)架構(gòu)

基于 BIM 和物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)由 2 部分組成，分別為基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于 BIM 的管理系統(tǒng)，兩系統(tǒng)之間通過(guò)云端數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

5.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由 4 個(gè)模塊組成，分別為監(jiān)測(cè)傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊。其中，監(jiān)測(cè)傳感器布置在大雄寶殿的木框架結(jié)構(gòu)和殿內(nèi)重要文物上，實(shí)時(shí)采集結(jié)構(gòu)和文物的變形、位移和傾斜等重要信息。另外監(jiān)測(cè)傳感器還布置在移位動(dòng)力系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)移位動(dòng)力系統(tǒng)的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集模塊用于收集傳感器傳來(lái)的信息。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。通信模塊將分析后的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端數(shù)據(jù)庫(kù)，考慮到場(chǎng)地布線(xiàn)困難，數(shù)據(jù)通過(guò) 4G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸。

5.3 基于 BIM 的管理系統(tǒng)

基于 BIM 的管理系統(tǒng)由 4 個(gè)模塊組成，分別為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成模塊、云端服務(wù)器模塊、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊和客戶(hù)端模塊。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成模塊是在 BIM 模型的基礎(chǔ)上建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與BIM 模型中監(jiān)測(cè)對(duì)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系。云端服務(wù)器模塊是將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)警值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)警值時(shí)，生成報(bào)警消息，并根據(jù)報(bào)警等級(jí)將報(bào)警信息推送給相關(guān)負(fù)責(zé)人。同時(shí)，BIM 模型中測(cè)點(diǎn)所處位置也會(huì)以閃爍的方式報(bào)警。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地反映在三維模型的空間位置變化上，即在四維空間中展示施工狀態(tài)?？蛻?hù)端用于展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和四維施工狀態(tài)，用戶(hù)既可以漫游觀(guān)察，也可以通過(guò)瀏覽器和微信分享客戶(hù)端。

在上海玉佛禪寺大雄寶殿移位工程中應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM 的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)，具有模型真實(shí)感強(qiáng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看方便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)了工程進(jìn)度的四維展示?？梢?jiàn)該平臺(tái)具有較好的網(wǎng)絡(luò)傳播性。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以上海玉佛禪寺大雄寶殿整體移位工程為背景，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)和 BIM 的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)及其關(guān)鍵技術(shù)。該平臺(tái)具有模型精細(xì)化、數(shù)據(jù)輕量化和管理智能化等顯著特點(diǎn)。根據(jù)古建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和幾何形態(tài)特征，采用多種方法獲取建筑的幾何信息并建立三維模型及多種模型輕量化方法，減小了模型的數(shù)據(jù)體量，使其滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求。

基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM 的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)融合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了高真實(shí)感模型查看、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型、四維工程進(jìn)度展示和易于在線(xiàn)查看等重要功能，保證了大雄寶殿整體移位的主題結(jié)構(gòu)和內(nèi)部裝飾物的安全，并為管理者提高管理效率、降低管理風(fēng)險(xiǎn)提供了有力支持。