BIM技術(shù)在西安歷史街區(qū)改造中的應(yīng)用研究

劉 杉，魏舒樂(lè)，楊 雪

(西安培華學(xué)院，陜西 西安 710125)

0 引言

西安作為歷史文化古城，歷史街區(qū)是其承載歷史文化及獨(dú)特建筑風(fēng)格的居住聚集區(qū)，其歷史底蘊(yùn)厚重、留存著舊時(shí)代人類(lèi)居住的痕跡，體現(xiàn)了特定時(shí)期的建筑技術(shù)、特征，在歷史文化傳承和研究過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用。從建筑形態(tài)上看，歷史街區(qū)并非單一、獨(dú)棟的歷史建筑，其呈現(xiàn)出多模態(tài)的聚集性，參數(shù)數(shù)據(jù)龐大，采用傳統(tǒng)的人工測(cè)繪及CAD技術(shù)采集參數(shù)數(shù)據(jù)，不僅耗時(shí)、耗力，而且容易破壞建筑的原有風(fēng)貌和特性，且數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性、保密性不可保證，因此亟待技術(shù)創(chuàng)新。建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)可集成建筑設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維管理全生命周期的工程信息，并進(jìn)行三維數(shù)字建模，模擬施工進(jìn)度，并嵌入成本、時(shí)間信息，為歷史街區(qū)的改造提供全流程的支撐。此外，傾斜攝影技術(shù)可以通過(guò)非接觸方式，多維度采集歷史街區(qū)的海量參數(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景的高精準(zhǔn)建模具有重要影響。本文將BIM技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)[1]相融合，分析其在西安歷史街區(qū)改造中的應(yīng)用。

1 西安歷史街區(qū)改造的項(xiàng)目概述及難點(diǎn)

1.1 項(xiàng)目概述

西安作為我國(guó)的歷史文化名城，曾是幾朝帝都，在我國(guó)歷史文化傳承發(fā)展中有著重要的地位，其歷史街區(qū)是獨(dú)特的族群社區(qū)，承載著西安社會(huì)、歷史文化、物質(zhì)形態(tài)等多元價(jià)值，由不同的建筑群、街道組成，獨(dú)特的建筑風(fēng)格、手法充分反映了該地區(qū)特定時(shí)期的建筑文化特色。歷史街區(qū)多位于城市的老城區(qū)，居住人口過(guò)密、環(huán)境復(fù)雜，且長(zhǎng)期受自然環(huán)境的外力侵蝕，并且私搭亂建、超負(fù)荷使用問(wèn)題嚴(yán)重，導(dǎo)致歷史街區(qū)內(nèi)建筑大量損毀、破敗，加之街區(qū)的街道狹窄，交通通行不暢，根本上影響了歷史街區(qū)的使用性、觀覽性，使得街區(qū)整體環(huán)境和活力下降。因此，西安市歷史街區(qū)的改造迫在眉睫，亟待進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理，以滿足現(xiàn)代人的生活需求，并依托其獨(dú)特的建筑、街道景觀和文化底蘊(yùn)，發(fā)展旅游產(chǎn)業(yè)。

1.2 改造難點(diǎn)

歷史街區(qū)是居民生活的聚集區(qū)，由建筑、街道、廣場(chǎng)、綠化等多類(lèi)元素構(gòu)成，不同建筑、街道建造方法、結(jié)構(gòu)的形貌特征各異，因此采集的數(shù)據(jù)不僅要包含幾何形體、物理特性、狀態(tài)屬性等建筑構(gòu)件參數(shù)，還需要采集周?chē)h(huán)境、居民行為等非構(gòu)件對(duì)象的參數(shù)信息，參數(shù)呈海量、多元化特征。BIM模型應(yīng)用可還原實(shí)景，通過(guò)全景、實(shí)地的分析，給出改造方案，技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于將采集的參數(shù)錄入計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理建構(gòu)三維實(shí)景模型，進(jìn)而基于歷史街區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。因?yàn)槟甏眠h(yuǎn)，歷史街區(qū)的結(jié)構(gòu)、分布圖紙或遺失或資料不全，嚴(yán)重阻礙了改造設(shè)計(jì)的進(jìn)程。為此，必須對(duì)歷史街區(qū)進(jìn)行信息測(cè)繪和數(shù)字化建模，傳統(tǒng)的全站儀結(jié)合CAD現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，需要投入大量人力、物力，耗時(shí)長(zhǎng)、測(cè)繪精度低，且容易破壞歷史街區(qū)的原貌特征，因而亟須一種高精度的測(cè)繪、建模技術(shù)。

2 BIM技術(shù)在歷史街區(qū)改造中的具體應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集

西安歷史街區(qū)的構(gòu)成復(fù)雜，且無(wú)具體的圖紙可查，一切實(shí)景、結(jié)構(gòu)均需要進(jìn)行實(shí)地測(cè)繪，因測(cè)繪對(duì)象多、且個(gè)體之間存在較大差異，參數(shù)信息的采集量龐大，因?yàn)闅v史街區(qū)尚在使用，無(wú)論民居、商鋪還是展覽館，逐一進(jìn)行入戶測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)。BIM技術(shù)應(yīng)用下的Revit可連接點(diǎn)云和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建構(gòu)歷史街區(qū)中各類(lèi)建筑物的標(biāo)高、軸網(wǎng)，描述進(jìn)深、高度、尺寸、結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵信息，以此構(gòu)建3D參數(shù)模型。Revit是BIM的核心軟件，自身?yè)碛薪ㄖC(jī)構(gòu)子系統(tǒng)，并可直接對(duì)該系統(tǒng)下的模型及數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[2]，但Revit不能有效覆蓋歷史街區(qū)的全部參數(shù)對(duì)象，因此，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完整數(shù)據(jù)的采集錄入。傾斜攝影技術(shù)彌補(bǔ)了正射影像僅可從垂直角度拍攝的缺陷，通過(guò)非接觸傳感器搭載在飛行平臺(tái)上，從垂直、傾斜等不同視角采集歷史街區(qū)各個(gè)組成部位的全貌影像，實(shí)現(xiàn)了完整的參數(shù)采集。因此，可在BIM技術(shù)基礎(chǔ)上融合傾斜攝影技術(shù)，選用搭載云臺(tái)相機(jī)的大疆Mavic Pro型號(hào)作為飛行平臺(tái)，配置高清、立體的成像系統(tǒng)，通過(guò)64.8 km的覆蓋范圍、18 m/s的飛行采集速度[3]，以“z”字形飛行模式，應(yīng)用Altizure路徑規(guī)劃軟件，進(jìn)行測(cè)繪路線、高度、傾斜角度等的設(shè)置，對(duì)西安歷史街區(qū)進(jìn)行多維測(cè)繪，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景建模。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采集的西安歷史街區(qū)各參數(shù)對(duì)象的測(cè)繪數(shù)據(jù)，因個(gè)體形貌、坐標(biāo)系的差異，數(shù)據(jù)中存在噪點(diǎn)、冗余等問(wèn)題，影響到BIM技術(shù)3D可視化建模的精度和效率，因而需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先，將可異質(zhì)化的參數(shù)導(dǎo)入Smart3D Capture軟件，利用空三算法，將采集的數(shù)個(gè)影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入并進(jìn)行組合拼接，逆向建模，且軟件附帶OSGB，F(xiàn)BX，OBJ，DAE等多種數(shù)據(jù)格式，本文以O(shè)SGB格式作為輸出數(shù)據(jù)格式，方便后續(xù)多個(gè)處理軟件的應(yīng)用的兼容，進(jìn)而促進(jìn)歷史街區(qū)3D可視化實(shí)景模型的建構(gòu)。其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接是將所獲取的不同坐標(biāo)系的歷史街區(qū)構(gòu)件拼接至同一坐標(biāo)體系，結(jié)合ICP迭代最近點(diǎn)算法，利用誤差函數(shù)來(lái)表征點(diǎn)云重合區(qū)域的吻合度，而后，以最小二乘法迭代進(jìn)行最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以確保誤差函數(shù)值最小，進(jìn)而精準(zhǔn)拼接不同的測(cè)繪點(diǎn)。

同時(shí)，為滿足BIM三維實(shí)景建模的高精準(zhǔn)性需求，需要對(duì)采集獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、降維處理，以剔除非參數(shù)對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。實(shí)際測(cè)繪中，西安歷史街區(qū)建筑、道路、植被等參數(shù)對(duì)象數(shù)量龐大，且結(jié)構(gòu)、尺寸、特征等差異較大，容易導(dǎo)致參數(shù)誤差，且測(cè)繪設(shè)備自身及車(chē)輛、行人、飛鳥(niǎo)等周?chē)h(huán)境因素均會(huì)影響采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為此，可采用Geomagic軟件進(jìn)行去噪處理，讓BIM模型與西安歷史街區(qū)實(shí)景數(shù)據(jù)相吻合。此外，因測(cè)繪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為繁雜，影響了BIM三維實(shí)景建模的速度，可利用Geomagic軟件，根據(jù)BIM對(duì)西安歷史街區(qū)三維建模的實(shí)際需求進(jìn)行三維抽稀。

2.3 三維建模

獲取西安歷史街區(qū)不同參數(shù)對(duì)象的數(shù)據(jù)后，要生成三維實(shí)景模型有兩種路徑。

2.3.1 點(diǎn)云“切片”

利用Geomagic構(gòu)建帶比例的圖像，而后導(dǎo)入AutoCAD生成二維線劃圖，或是根據(jù)剖面圖等截割投影制圖原理，結(jié)合繪圖部位和精度，生成特定厚度的點(diǎn)云“切片”，將其導(dǎo)入AutoCAD 生成二維線劃圖。

2.3.2 將點(diǎn)云“切片”導(dǎo)入AUtodesk Revit，結(jié)合平立剖面生成3D模型

西安歷史街區(qū)的構(gòu)造復(fù)雜，導(dǎo)致直接生成的三維實(shí)景模型精度不足。因此，可先生成二維圖，再進(jìn)行建模，可以首先提取點(diǎn)云特征線，利用Auto Recap軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RCS格式的文件，再運(yùn)用AutoCAD的插入點(diǎn)云功能將其導(dǎo)入點(diǎn)云，定義坐標(biāo)系UCS，讓掃描坐標(biāo)系可以適應(yīng)CAD的世界坐標(biāo)系，此時(shí)，便可通過(guò)導(dǎo)入的點(diǎn)云，依據(jù)西安歷史街區(qū)特征提取樓梯、屋頂、柱體等特征線，通過(guò)人工測(cè)繪補(bǔ)齊缺失的數(shù)據(jù)，生成二維圖紙。隨后，在Revit軟件中導(dǎo)入二維圖紙，據(jù)此建構(gòu)三維實(shí)景模型，在細(xì)化分析西安歷史街區(qū)建筑、街道等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分層、分專(zhuān)業(yè)地建構(gòu)Revit模型。在建模開(kāi)始前，可先對(duì)西安歷史街區(qū)的不同構(gòu)件進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)實(shí)測(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取復(fù)雜參數(shù)對(duì)象的尺寸并構(gòu)建專(zhuān)屬的族，該族應(yīng)包含構(gòu)件的材質(zhì)、形狀、結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，同時(shí)，需要增添黏土、砂漿等非幾何模型，從而為后期的運(yùn)維管理及改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有效支撐。

3 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)可集成不同建筑構(gòu)件的參數(shù)信息，并利用信息整合分析、三維可視化的優(yōu)勢(shì)建構(gòu)三維實(shí)景模型。本文以西安歷史街區(qū)改造為例，引入非接觸式、高清成像的傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜參數(shù)對(duì)象的信息采集，據(jù)此構(gòu)建3D模型，通過(guò)可視化、模擬化的3D模型完成改造設(shè)計(jì)與施工，為歷史街區(qū)的改造優(yōu)化提供了新的思路和方法。