集成BIM-3D掃描技術(shù)的斗拱建模方法

惠之瑤， 張愛(ài)琳， 王 昆， 閆澤文， 劉巧靈， 韓曉桐

(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010； 2. 包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系， 內(nèi)蒙古 包頭 014010； 3. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100120)

近年來(lái)，隨著信息化技術(shù)深入到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，利用三維激光掃描技術(shù)與BIM(Building Information Modeling)技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)與傳承正逐漸成為研究熱點(diǎn)。

三維激光掃描技術(shù)又稱(chēng)3D掃描技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究主要集中于運(yùn)用三維激光掃描儀對(duì)古建筑進(jìn)行掃描后逆向建模，如Siwei等[1]提出了一種半自動(dòng)激光掃描方法，說(shuō)明了3D激光掃描技術(shù)可以提高項(xiàng)目的效率和準(zhǔn)確性。Bouzakis等[2]通過(guò)激光掃描儀獲得了帕臺(tái)農(nóng)神廟西部帶狀雕塑的立體幾何現(xiàn)狀和顏色。Forlin等[3]借鑒ArMedEa項(xiàng)目的兩個(gè)案例，即伊斯蘭設(shè)防村莊El Castillejo和十字軍城堡Saranda Kolones，從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集分析所得3D模型，有助于快速且準(zhǔn)確地記錄破壞的考古背景。Liang等[4]以蘇州市環(huán)秀山莊后院的假山為例，研究了基于3D現(xiàn)實(shí)的建模。Quagliarini等[5]針對(duì)古建筑保護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的問(wèn)題，提供了一種快速、低成本且安全的3D激光掃描方法，準(zhǔn)確地評(píng)估建筑物的安全性。熊強(qiáng)等[6]在室內(nèi)空中軌道上搭載5鏡頭傾斜相機(jī)，利用3D掃描技術(shù)進(jìn)行空中三角測(cè)量和三維建模。藺小虎等[7]對(duì)大雁塔進(jìn)行三維激光掃描，獲取其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用Cyclone，AutoCAD，3ds Max三種軟件構(gòu)建了大雁塔的三維模型。周曦冰等[8]采用均勻分布原則對(duì)三維模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征信息提取，提出了一種新的基于三維模型的古文物本體圖制作方法。

綜上所述，3D掃描技術(shù)可對(duì)建筑進(jìn)行數(shù)字化、信息化的記錄，提高項(xiàng)目的效率，但其只能建立建筑的表面模型，建筑物內(nèi)部構(gòu)造無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)。而B(niǎo)IM技術(shù)可對(duì)建筑物進(jìn)行實(shí)體三維構(gòu)建，且BIM技術(shù)應(yīng)用到古建筑保護(hù)與修復(fù)方面的研究在我國(guó)還處于起步階段，信息化對(duì)古建筑保護(hù)和開(kāi)發(fā)的作用并沒(méi)有充分體現(xiàn)，對(duì)宗教建筑運(yùn)用信息化技術(shù)手段進(jìn)行保護(hù)與傳承更是空白。因此可利用三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合構(gòu)建BIM模型，以實(shí)現(xiàn)利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建BIM模型的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于信息化平臺(tái)統(tǒng)一管理，探索古建筑全壽命周期的管理。

本文針對(duì)古建筑建模這一問(wèn)題，提出三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)集成的理念，借助三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)古建筑BIM參數(shù)化建模。其基本思路是利用Focus S350三維激光掃描儀對(duì)大召寺玉佛殿典型構(gòu)件進(jìn)行掃描，從外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析處理入手，構(gòu)建了該典型構(gòu)件的傳統(tǒng)三維表面模型。然后通過(guò)dwg格式的中間文件將傳統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為BIM模型，并以此為理論重建了單翹單昂平身科斗拱BIM模型。最終對(duì)斗拱BIM模型的幾何質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了集成建模方法的可行性。

1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的BIM模型構(gòu)建

1.1 BIM-3D掃描技術(shù)集成原理

在古建筑保護(hù)施工之前，通常需要把古建筑現(xiàn)狀準(zhǔn)確地記錄下來(lái)。如不能真實(shí)、準(zhǔn)確記錄修繕前典型構(gòu)件的尺寸，修復(fù)尺寸的設(shè)計(jì)將無(wú)所依據(jù)。因此，這類(lèi)構(gòu)件模型要?jiǎng)?chuàng)建成真實(shí)狀態(tài)下的模型，即逆向建立實(shí)體模型。

通過(guò)3ds Max建模比用其他軟件建模效率高，例如對(duì)于重點(diǎn)構(gòu)件做精模，非重要部分可舍去或者做簡(jiǎn)模，減小模型數(shù)據(jù)量，降低建模復(fù)雜程度。但由于三維激光掃描儀本身誤差，以及技術(shù)人員在量取及拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)等步驟時(shí)有人為因素的影響，不同程度造成模型的精度不高等問(wèn)題，所以目前的Max模型多用于項(xiàng)目三維展示。而Revit參數(shù)化建模，雖然模型精度很高，但尚不能對(duì)載入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和建模，即利用點(diǎn)云作為原始數(shù)據(jù)構(gòu)建BIM模型無(wú)理想的途徑?；诖?，本文提出了BIM-3D掃描技術(shù)集成的原理。三維模型根據(jù)表達(dá)方式不同可分為線框模型、表面模型和實(shí)體模型[9]。

首先利用三維激光掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)降噪、抽稀、配準(zhǔn)后，將處理好的成果點(diǎn)云數(shù)據(jù)在3ds Max軟件中構(gòu)建古建筑的表面模型，然后將此模型轉(zhuǎn)化為dwg格式的線框模型，最終，以此線框模型為輪廓，載入到Revit軟件中構(gòu)建實(shí)體模型。從而實(shí)現(xiàn)了以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，構(gòu)建Revit實(shí)體模型的目的。詳細(xì)的BIM-3D掃描技術(shù)集成框架如圖1所示。

圖1 BIM-3D掃描技術(shù)集成框架

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、處理

掃描工作主要由Faro公司的Focus S350遠(yuǎn)程掃描儀完成。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取之前，先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查。由于斗拱外觀復(fù)雜且受物體遮擋等影響，所以需要分別架設(shè)兩站進(jìn)行掃描。本次測(cè)繪共布設(shè)標(biāo)靶6個(gè)。布設(shè)好測(cè)站點(diǎn)和標(biāo)靶后依次將Faro S350掃描儀架設(shè)在所選站點(diǎn)并調(diào)平(S350設(shè)備有±2°傾斜自動(dòng)補(bǔ)償功能，無(wú)需完全調(diào)平)。然后開(kāi)始掃描作業(yè)，單站掃描時(shí)間大約6 min，要保證相鄰兩站間有一定比例的重疊度[10]。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)掃描

在掃描過(guò)程中由于受外界環(huán)境因素，如游客、樹(shù)木、雜物等遮擋的影響，導(dǎo)致采集到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中有許多噪聲點(diǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行去燥處理；同時(shí)采集到的原始點(diǎn)云中有許多重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)，且掃描儀與斗拱的距離遠(yuǎn)近也會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云密度不一致，這些冗余的數(shù)據(jù)造成圖形不光滑且浪費(fèi)存儲(chǔ)空間。因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽??；在兩站的掃描過(guò)程中，每一站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都有自己獨(dú)立的坐標(biāo)系。因此必須將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中，以得到斗拱的整體點(diǎn)云模型[11]。

本文運(yùn)用Faro公司自主研發(fā)的掃描儀配套軟件Faro Scene來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先新建工程加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)掃描數(shù)據(jù)識(shí)別后，自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)云的降噪、查找標(biāo)靶球及創(chuàng)建掃描點(diǎn)云，如圖3所示，同時(shí)將相鄰兩站掃描點(diǎn)云，以相應(yīng)視圖對(duì)兩站之間的公共標(biāo)靶球進(jìn)行標(biāo)記對(duì)應(yīng)，利用公共靶球?qū)崿F(xiàn)兩站數(shù)據(jù)的拼接。運(yùn)算完成后，在注冊(cè)模塊下檢查兩站拼接精度并查看兩站拼接效果是否符合要求，以確保點(diǎn)云高精度拼接，如圖4所示。最后，打開(kāi)Autodesk ReCap軟件，點(diǎn)擊新建項(xiàng)目導(dǎo)入斗拱點(diǎn)云數(shù)據(jù)，開(kāi)始導(dǎo)入。導(dǎo)入成功后該點(diǎn)云數(shù)據(jù)將為3ds Max 2016建立模型提供基礎(chǔ)參考。

圖3 點(diǎn)云去噪過(guò)濾

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度

1.3 斗拱表面模型構(gòu)建

根據(jù)前期的準(zhǔn)備工作，本文使用3ds Max 2016進(jìn)行三維模型創(chuàng)建。在3ds Max軟件創(chuàng)建面板中選擇點(diǎn)云物體子層級(jí)下的點(diǎn)云，導(dǎo)入rcs格式的點(diǎn)云。并將點(diǎn)云的方向調(diào)整正確。依據(jù)導(dǎo)入的成果點(diǎn)云數(shù)據(jù)把斗拱分割為坐斗、三才升、槽升子、翹等構(gòu)件[12]，對(duì)其各個(gè)構(gòu)件依次進(jìn)行模型重構(gòu)，通過(guò)樣條勾出輪廓，再編輯多邊形，進(jìn)而繪制出各自造型。

內(nèi)業(yè)使用3ds Max軟件建立斗拱三維表面模型，是在線框模型的基礎(chǔ)上，增加面的信息，其所含信息量少，僅用于三維展示。而實(shí)體模型能反映古建筑的材質(zhì)、尺寸、體積、密度、年代等信息，且能用于古建筑全生命周期的信息管理。因此，構(gòu)建好的三維表面模型尚不能用于深入研究古建筑，還要對(duì)其三維實(shí)體模型進(jìn)行研究。

1.4 斗拱BIM模型構(gòu)建

由于實(shí)體BIM模型所包含的信息量豐富，且有利于古建筑全生命周期的管理，所以下文以玉佛殿單翹單昂平身科斗拱為例，介紹如何將Max模型轉(zhuǎn)換為BIM模型。

首先對(duì)已經(jīng)建好的斗拱進(jìn)行提取，將其Max文件導(dǎo)出為dwg格式。然后，需要把斗拱構(gòu)件的dwg整體模型分解為單個(gè)元素，如坐斗、三才升、槽升子等[13]，其部分CAD線框模型如圖5a～12a所示。由于線框模型是用頂點(diǎn)和棱邊來(lái)表示物體的模型，物體表面和內(nèi)部材質(zhì)信息無(wú)法表達(dá)，信息量少，因此要將它轉(zhuǎn)換成BIM模型。然后再把單個(gè)構(gòu)件的dwg線框模型分別導(dǎo)入Revit做底圖，分別新建每一構(gòu)件族。

具體操作步驟為：新建公制常規(guī)模型，以線框模型的頂點(diǎn)和棱邊為輪廓，添加參考平面和標(biāo)高，標(biāo)注類(lèi)型尺寸，進(jìn)行“EQ”操作，對(duì)其標(biāo)注尺寸添加驅(qū)動(dòng)參數(shù)。設(shè)置工作平面快捷鍵后，進(jìn)入每一參考平面，進(jìn)行拉伸、融合、空心拉伸等操作，構(gòu)建物體三維實(shí)體模型。并添加材質(zhì)參數(shù)，設(shè)置材質(zhì)等信息，完成三維實(shí)體模型的創(chuàng)建，如圖5b～12b所示的部分Revit實(shí)體模型。

圖5 坐斗

圖6 三才升

圖7 翹

圖8 單材萬(wàn)拱

圖9 槽升子

圖10 撐頭木

圖11 螞蚱頭

圖12 昂

最后載入所有rfa格式的族元素進(jìn)行組裝生成完整構(gòu)件。用Max模型轉(zhuǎn)換進(jìn)而用Revit參數(shù)化建成的平身科斗拱模型如圖13所示。用此方法，可有效地解決Revit不能用點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建實(shí)體模型的問(wèn)題。并通過(guò)對(duì)最終模型的幾何質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了此方法的可行性。

圖13 單翹單昂五踩清式斗拱Revit實(shí)體模型

2 BIM模型幾何質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 幾何質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

模型幾何質(zhì)量是指實(shí)際構(gòu)件與其模型局部位置的偏差情況。與二維空間不同的是，三維空間內(nèi)模型的組成結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)信息較復(fù)雜。因此，為驗(yàn)證該方法建模精度與結(jié)果的可靠性，本研究借鑒三維模型幾何質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[14]，采用以局部評(píng)估整體的思路，將三維模型分解到基元點(diǎn)、基元線和基元面。根據(jù)其特點(diǎn)，選取了基元點(diǎn)的距離偏移A、基元線的長(zhǎng)度差B、距離偏移C、角度偏移D，基元面的邊數(shù)累積差E、面積差F、距離偏移G、角度偏移H共8個(gè)指標(biāo)，通過(guò)隨機(jī)采樣，對(duì)模型進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，對(duì)比模型尺寸與真實(shí)構(gòu)件尺寸的偏差。

基元點(diǎn)是三維模型的基本單元。隨機(jī)選取三維模型n個(gè)角點(diǎn)，Ui(xi,yi,zi)，i∈[1,n]。與之相對(duì)應(yīng)的構(gòu)件實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)為Vi(xj,yj,zj)，j∈[1,n]。計(jì)算構(gòu)件角點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)的距離差值，用式(1)表示：

(1)

該三維模型基元點(diǎn)距離偏移值A(chǔ)通過(guò)計(jì)算角點(diǎn)距離差值平均值得出。

(2)

基元線是三維模型基本要素，以端點(diǎn)坐標(biāo)、確定的線段為例，評(píng)價(jià)基元線空間幾何質(zhì)量。模型中線段LU的端點(diǎn)為U1(x1,y1,z1)，U2(x2,y2,z2)，構(gòu)件實(shí)際線段LV的端點(diǎn)為V1(x3,y3,z3)，V2(x4,y4,z4)。LU，LV的長(zhǎng)度差為：

(3)

隨機(jī)選n條模型外邊線作為基元線。模型基元線的長(zhǎng)度差值B通過(guò)n條基元線長(zhǎng)度差的均值得到。

(4)

計(jì)算LU的兩個(gè)端點(diǎn)U1，U2及中點(diǎn)PU到LV與之相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)端點(diǎn)V1，V2及中點(diǎn)PV的距離，即U1V1，U2V2，PUPV。模型基元線的距離偏移C由隨機(jī)選n條基元線計(jì)算距離差的平均值得到。

(5)

幾何模型基元線的角度偏移值D由計(jì)算兩條基元線夾角得出，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式(6)～(8)。

設(shè)

(6)

模型基元線LU與實(shí)際值LV的夾角α∈(0,90°]。

(7)

(8)

基元面是由基元線構(gòu)成的具有固定形狀的面。本文僅研究平面，對(duì)曲面不做研究。隨機(jī)選取模型n個(gè)基元面U，并在實(shí)際構(gòu)件中找到相應(yīng)面V。計(jì)算面U的邊數(shù)EU與面V的邊數(shù)EV的差值。統(tǒng)計(jì)累計(jì)邊數(shù)差值作為該構(gòu)件的邊數(shù)差E。

(9)

基元面通過(guò)控制點(diǎn)坐標(biāo)Pi(xi,yi,zi),i=1,2,…,n，計(jì)算其面積。

S(P1P2…Pn)

(10)

隨機(jī)選取n個(gè)多邊形，計(jì)算模型基元面U的面積SU和實(shí)際構(gòu)件對(duì)應(yīng)面V的面積SV，模型的面積差值F由計(jì)算面U，V的面積差平均值得出。

(11)

選取n個(gè)基元面，該構(gòu)件基元面的距離偏移值G通過(guò)測(cè)量模型基元面U控制點(diǎn)坐標(biāo)Ui(xi,yi,zi)(i=1,2,…,k)到實(shí)際基元面V(A2x+B2y+C2z+D2=0)的距離的均值得出。

(12)

對(duì)于三維模型的基元面U：A1x+B1y+C1z+D1=0，設(shè)其法向量為m=(xm,ym,1)

任意選取基元面U的3個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)U1，U2，U3，得到式(13)：

(13)

求解得到法向量m。同理求出實(shí)際基元面V：A2x+B2y+C2z+D2=0的法向量為n=(xn,yn,1)。

根據(jù)三維空間兩條直線的向量夾角公式可得法向量m與n的夾角β，β∈(0,90°]。

(14)

隨機(jī)選擇模型的n個(gè)基元面，該構(gòu)件基元面的角度偏移平均值H為：

(15)

2.2 BIM模型的精度分析

將已建成的平身科斗拱BIM模型作為研究對(duì)象，選取斗拱的每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)分析，共計(jì)十二個(gè)構(gòu)件，分別為坐斗、十八斗、槽升子、三才升、正心瓜拱、正心萬(wàn)拱、單材瓜拱、單材萬(wàn)拱、廂拱、翹、昂、螞蚱頭。全站儀作為傳統(tǒng)的測(cè)量手段，測(cè)量精度較高，可以作為基準(zhǔn)參考。本次通過(guò)分別對(duì)每個(gè)構(gòu)件隨機(jī)采樣選取基元點(diǎn)10個(gè)、基元線8條、基元面8個(gè)，然后將BIM模型與全站儀測(cè)量的對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，依次計(jì)算出平身科斗拱的A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H的值。具體結(jié)果見(jiàn)表1。

將斗拱分為斗、升類(lèi)構(gòu)件，拱、翹類(lèi)構(gòu)件和昂、螞蚱頭，通過(guò)表1對(duì)斗拱這三類(lèi)構(gòu)件的BIM模型幾何質(zhì)量進(jìn)行分析。本文的研究對(duì)象——斗拱主體長(zhǎng)1200 mm、寬614 mm、高588 mm，基元點(diǎn)、線、面的距離偏移、角度偏移等數(shù)值均在此數(shù)量級(jí)基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。

(1)基元點(diǎn)分析

BIM模型的點(diǎn)距離偏移A=4.16 mm，其中斗、升類(lèi)構(gòu)件的平均點(diǎn)距離偏移A斗、升=3.99 mm；拱、翹類(lèi)構(gòu)件的平均點(diǎn)距離偏移A拱、翹=4.03 mm；昂與螞蚱頭的平均點(diǎn)距離偏移A昂、螞蚱頭=4.50 mm。

(2)基元線分析

BIM模型基元線的長(zhǎng)度差值B=3.35 mm，距離偏移C=3.13 mm，角度偏移D=0.28°。

表1 逆向三維模型幾何質(zhì)量評(píng)價(jià)

(3)基元面分析

BIM模型基元面的面積差值F=14.83 mm2，距離偏移G=3.22 mm，角度偏移H=0.35°。

其中基元線、基元面分析中對(duì)于斗、升類(lèi)構(gòu)件，拱、翹類(lèi)構(gòu)件，昂與螞蚱頭，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即可發(fā)現(xiàn)其精度差異，不再單獨(dú)對(duì)其計(jì)算分析。將以上數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表2 模型幾何精度統(tǒng)計(jì)

綜合以上分析，得出斗拱BIM模型的總體幾何精度較高，基本驗(yàn)證了集成BIM-3D掃描技術(shù)建模方法的可行性。對(duì)誤差來(lái)源進(jìn)行分析，其主要來(lái)源于三個(gè)方面，一是數(shù)據(jù)源的精度，二是構(gòu)件的復(fù)雜程度，三是人為因素。這些因素都會(huì)導(dǎo)致模型精度降低。以下是其精度降低的主要原因：

(1)原始數(shù)據(jù)的精度

本文使用的Focus S350三維激光掃描儀本身誤差，其三維位置精度，與建筑物距離10 m時(shí)，其原始點(diǎn)云精度為±2.00 mm；與建筑物距離25 m時(shí)，其原始點(diǎn)云精度為±3.50 mm。加之，后期內(nèi)業(yè)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀、降噪、拼接等處理，以及建模時(shí)點(diǎn)云分割、特征線提取等人為因素的加入，不可避免地造成誤差的增大。

(2)構(gòu)件的復(fù)雜程度

外形規(guī)整簡(jiǎn)單的構(gòu)件，其模型幾何形態(tài)也相應(yīng)簡(jiǎn)單，其相對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件模型的精度較高。通過(guò)對(duì)比上表1不同類(lèi)構(gòu)件的基元點(diǎn)、基元線、基元面誤差可以發(fā)現(xiàn)，斗、升類(lèi)模型的精度最高，因?yàn)槠錁?gòu)件組成簡(jiǎn)單，橫平豎直，結(jié)構(gòu)清晰，建模過(guò)程中人為誤差較少。拱、翹次之，因?yàn)槠溆泄把?，有的?gòu)件預(yù)留有墊拱板槽位，還有卷殺等，細(xì)部構(gòu)造復(fù)雜，建模難度較大。昂與螞蚱頭的誤差最大，由于昂尖的彎曲弧形、尾部的菊花頭及螞蚱頭的出鋒等細(xì)部構(gòu)造的復(fù)雜化，也會(huì)直接影響到模型的幾何精度。

(3)人員素質(zhì)及軟硬件配置

內(nèi)業(yè)技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)，電腦的軟硬件配置等也會(huì)導(dǎo)致三維模型的幾何質(zhì)量有差異。

3 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的BIM模型構(gòu)建方法

通過(guò)對(duì)古建筑斗拱的建模研究，三維模型幾何質(zhì)量評(píng)價(jià)驗(yàn)證了用三維激光掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建古建筑BIM模型建模的精度與結(jié)果的可靠性。目前對(duì)古建筑建模，根據(jù)原始數(shù)據(jù)獲取方式的不同，大致分為兩類(lèi)：一類(lèi)為正向建模，第二類(lèi)為逆向建模。

第一類(lèi)，如古建筑符合形制規(guī)律[15]，同時(shí)古建筑本身的變形不大，建模所需要的數(shù)據(jù)量少，其他經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、人力等條件很差的情況下，正向模型比較適合。但是利用形制規(guī)律建模較繁瑣，需要通過(guò)查閱大量資料核對(duì)構(gòu)件尺寸來(lái)獲得數(shù)據(jù)。

第二類(lèi)，如果古建筑不符合形制規(guī)律，不規(guī)則，又沒(méi)有前人的研究結(jié)論，很多細(xì)節(jié)構(gòu)造難以掌握，對(duì)于建模來(lái)說(shuō)完全沒(méi)有數(shù)據(jù)源。同時(shí)古建筑本身變形、殘缺比較嚴(yán)重，此時(shí)，逆向模型比較合適。這種情況就必須采用全站儀、皮尺等傳統(tǒng)測(cè)繪手段獲取原始數(shù)據(jù)，否則無(wú)法建立模型。這也是目前主要采用的測(cè)繪建模方式。這種測(cè)繪、建模方式需要較多的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、人力等的支持。三維激光掃描技術(shù)的引入，雖然能解決部分傳統(tǒng)測(cè)繪的不足，但是由于三維激光掃描儀型號(hào)各異，點(diǎn)云格式及處理軟件不統(tǒng)一，且無(wú)法使用Revit對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。導(dǎo)致目前的Revit多用于正向設(shè)計(jì)建模中。

綜合以上兩種情況，提出了利用三維激光掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建古建筑BIM模型，即利用三維激光掃描儀對(duì)具有代表性的構(gòu)件進(jìn)行掃描，將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，逆向建立古建筑構(gòu)件的Max模型，在轉(zhuǎn)換格式后通過(guò)添加屬性信息及驅(qū)動(dòng)參數(shù)構(gòu)建古建筑主要構(gòu)件BIM模型。這樣既利用了3ds Max建模效率高的特點(diǎn)，又充分利用了Revit參數(shù)化建模的精確性。本文為古建筑信息數(shù)字化模型的建立提供了一種新思路。

4 結(jié) 語(yǔ)

在古建筑幾何模型重建方面，三維激光掃描技術(shù)作為一項(xiàng)新興的數(shù)據(jù)獲取手段，效率優(yōu)勢(shì)明顯。本文以玉佛殿單翹單昂斗拱為研究對(duì)象，使用Focus S350三維激光掃描儀對(duì)該古建筑斗拱進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，獲取了其完整的三維數(shù)字信息，并使用Faro Scene，3ds Max，Revit等相關(guān)專(zhuān)業(yè)軟件構(gòu)建了其BIM模型。最終對(duì)已建斗拱BIM模型的幾何質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了集成BIM-3D掃描技術(shù)建模方法的可行性。為古建筑的數(shù)字化保護(hù)提供了理論依據(jù)，有助于推動(dòng)內(nèi)蒙古地區(qū)藏傳佛教建筑的保護(hù)、修復(fù)及重建工作。