三維激光掃描與BIM技術(shù)結(jié)合的古建筑建模應用

曹智翔　王藝浩

【摘 要】本文通過采集古建筑三維激光點云數(shù)據(jù)，根據(jù)古建筑的特點結(jié)合BIM（建筑信息模型）建立三維模型并提取二維圖形，研究點云點位精度，計算工程量，為古建筑保護和應用方面提供思路和方法。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描;BIM模型;古建筑建模

中圖分類號： TU17;TU198 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）10-0075-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.030

Ancient Building Modeling Application Combining 3D Laser Scanning and BIM Technology

CAO Zhi-xiang WANG Yi-hao

（College of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

【Abstract】This paper collects 3D laser point cloud data of ancient buildings，combines BIM（Building Information Model） to build 3D models and extract 2D graphics according to the characteristics of ancient buildings，study point cloud point precision，and calculate engineering quantity.Provide ideas and methods for the protection and application of ancient buildings.

【Key words】3D laser scanning;BIM model;Ancient building modeling

0 引言

中國古代建筑是中華民族悠久歷史的見證和文化命脈的傳承，但隨著城市化的發(fā)展，古代建筑沒有得到保護反而受到破壞，其修復工作因缺乏圖紙數(shù)據(jù)變得極其困難，因此古建筑測繪和數(shù)據(jù)采集成為一項必不可少的工作。古建筑專題圖件要求完整精確的描繪古建筑的形狀，色彩等特性。三維激光掃描技術(shù)作為一項高新技術(shù)能海量獲取完整古建筑點云數(shù)據(jù)，每個點且具有坐標信息、反射率和色彩信息，與傳統(tǒng)測繪方法相比三維激光掃描獲取的信息更加詳細和豐富[1]，經(jīng)處理后可實現(xiàn)數(shù)據(jù)精準分析，研究并建立三維模型。

1 古建筑的內(nèi)容與要求

古建筑測繪內(nèi)容主要包括以下幾個方面：古建筑總平面圖;古建筑單體各層平面圖;古建筑單體立面圖、剖面圖、俯視圖、節(jié)點詳圖的測繪。依據(jù)相關(guān)規(guī)范及資料測量精度指標[2-3]的要求如下：

1）總平面圖的成圖參考比例尺為1：500—1：200，測量中圖根平面控制測量點位中誤差在圖上應小于0.1mm，碎部點在圖上的點位中誤差應小于0.3mm。

2）古建筑單體各層平面圖的參考比例尺為1：100—1：50測量中控制點在圖上的點位中誤差應小于0.1mm，碎部點在圖上的點位中誤差應小于0.3mm。

3）現(xiàn)場進行鋼尺測量、三維激光掃描儀測量獲取被測物體的點云實測模型需注意，量取相關(guān)建筑物和建筑構(gòu)件的尺寸時，同一尺寸測量讀數(shù)誤差不超過（3+0.001D）mm（D為被測距離的長度），同一尺寸在模型多次測得的平均距離與現(xiàn)場用鋼尺多次測得的平均尺寸的相對誤差不超過1/200[4]。

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

以重慶市某寺廟作為實驗對象，使用徠卡三維激光掃描儀及全站儀，鋼尺等測量工具對其數(shù)據(jù)采集。將采集的點云數(shù)據(jù)進行內(nèi)業(yè)處理，具體為點云配準、去噪和濾波、點云分類分割、點云簡化、點云擬合、特征線提取、三維建模等步驟。因上述步驟使用的是成熟算法，在此不作過多贅述。

2.2 點云精度

古建筑的構(gòu)件多是由圓柱、長方體、球體等組成，為了得到精確的圓柱半徑、高度、長方體長寬高、球體半徑等信息，通過基準面擬合提高特征線獲取和尺寸量取的效率?；鶞拭鏀M合是指確定掃描點云所屬表面的數(shù)學形式，在高斯映射數(shù)據(jù)條件下，基準面的擬合可分為兩個步驟：高斯映射數(shù)據(jù)的形狀類型識別和特征提取[5]。通過Imageware軟件可在點云基準面擬合過程中可求取擬合后的中心點、半徑、高度、最大偏差值以及參與擬合的點云數(shù)。設(shè)置不同的公差值，量取圓柱的半徑和高，通過半徑計算出周長，現(xiàn)場用鋼尺量取圓柱的周長和高，兩者數(shù)據(jù)比較，滿足1/200的相對精度的《古建筑測繪規(guī)范》要求，且通過Image ware軟件的“測量|面積|邊界區(qū)域平面面積”功能可計算構(gòu)件的面積和體積，為繪制古建筑圖紙中的尺寸標定和工程量統(tǒng)計提供重要保障。

3 BIM與三維激光掃描技術(shù)

3.1 BIM在古建筑保護中的作用

BIM在古建保護中的應用中可以記錄古建筑生命周期的信息，分別為全息幾何模型、整體建筑信息模型、局部構(gòu)件信息模型和古建筑生命周期管理、分析提供數(shù)據(jù)支持[6]。在古建筑的維修、保護的工程實際應用中一般需要標準樣板文件設(shè)計、概算工程量清單匯總、工程驗收變更內(nèi)容、深化模型形成竣工圖紙、三維信息模型的建立等幾個階段。

建筑信息模型為古建筑修繕設(shè)計的方法提供了強有力的技術(shù)支持，它使得古建筑的構(gòu)件信息，結(jié)構(gòu)信息，材料信息，殘損信息、修繕做法都可以被整合在一個相互關(guān)聯(lián)的邏輯系統(tǒng)中，在建立大木、小木、瓦石、裝修模型的時已同步載入年代、價值、殘損等主要特征信息，最終的圖紙是一個信息模型在不同維度上的表達。

3.2 “族”的建立

BIM模型的建立分為確定標高和軸網(wǎng)、創(chuàng)建“族”、結(jié)構(gòu)布置等步驟，標準構(gòu)件“族”是用于創(chuàng)建建筑構(gòu)件和一些注釋圖元的“族”。古建筑構(gòu)件檐柱、額枋、趴梁、順梁、山花板、角梁等[7]不同于普通建筑構(gòu)件需要單獨創(chuàng)建。在Revit Architecture中建立構(gòu)件“族”模型需要完成以下四步：①由點云數(shù)據(jù)進行幾何圖形的繪制，確定“族”模型的幾何尺寸。②賦予三維模型建筑信息，根據(jù)需要添加相應的文本建筑信息（名稱、材質(zhì)、顏色、年代等）。③設(shè)置“族”的可見性，即該“族”模型在項目中顯示的詳細程度，其詳細程度取決于視圖的比例關(guān)系。④保存新定義的“族”，然后將其載入到項目中進行測試[8]。圖1為根據(jù)真實點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建的柱子“族”和梯子“族”：

3.3 模型的繪制

繪制模型主要分為如下幾個步驟：①由繪制二維CAD圖確定的標高和軸網(wǎng)關(guān)系建立三維模型的標高和軸網(wǎng)，開始搭建模型。②創(chuàng)建樓板作為基礎(chǔ)，樓板是石板，搭建樓板時設(shè)置樓板的長寬高。③以樓板為參照平面，在此基礎(chǔ)上搭建柱子，本文用到自己創(chuàng)建的柱子“族”，根據(jù)要求設(shè)置相關(guān)尺寸，搭建時還需考慮其構(gòu)造方式、立面顯示、柱子的分布等因素，并在柱子搭建完畢后設(shè)置其相關(guān)屬性參數(shù)。④創(chuàng)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建筑物內(nèi)部有梁等結(jié)構(gòu)，根據(jù)已知的尺寸和材質(zhì)創(chuàng)建內(nèi)部模型。⑤創(chuàng)建屋脊和屋頂，根據(jù)標高與軸網(wǎng)，將梁、屋脊和屋頂放置到模型中，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)信息;完成長椅、欄桿和窗花附著，屋頂建立完畢后，進行長椅、欄桿和窗花對柱子的附著安裝;上述過程完成后便得到下面的模型結(jié)構(gòu)，圖2為三維真彩色展示：

3.4 繪制剖面圖

現(xiàn)今設(shè)計施工主要以二維CAD圖紙為主，為和設(shè)計施工相結(jié)合，通過三維激光點云獲取的真實尺寸模型剖切可得到二維CAD圖，其中亭廊局部立面圖如圖3、大樣圖如圖4所示。

由實驗可知，根據(jù)三維BIM模型進行剖切、編輯裁剪完成后，可以導出CAD格式，在CAD中進行編輯，從而實現(xiàn)從三維模型到二維線性圖的轉(zhuǎn)換，為獲取二維線性圖提供了方便。通過現(xiàn)有古建筑模型即可繪制出平面圖、立面圖、大樣圖等圖紙，將圖紙保存或數(shù)字化導入數(shù)據(jù)庫為后續(xù)古代建筑復建、修復提供保障。

4 總結(jié)

本文針對古建筑測繪的內(nèi)容和要求，通過三維激光點云擬合、特征線提取等處理步驟，能獲取滿足古建筑測繪精度的點云數(shù)據(jù)。通過點云數(shù)據(jù)建立古建筑構(gòu)件的“族”文件和提取的信息繪制古建筑BIM模型，完成1：1的還原，在BIM模型剖切功能下實現(xiàn)了二維圖形提取，便于古建筑的維護和施工。

研究成果表明三維激光掃描技術(shù)與BIM結(jié)合對具有歷史文化價值的古建筑測繪、二維施工圖紙的生成和古建筑維修、保護等信息化管理應用具有廣闊發(fā)展前景。未來三維激光掃描、BIM、三維GIS技術(shù)的發(fā)展和融合將推動三維數(shù)據(jù)向更深層次方向發(fā)展。

【參考文獻】

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[7]朱曉敏.《揚州畫舫錄》建筑類詞語研究[D].南京師范大學，2013.

[8]劉昊.基于點云的古建筑信息模型（BIM）建立研究[D].北京建筑大學，2014.