基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)和BIM 技術(shù)的禹州義勇武安王大殿數(shù)字化信息構(gòu)建

李彩奇，賀一明

（南陽(yáng)理工學(xué)院）

1 禹州義勇武安王大殿建筑現(xiàn)狀

禹州關(guān)帝廟位于禹州市西北28km的花石鎮(zhèn)白北村內(nèi)。廟中現(xiàn)存有山門、義勇武安王大殿、東配殿娘娘廟、瘟神廟和部分耳房。該廟始建于元至正九年（1349 年），明洪武十九年（1386 年）、正統(tǒng)十一年（1443 年）兩次修復(fù)，后歷代多有修補(bǔ)，是至今保存較好的元代建筑，為省級(jí)文物保護(hù)單位。關(guān)帝廟建筑的做法有著濃烈的地方特色，建筑木構(gòu)的特點(diǎn)對(duì)于研究宋《營(yíng)造法式》和元明時(shí)期河南地方建筑特征意義重大。

課題以禹州關(guān)帝廟義勇武安王大殿為研究對(duì)象。大殿坐北朝南，面闊和進(jìn)深皆為三間，歇山九脊式。殿內(nèi)大木構(gòu)架保存完整，部分斗拱內(nèi)跳散斗遺失。

2 古建筑點(diǎn)云數(shù)字化分析技術(shù)

2.1 點(diǎn)云特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

三維激光掃描技術(shù)的原理是利用激光脈沖對(duì)物體表面進(jìn)行掃描，從而獲取被掃描物體表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)具有良好的安全性和較高的精密度，可使測(cè)繪工作更加的經(jīng)濟(jì)和高效。點(diǎn)云輸出文件與AutoCAD、SketchUp、Revit、ARCHICAD 等多種三維建模軟件之間具有互操作性，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)化。除此之外，它的非接觸式測(cè)量模式，可以避免傳統(tǒng)測(cè)繪中人為踩踏等行為對(duì)古建筑造成的破壞，因而很快被應(yīng)用于古建測(cè)繪當(dāng)中。

2.2 BIM 結(jié)合三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用前景

基于高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建的BIM 模型，能夠更加準(zhǔn)確、清晰地表達(dá)建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各部分的銜接關(guān)系；在已創(chuàng)建好的一類相對(duì)固定的古建筑構(gòu)件中（如斗拱、梁、柱、屋頂，甚至整個(gè)梁架結(jié)構(gòu)體），利用BIM 模型的數(shù)據(jù)共享能力，通過(guò)調(diào)整固定構(gòu)件的參數(shù)就能快速獲得所需尺寸的構(gòu)件，使建立古建筑遺產(chǎn)“基因庫(kù)”的構(gòu)想成為可能[1]。

3 關(guān)帝廟大殿信息模型的建構(gòu)

3.1 義勇武安王大殿點(diǎn)云信息的采集、處理

1）點(diǎn)云信息的采集

本次測(cè)繪的掃描站點(diǎn)分為建筑室內(nèi)和室外兩部分，且相鄰站點(diǎn)之間應(yīng)保證有共同參照。選好站點(diǎn)位置后做好標(biāo)記，對(duì)掃描儀進(jìn)行調(diào)平。掃描過(guò)程中，避免建筑周圍有移動(dòng)的物體對(duì)建筑物造成遮擋。本案例一共掃描了14 站點(diǎn)云數(shù)據(jù)，室外11 站，室內(nèi)3 站。

2）通過(guò)共同點(diǎn)云部分來(lái)進(jìn)行配準(zhǔn)

將獲得的點(diǎn)云TFZ 文件導(dǎo)入Trimble Realworks 軟件，進(jìn)行配準(zhǔn)處理。配準(zhǔn)階段應(yīng)該建立分組概念，把幾個(gè)相鄰站點(diǎn)創(chuàng)建成組，并以中間測(cè)站點(diǎn)云為參照，提高各個(gè)點(diǎn)云之間重合度。對(duì)于重合度較高的測(cè)站點(diǎn)云，選用自動(dòng)配準(zhǔn)工具，其它測(cè)站可以使用定點(diǎn)配準(zhǔn)工具。

3）進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)云模型的建立

在項(xiàng)目點(diǎn)云的基礎(chǔ)上依次進(jìn)行分割、取樣、優(yōu)化等處理。取樣和優(yōu)化過(guò)程應(yīng)控制點(diǎn)云的密度分布，降低模型運(yùn)算量，提高模型清晰度。點(diǎn)云模型的誤差值能夠控制到2mm ～3mm，為后期BIM 建模提供了較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

3.2 基于點(diǎn)云的建筑信息模型創(chuàng)建

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)，不僅是建筑形體的建模，更是對(duì)建筑信息的收集和統(tǒng)計(jì)，建立建筑特有的“基因庫(kù)”。整個(gè)建立過(guò)程主要包括點(diǎn)云的鏈接置入、各視圖的2D 圖像描摹、建立“對(duì)象”模型、添加屬性信息、建立注釋標(biāo)志、建立完整木構(gòu)3D 模型。

1）點(diǎn)云的置入

利用軟件的互操作性，將點(diǎn)云導(dǎo)入ARCHICAD 軟件中，這時(shí)所導(dǎo)入的點(diǎn)云成為項(xiàng)目中的對(duì)象元素。點(diǎn)云對(duì)象在ARCHICAD 中具有以下特點(diǎn)：①點(diǎn)云輪廓線自動(dòng)加粗，有利于控制測(cè)量。②可對(duì)點(diǎn)云對(duì)象進(jìn)行剖切顯示，自行調(diào)節(jié)剖視圖范圍，更直接獲取構(gòu)件截面尺寸。

2）建筑平面繪制

將點(diǎn)云旋轉(zhuǎn)調(diào)整至正交狀態(tài)。在樓層設(shè)置中依據(jù)建筑高度設(shè)置相應(yīng)層高；在剖面或立面視圖中將首層樓層標(biāo)高作為起始標(biāo)高；創(chuàng)建平面軸網(wǎng)。注意調(diào)整水平剪切平面至柱頭附近，依此確定面闊和進(jìn)深軸線。這樣也就確定了建筑外墻里外包金的尺寸。

大殿面闊三間8.9m，進(jìn)深8.88m，殿前有3.38m 為月臺(tái)部分，面闊與進(jìn)深比約為1:1。這一數(shù)據(jù)與少林寺初祖庵大殿的面闊進(jìn)深比值極為相似。大殿的鋪?zhàn)鲗雍蜕倭炙鲁踝驸执蟮钜灿邢嗨浦?，明間兩朵，其余次間均為一朵補(bǔ)間鋪?zhàn)鱗2]（見表1）。

3.3 建筑大木構(gòu)件的繪制

義勇武安王大殿為典型的廳堂類建筑，六架椽屋前后乳袱劄牽用四柱。大殿前后撩檐枋距離9600mm，屋面舉高3195mm，舉高比值1/3，舉折較為平緩，徹上明造，運(yùn)用原材，梁枋等加工粗糙，使用斜袱。在這種構(gòu)件不十分規(guī)則情況下，傳統(tǒng)測(cè)繪方法較難實(shí)施且所測(cè)數(shù)據(jù)誤差極大。在ARCHICAD 中對(duì)點(diǎn)云對(duì)象建立剖切視圖，排除看見其他梁架等點(diǎn)云的干擾，能夠獲得較為準(zhǔn)確的構(gòu)件信息。這一過(guò)程要求建立多個(gè)不同視角的剖切視圖，互為參照確定構(gòu)件空間位置（見表2）。

3.4 特殊構(gòu)件的繪制建模

斗拱是古建筑最為重要的組成部分，極具時(shí)代特征和地方特色，對(duì)古建筑斷代等方面有著重要的參考價(jià)值。斗拱的構(gòu)件尺寸變化多樣，不規(guī)則性較強(qiáng)，在依據(jù)點(diǎn)云繪制時(shí)，更能彰顯出點(diǎn)云優(yōu)勢(shì)。

確定建筑的用材大小；對(duì)鋪?zhàn)鲗痈鳂?gòu)件尺寸和出跳距離，進(jìn)行多部位、多次測(cè)量，分析數(shù)據(jù)離散程度，篩除特異值，確定取值區(qū)間，確定斗拱材廣、厚。這一過(guò)程先對(duì)構(gòu)件進(jìn)行控制測(cè)量，確定總尺寸，再對(duì)各節(jié)點(diǎn)的尺寸進(jìn)行測(cè)量，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。經(jīng)測(cè)算，確定大殿用材截面尺寸約100mm×150mm，相當(dāng)于《營(yíng)造法式》中5 寸×3 寸這一未入等的五寸材，四鋪?zhàn)鹘Y(jié)構(gòu)較宋代更加簡(jiǎn)化。這一過(guò)程要有建立“對(duì)象”模型的概念，以減小軟件處理模型的信息運(yùn)算量[3]。

表1 義勇武安王大殿外檐斗分布尺寸權(quán)衡表

表1 義勇武安王大殿外檐斗分布尺寸權(quán)衡表

西（南）次間 明間 東（北）次間朵距 朵距 朵距 朵距 朵距 朵距 朵距面闊/mm 1265 1265 1273 1274 1273 1275 1275進(jìn)深/mm 1265 1265 1257 1256 1257 1290 1290

表2 義勇武安王大殿梁架舉折尺寸數(shù)據(jù)表

對(duì)于截面較為簡(jiǎn)單的梁、柱等構(gòu)件，可以利用點(diǎn)云圖像描摹獲得的構(gòu)件尺寸，進(jìn)行三維構(gòu)件的參數(shù)化建模，這里不再贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行了基于三維激光掃描技術(shù)和建筑信息模型技術(shù)的古建筑信息記錄。在本次研究過(guò)程當(dāng)中，利用采集到的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)快速建立了古建筑信息模型，并基于這一平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和共享，建立古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)，有利于對(duì)古建筑構(gòu)件分類整理和比較研究，為建筑遺產(chǎn)數(shù)字化發(fā)展和科學(xué)化保護(hù)提供重要參考。