重慶湖廣會館古建筑數(shù)字復(fù)原技術(shù)應(yīng)用

楊曉林，曹 暢

重慶市設(shè)計院,重慶 400015

2020年重慶市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會牽頭,建設(shè)重慶市兩江四岸核心區(qū)城市基礎(chǔ)設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)一期建設(shè)項目,建設(shè)范圍為重慶市“兩江四岸”核心區(qū),總面積約16.2km2,其目標(biāo)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在重慶市城市基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,提高建設(shè)和運維信息化、智能化水平,基本形成“萬物互聯(lián)”的城市基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字體系[1].重慶湖廣會館位于兩江四岸核心區(qū)內(nèi),根據(jù)新型智慧城市建設(shè)方案規(guī)劃要求,為保護(hù)古建筑,傳承中國古建筑文化,弘揚中國古代工匠精湛技藝,數(shù)字化重現(xiàn)古代社會繁榮,因此對重慶湖廣會館建筑群進(jìn)行三維數(shù)字化建設(shè)尤為重要,實現(xiàn)古建筑智慧運維管理,推動重慶市新型智慧城市快速發(fā)展[2].

1 古建筑數(shù)字化重要性

當(dāng)前,各國城市基礎(chǔ)設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)已上升到國家層面高度,歐盟通過物聯(lián)網(wǎng)行動計劃和數(shù)字化單一市場行動計劃,打造歐洲物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng).日本利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升企業(yè)生產(chǎn)效率,升級革新制造模式.美國建立物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),提升不同技術(shù)協(xié)議和產(chǎn)品規(guī)范的互操作性.我國在《物聯(lián)網(wǎng)十三五規(guī)劃》中提出,到2020年,國內(nèi)具有國際競爭力的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)體系基本形成.《重慶市人民政府工作報告(2019)》強(qiáng)調(diào),推進(jìn)智慧城市建設(shè),制定新型智慧城市建設(shè)方案,出臺大數(shù)據(jù)管理規(guī)定,加快建設(shè)市級數(shù)據(jù)中心和“數(shù)字重慶”云平臺,實施一批智能化物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)示范項目,開啟全域感知、互聯(lián)協(xié)同、智能運營、便捷高效的智慧城市發(fā)展新圖景[3].重慶湖廣會館作為示范項目,為實現(xiàn)萬物互聯(lián)、智慧運營,進(jìn)行三維模型化、信息化尤為重要.重慶湖廣會館通過三維激光掃描、傾斜攝影、GIS等關(guān)鍵性技術(shù)數(shù)字復(fù)原古建筑,通過點云模型,重建BIM模型,輸入構(gòu)建參數(shù),實踐信息化維護(hù)、科技化管理、數(shù)字化傳承等理念,為重慶市古建筑保護(hù)貢獻(xiàn)技術(shù)支撐,推動行業(yè)數(shù)字化發(fā)展.

重慶湖廣會館分為3個部分:禹王宮、齊安公所、廣東公所，如圖1所示.

圖1 項目Revit模型Fig.1 Project Revit model

2 古建筑測繪工藝流程分析

2.1 傳統(tǒng)古建筑測繪流程與現(xiàn)代工藝流程對比

傳統(tǒng)的古建測繪方法是往往要爬屋頂,以直尺和角尺等測量工具測量古建筑高程、角度、長度等信息,使用低像素相機(jī)記錄二維圖片信息.此方法缺點是作業(yè)辛苦且危險較多,需要就近測量,精度低,限制多,最重要的是保存的數(shù)據(jù),信息量少[4].

現(xiàn)代工藝主要通過無人機(jī)、三維掃描、單反相機(jī)生成航空攝影測量數(shù)據(jù)、三維點云數(shù)據(jù)、高清影像,再對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,生成平立剖面圖,進(jìn)行三維逆向建模,錄入信息數(shù)據(jù),為古建筑運維提供技術(shù)支撐[5].見表1.

表1 傳統(tǒng)工藝流程與現(xiàn)代工藝流程對比Table 1 Comparison between traditional process flow and modern process flow

2.2 現(xiàn)代工藝優(yōu)勢

(1) 全面無接觸測量(激光脈沖無損傷掃描測量;多角度數(shù)據(jù)采集融合;多尺寸三維信息融合).

(2) 高精度數(shù)據(jù)采集生成(亞毫米、毫米、厘米級數(shù)據(jù)采集;厘米級三維模型構(gòu)建;1∶1尺寸原貌還原).

(3) 真實性還原實景(高清影像還原浮雕;航拍攝影還原屋頂三維信息).

(4) 成果延伸應(yīng)用廣泛(智慧古建;智慧文博;文物檔案存檔、修復(fù);場景交互模擬;多種數(shù)據(jù)云平臺實時管理)[6].

3 項目難點分析

(1) 湖廣會館浮雕面積廣,通過點云掃描創(chuàng)建參數(shù)化BIM模型工作量大,故采用高清影像貼圖進(jìn)BIM模型中展示效果,如圖2所示.

(2) 本項目運用軟件近十款,軟件之間數(shù)據(jù)傳遞需要考慮數(shù)據(jù)丟失性,通過軟件比選方案選擇最佳軟件進(jìn)行模型處理.

(3) 本項目瓦片數(shù)量達(dá)到幾萬片,且每個屋頂造型都有差異,使用常規(guī)方法放置需要長時間和大量人力投入,故使用參數(shù)化編程進(jìn)行快速創(chuàng)建,提升工作效率,如圖3所示.

(4) 古建筑構(gòu)造復(fù)雜,圖紙可參考性低,逆向創(chuàng)建BIM模型難度高,需同時參考?xì)w檔圖、點云圖、高清攝影圖[7].

(5) 三維掃描工作環(huán)境復(fù)雜,建模密度高,周圍無制高點,掃描站點不易布置.

圖2 禹王宮Revit模型Fig.2 Revit model of Yu’s Palace

圖3 廣東公所Revit模型Fig.3 Guangdong office Revit model

4 古建數(shù)字復(fù)原技術(shù)應(yīng)用

4.1 三維激光掃描技術(shù)

4.1.1 掃描站點布置、路線規(guī)劃

湖廣會館總建筑面積7 653 m2,實地踏勘后,制定詳細(xì)掃描計劃,在場館內(nèi)、大門及周邊共設(shè)置掃描站點256個站點,每站掃描約10 min.

禹王宮,建筑面積2 270 m2,掃描83站數(shù)據(jù),對11個殿堂內(nèi)外進(jìn)行掃描,平均每站掃描用時約10 min,帶HDR全景拍照.

廣東公所,外業(yè)共掃描56站數(shù)據(jù),對5個殿堂內(nèi)外進(jìn)行掃描,平均每站掃描用時約10 min,帶HDR全景拍照.

齊安公所,建筑面積1 600 m2,外業(yè)共掃描 67站數(shù)據(jù),對8個殿堂內(nèi)外進(jìn)行掃描,平均每站掃描用時約10 min,帶HDR全景拍照.

大門及周邊,外業(yè)共掃描50站數(shù)據(jù),對5個殿堂內(nèi)外,及全部外墻立面進(jìn)行掃描,平均每站掃描用時約6 min.

4.1.2 三維激光掃描技術(shù)路線

三維掃描主要對除屋頂外的區(qū)域進(jìn)行掃描,完成部分區(qū)域的外業(yè)掃描站點后,進(jìn)行內(nèi)業(yè)點云拼接.在Scene軟件中分小區(qū)域,率先進(jìn)行初步拼接,刪除小區(qū)域點云中雜物.若點云拼接精度或者重疊率達(dá)不到要求,則需現(xiàn)場進(jìn)行重新掃描,再進(jìn)行拼接處理.待所有小區(qū)域點云處理完后,整合所有點云數(shù)據(jù),輸出點云拼接報告,查看整體場館拼接效果[8].見表2.

表2 三維激光掃描技術(shù)路線Table 2 3D laser scanning technology route

4.2 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影主要對屋頂進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,首先勘測地形,規(guī)劃飛行路線,選擇光照強(qiáng)度強(qiáng)、空氣能見度高的天氣進(jìn)行航拍.數(shù)據(jù)采集后導(dǎo)入Context Capture Master軟件,檢測影像文件完整性,隨后進(jìn)行空三解算,導(dǎo)出LAS文件,進(jìn)行重建點云模型[9].見表3.

表3 傾斜攝影技術(shù)路線Table 3 Oblique photographic technique route

4.3 Arena 4D軟件處理整合

將所有湖廣會館點云文件,轉(zhuǎn)換為VPC格式,導(dǎo)入Arena 4D軟件中查看編輯,處理雜點,并補充缺失部分點云數(shù)據(jù).最后載入到Rhino中輸出湖廣會館的平、立、剖面圖,以便后續(xù)BIM逆向建模.見表4.

表4 Arena 4D軟件處理整合流程Table 4 Arena 4D software handles the integration process

點云可通過Geomagic封裝成網(wǎng)格面,提升顯示效果.如圖4、圖5所示.

圖4 禹王廟點云模型Fig.4 Yu’s palace point cloud model

圖5 Geomagic封裝成網(wǎng)格面Fig.5 Geomagic encapsulates a grid surface

4.4 逆向建模

逆向建模流程:根據(jù)犀牛輸出平立剖面圖及歸檔圖紙襯底,導(dǎo)入高清攝影素材,創(chuàng)建BIM模型,并進(jìn)行圖紙輸出,見表5.具體步驟如下:

(1) 首先在Revit平面視圖中導(dǎo)入禹王宮點云平面圖,創(chuàng)建軸網(wǎng)、柱、梁、板.

(2) 在Revit立面視圖中導(dǎo)入點云立面圖,創(chuàng)建標(biāo)高,確定柱、梁高程.

(3) 在Revit剖面視圖中導(dǎo)入點云剖面圖,確定柱高、梁寬.

(4) 與實景進(jìn)行對比分析,進(jìn)行屋頂細(xì)部構(gòu)造深化,完成模型.如圖6、圖7所示.

表5 逆向建模流程Table 5 Reverse modeling process

圖6 禹王宮BIM渲染模型Fig.6 BIM rendering model of Yu’s palace

圖7 禹王宮實景Fig.7 Real scene of Yu’s palace

4.5 Revit/Dynamo參數(shù)化設(shè)計

表6為參數(shù)化設(shè)計流程.

表6 參數(shù)化設(shè)計流程Table 6 Parametric design process

參數(shù)化設(shè)計主要體現(xiàn)在設(shè)計師更高效的參數(shù)化控制設(shè)計、對接,更真實的建筑環(huán)境模擬分析,動線虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),防災(zāi)與逃生模擬,三維空間設(shè)計核查,更便捷的圖紙生成及管理,工程算量與成本控制,進(jìn)度控制,建筑全生命期的數(shù)據(jù)協(xié)同與應(yīng)用等[10].通過對古建筑梁、柱、斗拱、瓦片、花架椽等構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計,提升設(shè)計效率,對Revit模型進(jìn)行日照等環(huán)境分析,優(yōu)化設(shè)計門窗尺寸,深化BIM模型,完成BIM參數(shù)化設(shè)計出圖,為館方運維提供數(shù)字化支撐.見表6.

4.6 BIM出圖

重慶湖廣會館施工圖在Revit軟件中進(jìn)行出圖.Rhino模型完成后,導(dǎo)出SAT文件格式,使用Dynamo獲取SAT文件模型,導(dǎo)入進(jìn)Revit,進(jìn)行平面、立面、剖面標(biāo)注等細(xì)化工作,最后完成出圖.如圖8所示.

圖8 禹王宮剖面圖Fig.8 Section map of Yu's palace

5 BIM智慧運維管理平臺

CIM運維管理平臺主要包括利用大數(shù)據(jù)、云計算、BIM，CIM、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),構(gòu)建CIM數(shù)據(jù)中心、工程數(shù)字化移交系統(tǒng),集成重慶市各類現(xiàn)狀、規(guī)劃和建設(shè)數(shù)據(jù),并與相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成對接,接入城市運行大數(shù)據(jù),搭建集數(shù)據(jù)展示與管控、輔助決策分析等于一體的重慶市CIM平臺.

BIM運維管理平臺是CIM運維管理平臺分支,利用BIM模型的可視化3D空間展現(xiàn)能力,創(chuàng)造一個基于BIM模型的建筑空間與設(shè)備運維管理,同時結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將BIM的靜態(tài)屬性與互聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)屬性相結(jié)合,進(jìn)一步拓展了平臺的應(yīng)用能力[11].

BIM智慧運維管理平臺通過感知層設(shè)備識別、獲取物聯(lián)網(wǎng)信息,經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層5G，NB-IoT等關(guān)鍵技術(shù)傳輸至平臺應(yīng)用層,實現(xiàn)智慧消防、智慧安防、資產(chǎn)管理、人流監(jiān)管等應(yīng)用.如圖9～圖11所示.

圖9 BIM智慧運維管理平臺功能介紹Fig.9 Function introduction of BIM intelligent Operation and maintenance management platform

圖10 BIM智慧運維管理平臺設(shè)計構(gòu)架Fig.10 BIM intelligent operation and maintenance management platform design framework

圖11 BIM智慧運維管理平臺界面Fig.11 BIM intelligent operation and maintenance management platform interface

6 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)通過三維掃描儀進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采集,并對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、刪除雜物、去除噪點等處理,導(dǎo)入犀牛軟件進(jìn)行快速點云分割出圖.該技術(shù)可快速創(chuàng)建建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、異型曲面、古建筑雕塑等難以運用二維圖紙表達(dá)的建筑.

傾斜攝影技術(shù)通過垂直、傾斜等方式采集影像數(shù)據(jù)，獲取建筑外表皮高分辨率紋理,并進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,刪除不合格數(shù)據(jù),進(jìn)行空三解算,并進(jìn)行重建網(wǎng)格曲面、模型修復(fù)及矢量化.運用該技術(shù)可以真實反映古建筑屋頂造型,并且可以與三維激光掃描點云模型精準(zhǔn)融合,生成實景模型.

本項目運用三維激光掃描、傾斜攝影、GIS等關(guān)鍵性技術(shù)數(shù)字復(fù)原湖廣會館,全程無接觸測量,高精度數(shù)據(jù)采集,快速創(chuàng)建復(fù)雜建筑三維點云模型,鍵入構(gòu)建參數(shù),創(chuàng)建BIM模型.該技術(shù)可運用于智慧古建、智慧文博、文物檔案存檔、修復(fù)、場景交互模擬、多種數(shù)據(jù)云平臺實時管理等,實現(xiàn)信息多元化維護(hù)管理、數(shù)字化傳承理念.

本項目符合國家和重慶市關(guān)于推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的總體要求,項目實施將對重慶市進(jìn)一步推動新型智慧城市發(fā)展形成重要支撐,同時通過本項目建設(shè),有利于將主城區(qū)“兩江四岸”建設(shè)成為與直轄市、國家中心城市、現(xiàn)代化大都市地位相適應(yīng)的山清水秀生態(tài)帶、立體城市景觀帶、便捷共享游憩帶、人文薈萃風(fēng)貌帶,打造宜居宜業(yè)宜游的國際濱水空間,進(jìn)而提升城市品質(zhì),帶動經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義[12].