基于BIM 的古橋數(shù)字化保護(hù)應(yīng)用
——以寧波望春橋為例

浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，浙江 寧波 315000

寧波古橋風(fēng)格獨特，每一座古橋都是一部反映古代建筑工匠的建筑技藝的發(fā)展史［1］。由于歷史、經(jīng)濟(jì)等諸多原因，許多古橋都受到了不同程度的破壞。傳統(tǒng)測繪多以圖紙、文字、表格、圖片、影像等電子文件的形式，由于不同類型的數(shù)據(jù)信息不關(guān)聯(lián)，信息表達(dá)易出錯、遺漏和矛盾［2］，無法得到精確的尺寸信息，導(dǎo)致古橋修復(fù)工作困難，所以維護(hù)和管理利用好這些歷史文化遺產(chǎn)這些問題亟待解決。BIM 技術(shù)與三維掃描技術(shù)結(jié)合，能更全面地數(shù)字化保護(hù)古建筑信息［3］。通過三維掃描技術(shù)，能夠短時間內(nèi)獲得目標(biāo)對象的三維點云數(shù)據(jù)［4］，不僅克服了傳統(tǒng)單點測量的局限性，還提高了數(shù)據(jù)采集的效率。和傳統(tǒng)的采集模式相比，古建筑信息能夠得到更為全面、完善的留存。三維激光掃描技術(shù)得到的古橋建筑的點云數(shù)據(jù)格式與BIM 技術(shù)存在成熟接口，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)換。BIM 技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，BIM 是建筑業(yè)信息化的產(chǎn)物，BIM 技術(shù)在古建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用也得益于它強(qiáng)大的三維重建、可視化、參數(shù)化等特點。古橋的三維信息在形成的過程中以BIM 為載體，將信息參數(shù)化，由于信息查詢存在著許許多多的問題，比如傳輸速度慢，數(shù)據(jù)量大等，BIM 的應(yīng)用恰恰解決了這些問題。所以在現(xiàn)在的信息技術(shù)條件下，對古橋進(jìn)行保護(hù)，是這個時代下刻不容緩的任務(wù)。

1 望春古橋點云數(shù)據(jù)采集以及點云數(shù)據(jù)處理

首先利用三維掃描儀（圖1 所示）獲取的寧波望春古橋建筑三維激光掃描點云數(shù)據(jù)，針對不同角度掃描圖像，進(jìn)行控制數(shù)據(jù)點的拼接，多視角點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一化，進(jìn)步對網(wǎng)格缺陷補充及網(wǎng)格平滑處理，構(gòu)建古橋建筑模型三角格網(wǎng)；其次，利用構(gòu)造柵格和擬合曲面生成三維模型，構(gòu)建望春橋建筑全景精細(xì)化數(shù)字模型；鑒于望春橋古橋建筑全景模型體量大，面向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用存在傳輸量大、渲染時間長的問題，需對大體量模型進(jìn)行點云數(shù)據(jù)降噪、減面處理；最后，通過古橋全景網(wǎng)格模型切片，將古橋建筑實體與周邊實景網(wǎng)格區(qū)分，分別進(jìn)行不同層面的模型輕量化處理，望春橋點云模型如圖2 所示。

圖1 三維激光掃描儀

圖2 望春古橋輕量化點云成果

2 基于BIM 的古橋建筑逆向建模及局部構(gòu)件參數(shù)化

將古橋?qū)嶓w點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)BIM 三維軟件建模平臺，逆向建立古橋建筑三維高精度模型，利用掃描儀軟件自帶的測量功能，測出各部分的尺寸，為建模做準(zhǔn)備，對古橋建筑中梁、柱、等規(guī)則的結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及欄桿、扶手、階梯等規(guī)則的構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化族建模，建立古橋建筑構(gòu)件“族”模型庫，將復(fù)雜古橋建筑三維結(jié)構(gòu)的建模轉(zhuǎn)換成基于語義和少量參數(shù)數(shù)據(jù)的自動化建模過程，同時采用實體模型如圖3 所示代替復(fù)雜的點云模型，達(dá)到模型輕量化目的。

圖3 望春古橋Revit 實體模型

3 古建筑全生命周期屬性信息關(guān)聯(lián)BIM 古橋建筑模型

對文物進(jìn)行保護(hù)，我們需要得到BIM 古橋建筑模型的全生命周期屬性信息，比如一些構(gòu)件的年代、破損的情況和材質(zhì)等等。然后在虛擬的模型里面盡完善地導(dǎo)入相關(guān)的照片、現(xiàn)保存狀況報告、相關(guān)具體數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)等有關(guān)的資料，形成完整的信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)。這些信息與模型空間位置以及構(gòu)件尺寸的信息共同存儲在同一三維模型中，如圖4 所示，打開模型的同時，我們就可以直觀地得到模型的空間和屬性信息，并且所有信息都是相互關(guān)聯(lián)的，實現(xiàn)了屬性信息的同步更新，實現(xiàn)了BIM 對古橋建筑本體信息的全面覆蓋。

圖4 古橋BIM 模型數(shù)字信息管理

4 AR 技術(shù)與古橋建筑數(shù)字模型結(jié)合實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實

為了獲取古橋建筑外圍地理環(huán)境信息如周邊環(huán)境等數(shù)字信息，對古橋周圍環(huán)境進(jìn)行無人機(jī)航拍，并獲得航拍數(shù)據(jù)。將航拍數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，讓軟件進(jìn)行計算。其原理是通過無人機(jī)照片的高度及路面的反射，來判斷各個面的距離從而建立模型。畫面上的點是經(jīng)過初步計算，軟件中認(rèn)為的關(guān)鍵點，工作原理與點云文件比較類似，也是用點生成面的方式來創(chuàng)建模型。

古橋建筑外圍地理環(huán)境信息如周邊環(huán)境、山川河流等，信息量龐大，無法在BIM 數(shù)字實體模型中顯示，同時古橋建筑數(shù)字BIM 模型對于硬件設(shè)備的要求非常高，對于電腦的CPU處理能力，GPU 顯現(xiàn)能力還有內(nèi)存顯卡都有非常高的要求，變相提高了設(shè)備的成本，不利于展示在公眾面前。增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱 AR）它將攝影機(jī)的位置、角度和圖像相互關(guān)聯(lián)，使虛擬和現(xiàn)實結(jié)合，實現(xiàn)互動。可以利用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)，也可以通過CAD 的模型來了解古橋，古建筑的周邊復(fù)雜的環(huán)境，再加上紋理和渲染，就可以通過虛擬現(xiàn)實的AR反映給大眾。

但是AR 實景的三維模型只是一個表面模型，缺少了古橋和古建筑的建筑相關(guān)信息，但是BIM 技術(shù)可以建立古橋和古建筑的三維模型，通過這個技術(shù)可以更完善地記錄古橋和古建筑的建筑相關(guān)信息，比如構(gòu)件的尺寸，墻體的材料和種類顏色等。AR 技術(shù)可以將實景和虛擬模型結(jié)合起來，

真實模擬設(shè)計內(nèi)容與街道、河流等現(xiàn)狀周邊環(huán)境的準(zhǔn)確關(guān)系，對于BIM 模型可以進(jìn)一步加工生成漫游動畫或效果最終予以在移動端展示。

圖5 望春橋?qū)嵕澳Ｐ途W(wǎng)頁查看

5 結(jié)論

為了古橋建筑全生命周期的數(shù)字化管理，將三維掃描技術(shù)、圖像處理技術(shù)、BIM 軟件建模等信息數(shù)字化技術(shù)運用到了古橋建筑數(shù)字化保護(hù)，建立寧波望春橋全生命周期信息模型，該三維模型，不僅保留了古建筑的工程結(jié)構(gòu)關(guān)系，也使得附屬在建筑物上的各種屬性信息為古橋和古建筑等文物的修復(fù)工作提供了更精確，更完善，更工程化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，古橋建筑的全景虛擬移動端展示以及虛擬漫游，便于其古橋文化宣傳與知名度的提高。