基于真實建筑環(huán)境創(chuàng)作＊——點云技術在BIM 正向設計中的應用研究

曾旭東 耿藝曼

重慶大學建筑城規(guī)學院

設計場地作為物理空間和人類活動的載體，是人類活動與物理空間之間的互動媒介，具有自然和人文雙重屬性。這種獨特性形成了建筑當下本真的氛圍，設計師應當尊重場地屬性，認識場所特征。然而，許多設計師在做設計時往往凌駕于場所之上，無法充分認知、甚至會任意改變場所的特質[1-3]。

在傳統(tǒng)設計環(huán)節(jié)，環(huán)境信息是通過拍照和全站儀測量等方式獲得的碎片化的、需要二次處理的二維信息，信息的收集和二次處理造成了信息缺失，導致最終建筑設計在非原始信息指導下完成。

運用BIM軟件進行建筑設計，將點云導入其中還原和重現(xiàn)場地場景（圖1），使建筑設計全周期在真實建筑氛圍中進行。本文將對三維環(huán)境模型信息的獲取及其與BIM的結合方法進行研究，通過比較傳統(tǒng)設計方法，分析其局限性和點云技術設計思路的優(yōu)勢，并提出運用點云技術還原建筑真實氛圍的BIM建筑設計方法，這對于推動BIM正向設計具有重大意義。

1 BIM 設計界面中場地的信息模型重現(xiàn)

1 BIM實現(xiàn)在三維真實環(huán)境中設計建筑

BIM模型的創(chuàng)建伴隨設計師的創(chuàng)意開始，依據設計意圖而非成品或半成品的二維圖紙，在三維空間里面做設計。BIM系統(tǒng)中正向設計在三維環(huán)境中進行，而激光掃描獲得的點云模型為BIM正向設計提供了真實環(huán)境和設計氛圍。所以，BIM系統(tǒng)是點云技術輔助正向設計的必要條件。

2 點云真實環(huán)境模型為BIM三維設計思維打下堅實基礎

三維激光掃描儀除了能測得點X、Y、Z的坐標信息，還可以測得RGB顏色信息和反射率信息等[4-9]。物體在數據信息建模軟件里完整真實地重現(xiàn)，相當于把建筑真實環(huán)境搬到了電腦顯示屏中。通過與三維激光掃描儀的對比（表1），從測量方式來看，全站儀測量內容單一，工作人數多，由于放置、校準、水平、測回等復雜的人工操作，其誤差也因人而異。三維激光掃描儀只需在安置的時候水平校準一次，便可一鍵掃描，等待掃描結束即可。從測量速度來看，全站儀采用“外業(yè)測點+內業(yè)連線”的方式，連線過程數據信息缺失嚴重。而三維掃描儀則可以每秒測得一百萬個點的信息，并自動生成模型，單次掃描僅需3～5min。

表1 三維激光掃描儀與全站儀的關鍵技術對比

由于三維激光掃描技術具有快速性、高精度性、高密度性、完整性等特點[10]，因而成為BIM正向三維設計體系在數字化時代的絕配技術。

3 點云技術還原真實建筑設計氛圍的應用研究——以磁器口掃描數據為例

現(xiàn)擬在重慶市磁器口傳統(tǒng)街區(qū)（圖2）進行建筑設計，本節(jié)從場地信息提取與重建、真實建筑氛圍實現(xiàn)三維思維設計環(huán)境、設計成果結合點云實景的表達三個階段進行深入分析，提出三維激光掃描儀輔助建筑設計回歸三維思維的重要意義。

2 磁器口某街區(qū)實景

3.1 場地信息提取與重建

為重現(xiàn)設計目標區(qū)域周邊真實環(huán)境，在擬建建筑附近選擇間隔10～20m的三個掃描位置點，盡可能地覆蓋重疊可見建筑物，將FOCUS s350三維激光掃描儀[11]支在預設點上（圖3），使用Faro Scan軟件導入三組數據，得到周邊環(huán)境的完整點云模型（圖4），數據處理大約半小時。將完整的點云模型導入ArchiCAD[12]，形成BIM設計界面的三維設計真實建筑環(huán)境。

3 使用三維激光掃描儀在磁器口勘測的現(xiàn)場

4 磁器口點云拼接模型

3.2 真實建筑氛圍實現(xiàn)三維思維設計環(huán)境

設計師直接在真實的三維環(huán)境中進行設計和多方案比較，在真實建筑氛圍中把握建筑與環(huán)境的融合度，進行方案的優(yōu)化，有助于做出更理性的設計決策。

通過點云模型可以直觀地把握磁器口歷史街區(qū)不同區(qū)域的氛圍和建筑現(xiàn)狀。例如，通過在點云模型中漫游截取的兩個場景進行比較（圖5），發(fā)現(xiàn)這兩個區(qū)域雖然同在磁器口，但在建筑風貌上存在差異。根據微環(huán)境的不同，在BIM界面點云環(huán)境信息模型中采用不同的設計手法來提高新老建筑的融合度（圖6）。利用點云模型還原真實建筑氛圍，不僅可以快速把握周邊建筑風貌、城市肌理、文化元素和構件，還可以實時調整細節(jié)、逐步深化、多方案對比，最后得出最優(yōu)方案。

5 BIM 設計界面中還原的建筑氛圍

6 在BIM 軟件真實的建筑氛圍中進行設計

3.3 設計成果結合點云實景的表達

傳統(tǒng)的三維效果只是展示固定的路徑或視角，難以反饋用戶的真實感覺。同時，由于設計信息的遺漏，傳統(tǒng)的建筑設計表達也僅能展現(xiàn)渲染的抽象環(huán)境效果，無法形成真實的體驗感受。

BIM+VR技術可以解決這個問題。建筑模型與點云環(huán)境模型結合，通過佩戴VR設備，讓用戶身臨其境地感受設計方案效果，從而實現(xiàn)“以人的使用體驗作為評價建筑的最終指標”。

3.4 三維激光掃描輔助設計前后對比分析

研究設置了兩組人員分別采用傳統(tǒng)方式和BIM+VR方式進行磁器口擬建項目的設計[13-14]，并對每個階段進行計時和評價反饋記錄，對比數據如表2。

表2 使用三維激光掃描儀設計前后效率對比

點云模型可以直接導入BIM中，實現(xiàn)建筑在建筑環(huán)境中設計，省略了傳統(tǒng)設計前期二維信息的收集和處理流程，顯著提高了設計效率（圖7），改變了傳統(tǒng)設計思維。方案設計階段點云環(huán)境下設計擁有更高效的反饋，設計成果也更具說服力。

7 點云真實模型對建筑設計的直接影響

4 結論

綜上所述，點云技術通過高效精準的環(huán)境模型與BIM結合，可以全面提升BIM正向三維設計的效率和效果。研究證明，在基于三維激光掃描技術的建筑場地模型中進行建筑方案設計，與環(huán)境更易協(xié)調、與氛圍更易融合、與場所更易統(tǒng)一，對于提升城市品質起到了極大的促進作用，同時也更能滿足人民對美好生活的更高向往。