三維激光掃描技術(shù)及BIM技術(shù)在古建筑保護(hù)測(cè)繪中的應(yīng)用

馬宏毓 趙 新

（1.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100053； 2.北京中和盛圖測(cè)繪有限公司，北京 100079）

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，歷史悠久，建筑文化遺產(chǎn)資源極為豐富。然而，在目前現(xiàn)代化城市的建設(shè)中，現(xiàn)存的古建筑不同程度地遭到破壞，保護(hù)古代建筑及其蘊(yùn)含的文化價(jià)值是目前各個(gè)城市面臨的重要課題。古建筑測(cè)繪成果為保護(hù)、發(fā)掘、整理、利用古代建筑遺產(chǎn)，為建筑歷史與理論研究、建筑史教學(xué)提供翔實(shí)的基礎(chǔ)資料，為繼承發(fā)揚(yáng)傳統(tǒng)建筑文化、探索有中國(guó)特色的現(xiàn)代建筑創(chuàng)作提供借鑒[1]。

古建筑測(cè)繪從字面上理解是測(cè)量古建筑物的形狀、大小和空間位置，并在此基礎(chǔ)上繪制相應(yīng)的平、立、剖面圖紙。但是，隨著文化遺產(chǎn)保護(hù)理論的發(fā)展以及測(cè)繪技術(shù)的革命性變革，古建筑測(cè)繪是對(duì)古建筑本身、物理信息和人文信息以及隨時(shí)間變化的信息適時(shí)采集、測(cè)量、管理和利用的技術(shù)活動(dòng)，是建立建筑遺產(chǎn)記錄檔案工作的重要組成部分。在建筑遺產(chǎn)的研究評(píng)估、管理維護(hù)、保護(hù)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、保護(hù)工程實(shí)施、周邊環(huán)境的建設(shè)控制以及教育、展示和宣傳等方面起到重要作用。傳統(tǒng)古建筑保護(hù)的手段主要依賴于測(cè)繪圖紙、文字以及師徒相傳等，這些手段容易造成古建筑信息管理不完整、查詢不方便等弊端。本文提出了一種BIM 技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的方法，創(chuàng)建帶有豐富屬性信息的古建筑三維模型，建立測(cè)繪數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息管理系統(tǒng)等。以工程實(shí)例證明該項(xiàng)技術(shù)手段在古建筑保護(hù)工作中的優(yōu)勢(shì)。

1 傳統(tǒng)古建筑測(cè)繪方法

古建筑測(cè)繪需要測(cè)量建筑物的真實(shí)尺寸，各構(gòu)件相對(duì)關(guān)系等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，尤其對(duì)結(jié)構(gòu)性的大木構(gòu)件如柱、梁、檁、枋等，要進(jìn)行全面詳細(xì)的勘查和測(cè)量，對(duì)于較高的建筑，只能爬上去測(cè)繪，不但精度差，還容易損壞古建筑[2]。用于保護(hù)工程的全面勘測(cè)，除對(duì)建筑的幾何屬性，包括沉降、歪閃等變形情況進(jìn)行測(cè)量外，還要進(jìn)行工程地質(zhì)勘察、木構(gòu)件腐朽程度探測(cè)與記錄、結(jié)構(gòu)可靠性驗(yàn)算、壁畫彩畫病害分析等。傳統(tǒng)測(cè)繪方法常用儀器有皮卷尺、鋼卷尺、水平尺、垂球、全站儀及GPS等，所測(cè)的數(shù)據(jù)輸出的都是二維結(jié)果。如繪制建筑物的平、立、剖面圖，總平面圖及大樣圖，文字檔案等。不易對(duì)所測(cè)得的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與整理，這樣保存下來(lái)的信息缺乏直觀易讀性、系統(tǒng)性與可繼承性。根據(jù)古建筑物本身形式的特點(diǎn)，測(cè)繪方法的難點(diǎn)也在于如何獲取細(xì)部數(shù)據(jù)，尤其是對(duì)于形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)象，立面和剖面繪制的工作更是非常繁瑣的。外業(yè)實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，獲得完整數(shù)據(jù)且精度滿足要求并不容易。尤其對(duì)于古建筑中的雕刻、文字、彩畫等進(jìn)行實(shí)地測(cè)量時(shí)，既要記錄其真實(shí)狀態(tài)，同時(shí)也要記錄可能由于環(huán)境影響和人為因素產(chǎn)生的剝落、風(fēng)化、毀壞、殘缺等不同程度的破壞。另外碑刻、文字，是記載建筑歷史的重要文獻(xiàn)依據(jù)，是古建筑保護(hù)的核心內(nèi)容之一，傳統(tǒng)方法一般很難對(duì)其準(zhǔn)確測(cè)量還原。本文以密云區(qū)古北口村楊令公祠正殿為例，該殿為廡殿式建筑，圖1、圖2為傳統(tǒng)二維圖紙，正殿南立面圖與剖面圖。

圖1 楊令公祠正殿南立面圖

圖2 楊令公祠正殿剖面圖

2 三維激光掃描技術(shù)原理及優(yōu)點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)作為一種高精度的全自動(dòng)立體掃描技術(shù)，是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，它是利用激光測(cè)距的原理，通過記錄被測(cè)物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。它能將實(shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)直接處理的數(shù)字信號(hào)，為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段，而且其測(cè)量結(jié)果能直接與多種軟件對(duì)接。它突破了傳統(tǒng)測(cè)繪的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在無(wú)接觸情況下獲取以上所有信息，保證了其真實(shí)性和歷史感，也不會(huì)對(duì)建筑有任何破壞，圖3為楊令公祠正殿三維掃描點(diǎn)云南立面影像截圖。

圖3 楊令公祠正殿三維掃描點(diǎn)云影像截圖

3 BIM 技術(shù)在古建筑測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì)

BIM 是建筑信息模型的簡(jiǎn)稱，是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)建立的模型，它具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視性、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等八大特點(diǎn)。REVIT 軟件以三維激光掃描儀掃描的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)建BIM。繪制模型的過程，也就是對(duì)古建筑全部數(shù)據(jù)、信息錄入的過程，模型是嚴(yán)格依據(jù)測(cè)繪數(shù)據(jù)而生成，測(cè)繪所得的所有數(shù)據(jù)信息都包含在這個(gè)數(shù)字模型里，在創(chuàng)建模型的同時(shí)，將相對(duì)應(yīng)的材質(zhì)、名稱等屬性信息進(jìn)行錄入并定義。在繪制完成后，這些數(shù)據(jù)便會(huì)出現(xiàn)在“族類型”列表中，這樣在準(zhǔn)確記錄模型形狀的同時(shí)，又把模型的數(shù)據(jù)信息直觀、清晰地展現(xiàn)了出來(lái)。

古建筑繪圖工作繁瑣，形制尺度的規(guī)定也較多，但是區(qū)別于現(xiàn)代建筑，古建筑的固定搭接、模數(shù)化的尺度以及特征化的組合等特點(diǎn)，是一種基于特定尺寸構(gòu)件基礎(chǔ)上的“參數(shù)化”的設(shè)計(jì)與搭建過程。便于實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的古建筑模型，減少重復(fù)工作[3]。

運(yùn)用REVIT軟件中“族”這一功能，自定義所需構(gòu)件模型參數(shù)，通過分析模型構(gòu)件的特征，選擇用“拉伸、放樣和融合等”命令，或疊加幾個(gè)命令共同使用。族的狀態(tài)是通過幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制的，當(dāng)我們?cè)俅斡龅较嗤蛳嗨茦?gòu)件時(shí)，可直接修改參數(shù)即可使用。形式相同的構(gòu)件，只需復(fù)制并重命名其屬性信息即可得到一個(gè)新的相同尺寸的構(gòu)件，這種操作方法不僅提高效率，而且易于對(duì)古建筑構(gòu)件進(jìn)行分類和統(tǒng)計(jì)，有助于對(duì)古建筑進(jìn)行整體、系統(tǒng)地研究。BIM 技術(shù)創(chuàng)建的三維模型相比二維的傳統(tǒng)CAD圖紙，優(yōu)勢(shì)更為突出。圖4為楊令公祠正殿BIM 截圖。

圖4 楊令公祠正殿BIM 截圖

4 實(shí)例對(duì)比分析

圖5、圖6為楊令公祠正殿檐柱部位正立面與東立面的現(xiàn)場(chǎng)照片。圖中線框部分為本次對(duì)比研究的主要部位。

圖5 楊令公祠正殿檐柱部位南立面照片

照片顯示的部位含有構(gòu)件檐柱、檐檁、檐墊板、檐枋、抱頭梁、穿插枋及雀替等。

傳統(tǒng)測(cè)量方法，需要對(duì)此部位進(jìn)行三視圖的繪制以及繪制剖面、局部大樣圖等。繪制過程繁瑣且需要同時(shí)考慮相連接構(gòu)件之間的相對(duì)關(guān)系及尺寸，容易增加出錯(cuò)的概率。圖7為該部位三視圖。

圖6 楊令公祠正殿檐柱部位東立面照片

圖7 檐柱部位三視圖

在REVIT軟件中，換了一種思路，是以單體構(gòu)件為單位，不需要綜合考慮所有構(gòu)件的相對(duì)搭接關(guān)系，分成兩步先把單個(gè)構(gòu)件創(chuàng)建準(zhǔn)確，再進(jìn)行相互搭接。這樣更容易減少錯(cuò)誤的產(chǎn)生。類似模擬還原建設(shè)房屋的步驟過程，把建筑重新復(fù)建起來(lái)。圖8為BIM 構(gòu)件單位分解截圖，圖9、圖10為BIM 構(gòu)件搭接后正側(cè)立面截圖。

圖8 與檐柱搭接的各構(gòu)件單體示意圖

圖9 組合后檐柱部位正立面示意圖

圖10 組合后檐柱部位側(cè)立面示意圖

再通過設(shè)定標(biāo)高、軸網(wǎng)等命令，運(yùn)用REVIT軟件中提供的立面、剖面剖切功能，從而自動(dòng)生成所需部位的二維、三維圖（見圖11）。信息更完整，精度也更高。

圖11 導(dǎo)出所需部位二維、三維圖

同時(shí)REVIT 軟件中提供的明細(xì)表功能，能很好的用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面的工作。在一個(gè)BIM 中，對(duì)每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行命名，它們以族或者實(shí)例的狀態(tài)獨(dú)立存在，我們可以定義族或者實(shí)例的結(jié)構(gòu)類型、材料等相關(guān)屬性，當(dāng)我們需要系統(tǒng)、直觀地得到某一類型下實(shí)例的特定信息時(shí)，只需要建立一個(gè)相關(guān)類型的明細(xì)表，將所需要的屬性一一調(diào)出即可（見圖12）。

BIM 的直觀可視性，大大降低了研究古代建筑卯榫結(jié)構(gòu)的難度，通過圖紙，靠空間想像力去理解卯榫結(jié)構(gòu)實(shí)在是效率又低，難度又大。通過對(duì)模型的尺寸分析、搭接方式分析，可以快速理解掌握其中的精髓。如圖8所示，可以非常清晰直觀地看到每個(gè)部位搭接方式，讓我們從“師傅帶徒弟”這種單點(diǎn)傳承方式中解脫出來(lái)。在由衷贊嘆古人智慧的同時(shí)，讓更多的人真正了解、掌握卯榫結(jié)構(gòu)，而不是只知道中國(guó)古建筑大木結(jié)構(gòu)很厲害和“墻倒屋不塌”這一句話。要知其然，更要知其所以然。

圖12 導(dǎo)出部位明細(xì)表

5 結(jié)語(yǔ)

在逐步數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)逐漸的代替二維，三維激光掃描技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪工作中細(xì)部數(shù)據(jù)獲取難度大、精度低的這一缺點(diǎn)。結(jié)合BIM 技術(shù)的發(fā)展，逆向建模還原我們的古建筑。指導(dǎo)其測(cè)繪、保護(hù)、修繕等工作的進(jìn)行。同時(shí)，因?yàn)槟Ｐ褪菃误w的形式組合而成，研究者能夠以直觀、細(xì)化的角度去研究和剖析古建筑結(jié)構(gòu)單體中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，例如榫的選擇形式及傳統(tǒng)工藝技巧等。從中發(fā)掘出新的思路和價(jià)值，借鑒吸收古代建筑中的營(yíng)養(yǎng)，讓傳統(tǒng)古建筑技術(shù)得以傳承和延續(xù)，讓建筑之路充滿中國(guó)特色。