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    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

    2021-08-11 13:50:20曾旭東耿藝曼
    建筑技藝 2021年6期
    關鍵詞:磁器掃描儀建筑設計

    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。

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