基于多種測量手段與BIM技術(shù)的古建筑虛擬重建

荊地 王瑞芳

（河南測繪職業(yè)學(xué)院 河南新鄉(xiāng) 450000）

隨著我國城市現(xiàn)代化的發(fā)展，城市建筑規(guī)模越來越大，而古建筑作為人們最直接接觸到的部分，也成為了大家非常關(guān)注和樂于研究的話題。在城市化不斷加快建設(shè)的進程中，不確定性因素增多且變得復(fù)雜多樣，在諸多不利影響下，使得傳統(tǒng)方法無法準(zhǔn)確、快速地還原歷史事件原貌。目前，大多數(shù)建筑物都已經(jīng)采用了模擬復(fù)原重建或者幾何重構(gòu)技術(shù)來進行重建建筑，但是，由于這些手段造價昂貴、維護困難，并且存在安全隱患，導(dǎo)致很多古建筑難以使用和改造。所以，在現(xiàn)代化城市中，采用多種測量手段對古建筑進行重建是非常有必要的。

一些新興的測量技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些問題提供了全新的思路，然而這些技術(shù)雖然有其優(yōu)勢，但也存在著一定的局限性。無人機的航拍測量可以有效地獲取大場景的三維數(shù)據(jù)，但是卻沒有辦法獲取建筑的室內(nèi)數(shù)據(jù)和建筑屋檐下的影像；三維的激光掃描技術(shù)可以開展室外和室內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，但是其在數(shù)據(jù)量上是非常大的，所以測繪的成本也比較高；近景攝影的測量方式在技術(shù)上比較簡單，在精度上也比無人機高，但是卻不能獲得古建筑屋頂之上的數(shù)據(jù)。

20世紀(jì)90年代，BIM 技術(shù)開始進入人們的視野，BIM 技術(shù)發(fā)展得比較迅速，其顯著地提升了測量數(shù)據(jù)的實際處理能力和利用能力，并逐漸形成了一套從信息采集到信息庫建立的完整的流程。而且，該數(shù)據(jù)庫在建立之后，還在不斷地進行擴充和優(yōu)化，這就使得其不僅可以實現(xiàn)針對古建筑的虛擬演示和數(shù)字化的管理，還可以和其他的軟件較好地對接，并直接地指導(dǎo)實際施工。

1 基于BIM技術(shù)的古建筑三維重建方法

1.1 基于BIM技術(shù)的古建筑三維重建原理

古建筑三維重建技術(shù)是一種以計算機為主的新方法，通過模擬古建筑的建筑施工現(xiàn)場，在傳統(tǒng)建造過程中，對建筑物進行三維立體實體建模。在傳統(tǒng)的建造過程中，建筑物主要是通過二維平面圖。利用現(xiàn)有技術(shù)對建筑進行三維重建，利用計算機模擬古建筑施工現(xiàn)場時，采用了多種多樣的虛擬復(fù)原方法，在古建筑施工過程中，采用了多種虛擬重建技術(shù)，并對建筑進行三維重構(gòu)，從而使建筑物的整體構(gòu)造更加合理。BIM 可以將空間、時間和人等信息有效地整合起來，通過虛擬重建模型，能夠快速、準(zhǔn)確地反映出原始數(shù)據(jù)信息，并及時更新這些數(shù)據(jù)參數(shù)的變化趨勢及位置關(guān)系，還能直觀地表現(xiàn)出整個城市或區(qū)域的特征性、規(guī)律性及合理化程度，為后續(xù)建筑施工提供參考依據(jù)，同時也對后期的設(shè)計與管理水平提出更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 基于BIM技術(shù)的古建筑三維重建實例

對古建筑的三維重建工作中，采用了多種手段，例如，利用建筑構(gòu)件進行建模，通過模型轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)古建筑空間信息與時間、層數(shù)等數(shù)據(jù)量之間的相互轉(zhuǎn)化。

在傳統(tǒng)建造方式下進行建筑物平面設(shè)計時，往往需要將各個樓層間的空間和標(biāo)高參數(shù)設(shè)置為一個獨立體，這樣就使得建筑物的不同部位存在一定的差異性影響，而造成不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象嚴(yán)重。而且隨著高層建設(shè)規(guī)模不斷增大及城市環(huán)境復(fù)雜程度越來越高，傳統(tǒng)的建造方式已經(jīng)無法滿足人們對于建筑質(zhì)量和空間層次的需求，所以，就需要采用多種測量手段來進行古建筑的內(nèi)部構(gòu)造。

本文主要研究了利用BIM技術(shù)對城市中各個樓層間、標(biāo)高信息進行三維重建，并得到所需數(shù)據(jù)。通過分析不同方法下建筑物結(jié)構(gòu)和尺寸變化規(guī)律及計算結(jié)果，得出各層建筑面積與總高度之間的差值大小，從而為設(shè)計人員提供參考依據(jù)；然后，根據(jù)已有的建筑模型，對其空間位置及高程參數(shù)重新建立坐標(biāo)系統(tǒng)，并給出三維重建流程圖，以方便后續(xù)工作，同時也為相關(guān)工作人員提供一種新的空間重建方式［1］。

2 虛擬重建技術(shù)在古建筑三維建模中的應(yīng)用

2.1 古建筑三維建模

古建筑的三維重建主要是對其空間位置進行測量，在建筑模型中，需要把各個構(gòu)件及建筑物之間連接起來，通過二維平面圖，將各部分元素直觀展示出來。在傳統(tǒng)的方法中，利用二維平面圖進行建筑模型重建，需要大量人力和物力等資源投入。而虛擬技術(shù)則是采用了計算機模擬、計算與仿真相結(jié)合的方式，對古建筑空間位置及內(nèi)部構(gòu)件之間的關(guān)系加以構(gòu)建，通過虛擬重建的手段，可以有效提高古建筑空間位置及內(nèi)部構(gòu)件之間的關(guān)系，使建筑模型更加直觀、形象地展現(xiàn)出來。

2.2 虛擬重建參數(shù)確定

在進行古建筑的三維重建過程中，參數(shù)的確定是最基礎(chǔ)也是最重要的一個環(huán)節(jié)，確定好了參數(shù)之后，就可以用恰當(dāng)及合理科學(xué)的方法來設(shè)計出更完美、更精確的模型。

通過查閱大量資料，發(fā)現(xiàn)關(guān)于古建筑建筑構(gòu)件及其空間分布等方面信息，有很大一部分需要參考實物數(shù)據(jù)進行研究，進而才能得到準(zhǔn)確的結(jié)論，所以，在研究過程中，需要采用多種手段來進行。通過對古建筑建筑構(gòu)件和構(gòu)造的分析，雖然可以得到許多有價值的信息，但是這些信息并不全面，例如，很多建筑存在著一些安全問題，這些都需要利用現(xiàn)代化技術(shù)與計算機等工具去解決。現(xiàn)如今，人們對于使用虛擬軟件所建設(shè)的空間關(guān)注度越來越高，也使用了許多的測量方式來建立這樣的虛擬空間。例如，利用多種測量手段，對古建筑建筑構(gòu)件進行三維重建，并且可以將這些方法應(yīng)用到實際的施工過程中來［2］。

2.3 古建筑三維模型的建立與計算

古建筑模型的建立是一個比較復(fù)雜、漫長且繁瑣的過程，在建造之前，要對建筑進行全方位的了解和熟悉。首先，從整體上把握整個城市中各部分建筑物及其周圍環(huán)境；其次，根據(jù)建筑物自身特點，確定每個部位的具體位置及功能區(qū)域劃分，并以此為依據(jù)來選擇合適的材料、尺寸等參數(shù)；最后，按照建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙的要求，將各個樓層聯(lián)系起來，形成一個三維模型（CAD）系統(tǒng)。在進行建筑模型建立時，要對建筑物的實際情況進行充分考慮，根據(jù)具體數(shù)據(jù)來確定其空間位置、高度、方位等參數(shù)。

2.4 古建筑的表達

在城市景觀中，建筑的表達方式多種多樣，包括靜態(tài)、動態(tài)和混合等。古建筑本身就是一個三維空間體，其主要表現(xiàn)形式為點與線相結(jié)合的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征形成具有一定立體感的物體，并且能夠滿足人們需求功能上要求所呈現(xiàn)出的不同形狀或者尺寸關(guān)系等，同時還包括建筑物內(nèi)部各構(gòu)件之間通過相互連接方式實現(xiàn)協(xié)調(diào)性功能，從而使建筑更加具有觀賞價值、表達效果和藝術(shù)效果。傳統(tǒng)的古建筑建筑模型建立過程中，一般會采用二維或者三維重建技術(shù)，而在虛擬模擬計算方法下，對各個構(gòu)件進行建模之后就能夠?qū)崿F(xiàn)整個建造。

3 基于多種測量手段的古建筑虛擬重建

古建筑的三維重建是對建筑物進行全方位的幾何量測量，通過對建筑模型中各個構(gòu)件進行重新定義，從而建立起完整而準(zhǔn)確真實的模型，且可直觀反映其結(jié)構(gòu)、空間特性等方面的信息［3］。

在傳統(tǒng)方法下，利用多種數(shù)據(jù)化手段來完成古建筑虛擬重建，主要有以下幾種：點線面法、坐標(biāo)變換法、投影轉(zhuǎn)換法則。這3種方法都是以三維實體為基礎(chǔ)的較為簡單易行且方便操作的方法。但這些方法還是存在著一定的缺陷，這些方法只可以利用二維平面的方式來為人們展示古建筑的相關(guān)信息，但不可以轉(zhuǎn)化為三維空間中的模型，其雖然可以傳遞出古建筑的部分信息，但是其在計算量上非常大，不能滿足對古建筑研究在效率和精度上的要求。

3.1 BIM的基本流程

BIM的基本流程是將建筑物本身和周圍環(huán)境進行有效的整合，并且對建筑模型中涉及的信息內(nèi)容、數(shù)據(jù)處理等方面做出合理而全面的分析與解釋。

在古建筑空間內(nèi)建立一個可以提供各種功能的模塊，方便使用者操作、使用、管理和維護所需軟件。通過該系統(tǒng)，能夠使工作人員更加快速便捷地了解古建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3.2 基于BIM的古建筑虛擬重建技術(shù)

古建筑重建主要是對原始空間中各構(gòu)件進行建模，再通過模擬建筑物在不同位置上所呈現(xiàn)出的立體圖形來完成。而BIM 技術(shù)則可以實現(xiàn)建筑信息與施工、管理等方面有效的結(jié)合，為建筑施工提供一個更加全面的信息處理平臺，同時也能夠提高工作人員的工作效率和質(zhì)量。因此，本文主要就基于多種測量手段與BIM技術(shù)，進行古建筑模擬模型重建及分析。

首先，要把設(shè)計圖紙打印出來，然后將三維實體建立起來，并根據(jù)實際情況添加相應(yīng)元素。其次，就是模型構(gòu)建和修改工作量，以及數(shù)據(jù)采集過程需要用軟件自動創(chuàng)建。最后，對古建筑進行重建處理后，就開始了構(gòu)件建模工作。在這個過程中，要對古建筑進行快速的建模，并且還要根據(jù)實際情況添加相應(yīng)元素，這樣能夠方便后續(xù)工作開展。在整個過程中，也要對古建筑進行保護，并且還要保證其安全，這樣才能更好地體現(xiàn)出城市形象，讓人們更加滿意［4］。

4 基于BIM的古建筑虛擬重建

古建筑的虛擬重建主要是針對建筑結(jié)構(gòu)進行模擬。在這個過程中，首先要對原始模型參數(shù)進行優(yōu)化；其次就是將各個樓層之間的標(biāo)高數(shù)據(jù)與實際情況對比分析，通過分析，得出各樓層間不同位置上的標(biāo)高信息，然后再利用BIM技術(shù)建立三維實體建筑物，通過三維重建技術(shù)建立的模型，可以直觀地展示古建筑結(jié)構(gòu)，并且還能將建筑主體與周邊環(huán)境相融合，為城市景觀和歷史文化增添色彩，同時也能夠提高工作人員工作效率。由于古建筑本身存在著許多不確定性因素和不可預(yù)見性，因此，可以采用基于多源的方式來重建古建筑，例如，在原有基礎(chǔ)上，對模型進行模擬，設(shè)置建筑物高度及間距時，就可直接使用傳統(tǒng)方法，利用多種測量手段來對古建筑進行重建，這樣不僅可以提高建造效率，還能保證建筑的質(zhì)量，從而達到保護和增加價值與功能性的目的［5］。

4.1 BIM原理

BIM技術(shù)的核心在于建筑信息模型。在構(gòu)建一個完整而又精確的建筑物時，需要對整個建筑物進行全方位、全角度及多層次的建模。利用計算機軟件和相關(guān)硬件設(shè)備，將這些三維空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可直觀展示出來的信息，通過二維圖紙，可以清晰地表達古建筑各個細節(jié)部位，不僅能夠很好地解決復(fù)雜問題，并且還能有效提高設(shè)計效率。BIM 技術(shù)是一種高效、實用的建筑信息模型建立與分析系統(tǒng)，它具有高強度的計算功能、靈活性大等特點，通過三維重建功能，可以對古建筑進行全方位的實體性分析，并能夠很好地解決傳統(tǒng)模型重建所帶來的問題，從而提高建筑質(zhì)量和建造效率。

4.2 虛擬古建筑的主要步驟

4.2.1 古建筑的三維重建

將建筑平面和立面進行虛擬處理，把建筑物主體結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建構(gòu)件，然后利用BIM 技術(shù)對這些實體進行立體幾何圖形分析。在這個過程中，需要大量數(shù)據(jù)信息，首先要建立一個三維模型；其次是確定建筑紅線并設(shè)置好邊界條件；最后，在對所研究的古建筑的模型建模完成之后，才可以真正進入到古建筑的三維重建階段。在這個過程中，需要對建筑紅線、構(gòu)造構(gòu)件等進行重新定義，并將其轉(zhuǎn)換成幾何模型，這樣的一個三維重建流程可以減少人工操作時間和人力成本，提高工作效率。

4.2.2 古建筑虛擬復(fù)原

將建筑物主體結(jié)構(gòu)和構(gòu)筑物的平面位置、立面視圖進行三維重建，可以將空間信息轉(zhuǎn)換為可視化形象的動畫效果。在現(xiàn)代建筑中，應(yīng)用虛擬技術(shù)是一種新的方法，利用計算機等工具對古建筑建筑物和構(gòu)筑物進行模擬，這種方式不僅能夠使工作人員直觀地了解到建筑設(shè)計圖紙上所表示出的古建筑結(jié)構(gòu)，而且還能讓建筑師了解到大量不同種類、不同時間段展現(xiàn)出的三維空間信息，并為其提供豐富多彩的立體造型形式及靈活多變的建筑形態(tài)［5-6］。

4.3 基于BIM的古建筑三維重建效果

在對古建筑進行重建時，通過BIM技術(shù)，可以實現(xiàn)對建筑信息、結(jié)構(gòu)和空間等方面的三維全方位展示，并且能夠很好地將建筑物本身與其他外部物體之間所存在的聯(lián)系清晰地展現(xiàn)出來?；诙喾N測量手段的古建筑建筑，可以很好地對其進行空間定位、三維立體建模和數(shù)據(jù)采集等工作。

BIM 主要是利用計算機模擬軟件，提供生成施工過程環(huán)境模型及構(gòu)件數(shù)據(jù)，然后再把這些建模文件轉(zhuǎn)化為可視化模型圖紙，以方便直觀顯示重建結(jié)果，同時，在建筑實體上建立各種不同位置信息和功能模塊等的三維立體圖像，以達到對整個建筑的全方位感知。BIM技術(shù)在城市古建筑和三維空間分析方面具有很大優(yōu)勢，它可以有效地減少人工操作，提高工作效率，節(jié)省大量人力、物力資源等，被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。

5 結(jié)語

通過以上的分析可以看出，使用BIM 技術(shù)可以較好地完成從古建筑相關(guān)信息的采集、古建筑相關(guān)數(shù)據(jù)的處理到古建筑信息模型建立的一整套的工作流程。BIM 技術(shù)所獨有的整合能力、管理能力及擴充和優(yōu)化能力在針對古建筑復(fù)雜的測繪問題時越發(fā)顯得有價值，其有著優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理能力、精細建模能力和出圖能力等，能夠滿足古建筑研究的不同需求，其行業(yè)發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟆?/p>