BIM+三維掃描技術(shù)在歷史建筑保護修繕中的探索研究

沈源 SHEN Yuan

（上海久事北外灘建設(shè)發(fā)展有限公司，上海 200080）

0 引言

歷史建筑的保護和合理利用體現(xiàn)了一個國家對歷史文化的關(guān)注，在現(xiàn)代化的發(fā)展中，社會越來越注重對這些具有重大價值的歷史建筑在“修舊如舊”的基礎(chǔ)上予以修繕，更多地根據(jù)歷史考證，結(jié)合城市發(fā)展特征或歷史文化街區(qū)特色進行修復(fù)保護，使之與城市發(fā)展有機、和諧共存。但是，歷史建筑由于長時間使用、保護未受到重視，使得很多歷史建筑存在年久失修、隨意改造、破損嚴(yán)重等情況。以往我們歷史建筑修繕主要依據(jù)為圖片、文字及平面圖等，信息承載量少、不易保存。進入21世紀(jì)，建筑工程學(xué)科和計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，基于激光掃描和BIM等技術(shù)應(yīng)用有了長足的進步，BIM+三維激光掃描技術(shù)也成為了歷史建筑后期修繕復(fù)原的重要支撐技術(shù)之一，其在紋理再現(xiàn)、細(xì)節(jié)表達、多維度重建等方面有很大的優(yōu)勢，可有效記錄建筑紋路、肌理、色澤等原始風(fēng)貌，使歷史建筑的保護修繕更加精細(xì)化、智能化、系統(tǒng)化。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)（terrestrial laser scanning，TLS），又稱實景復(fù)制技術(shù)，是一種全自動、非接觸的高精度立體掃描技術(shù)。通過云測量技術(shù)采集大量被測物表面的點云數(shù)據(jù)，能有效記錄被測目標(biāo)點的空間信息和色彩灰度信息。其具有獨特的優(yōu)勢：①非接觸性測量，降低對歷史建筑的二次破壞；②數(shù)據(jù)采集效率高，掃描速率可達每秒百萬個點，實時性強；③精細(xì)度高，誤差達到毫米級，能詳細(xì)描繪物體的細(xì)節(jié)；④全數(shù)字特征化，自動化程度高，信息傳輸、加工、表達容易，方便操作。

1.2 BIM技術(shù)

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)通過建立一個虛擬的三維信息模型可以將工程項目全生命周期的各種信息資源整合在一個數(shù)據(jù)庫。將BIM技術(shù)引入到歷史建筑保護中，通過建立參數(shù)化的模型模擬歷史建筑的建成信息，為歷史建筑修繕保護提供了依據(jù)，也是修繕工作的信息基礎(chǔ)。其具有以下優(yōu)勢：①實現(xiàn)歷史建筑信息的三維可視化，提高工作的直觀性；②實現(xiàn)以模型為載體的歷史建筑修繕協(xié)同，提高工作的準(zhǔn)確性；③實現(xiàn)歷史建筑信息的參數(shù)化模型實時記錄共享，提高信息管理與共享能力。

2 項目背景

2.1 項目概況

紅樓保護修繕工程，處于全國重點文物保護單位外灘近代建筑群的建設(shè)控制地帶和上海市外灘歷史風(fēng)貌區(qū)內(nèi)。該建筑于1911年建造，磚木結(jié)構(gòu)，外立面為清水紅磚墻?？偨ㄖ娣e2676m2，建筑層數(shù)為4層，屋頂為穹頂。紅樓為優(yōu)秀歷史建筑，保護類別為二類，為了延續(xù)城市文脈，需要使用數(shù)字化技術(shù)最大程度、精細(xì)化地保留歷史建筑風(fēng)貌和完整性。

2.2 現(xiàn)狀分析

紅樓房屋坐北朝南，入口面向黃浦江，平面形式為矩形，東西向總長約37.8m，南北向總寬約23.6m，底層層高4.9m，二層層高4.7m，三層層高4.5m，局部四層層高約3.6m。建筑物南、東、北立面為外部重點保護部位，體現(xiàn)建筑特色的裝飾細(xì)部等為內(nèi)部重點保護部位。根據(jù)建筑歷史圖紙和各時期歷史照片、文獻記載等資料，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)分析等措施，本項目主要內(nèi)容為歷史建筑外立面、屋面等按照原歷史風(fēng)貌進行保護修繕。

3 主要技術(shù)路線

本歷史建筑外立面修繕，主要是以模型為載體，采用三維重建的方式進行模擬分析。一般建模分為正向建模和逆向建模。前一種是基于文獻記錄的尺寸、參數(shù)、特征，通過建立圖形與幾何、尺寸之間對應(yīng)的關(guān)系，并調(diào)用參數(shù)值來控制建模的幾何形狀的建模方法。另一種是利用三維激光掃描技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集，獲得點云數(shù)據(jù)和三維特征后再一次進行逆向重構(gòu)的建模方法。

點云逆向建模得到的模型更具現(xiàn)實性，能很好地表達外立面墻體的紋理細(xì)節(jié)，而參數(shù)正向建模更加完整，能詳實反應(yīng)建成后的狀態(tài)，包括已被改建的部分以及掃描不到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分。為了更好服務(wù)建筑后續(xù)的保護、修繕以及評估監(jiān)測等工作，本文使用正逆向結(jié)合的方式，一個是通過三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)建筑信息逆向獲取從而建立現(xiàn)實模型，另一個是通過Revit軟件和歷史圖紙資料來建立標(biāo)準(zhǔn)模型，最終以模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)字化對比、分析、存檔等用途，為歷史建筑修繕提供依據(jù)。具體實施主要分為三部分：數(shù)字化信息收集、數(shù)字化模型重構(gòu)、數(shù)字化管理（實施路線詳見圖1）。

圖1 主要實施路線圖

4 主要實施方案

4.1 數(shù)字化信息收集

在保護修繕工程開始之前，除了通過歷史圖紙資料的調(diào)查外，需要進行三維掃描工作，通過數(shù)據(jù)采集，來準(zhǔn)確、詳細(xì)地表述現(xiàn)有建筑狀態(tài)。（具體流程如圖2）

圖2 三維激光掃描流程示意圖

在掃描過程中，選用FOCUS3D掃描設(shè)備，內(nèi)置7000萬像素相機，測距范圍在1至5米之間。通過6個設(shè)置站點，調(diào)整入射角度，對歷史建筑3層以下的外立面進行數(shù)據(jù)采集，重疊率為60%至80%，連續(xù)對同一位置進行三次以上多角度拍攝，保證不遺漏細(xì)節(jié)。由于被測物位于市中心區(qū)域，四周有其它建筑物相鄰，對于屋頂?shù)葻o法掃描的區(qū)域，采用無人機采集補充。設(shè)置無人機巡航對歷史建筑的3層至屋頂進行環(huán)繞飛行拍照，最終將采集的照片資料輸出點云數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)字化模型重構(gòu)

①逆向建模。

將不同視角采集的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)軟件（Cyclone、RISCAN PRO等軟件），進行數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建出整體點云模型。（具體流程如圖3）

圖3 逆向建模流程示意圖

首先進行點云數(shù)據(jù)預(yù)處理，對掃描獲得點云數(shù)據(jù)進行簡化處理，刪除相關(guān)影響因素，保留可用的點云數(shù)據(jù)。預(yù)處理避免了由于儀器誤差、被掃描物體反射特性、環(huán)境溫濕度等因素造成的點云沉余，從而有效提高運算、存儲和操作過程的效率，確保掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。然后進行點云配準(zhǔn)，通過控制軟件中的ICP算法，完成自動精確配準(zhǔn)，統(tǒng)一坐標(biāo)系，將整個視圖中的多個點云合并為一個整體點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)包含紅樓立面的三維點云、紋理、反射強度等信息，再行導(dǎo)入建模軟件中，建立實景現(xiàn)實模型和輸出相關(guān)二維圖紙。

②正向建模。

在原有二維存檔圖紙的基礎(chǔ)上進行正向參數(shù)化建模。根據(jù)記錄的建筑數(shù)據(jù)，再結(jié)合歷史圖紙和照片，運用幾何重建、轉(zhuǎn)換等方式真實反映構(gòu)件的情況，還原紅樓建筑標(biāo)準(zhǔn)模型。該階段的主要工作為通過之前記錄的歷史建筑所有不同的屋面山花、柱頭花飾、拱券、檐口線條的參數(shù)創(chuàng)建族庫，并且完善內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)、布局模型（詳見圖4），方便現(xiàn)場加工定制，裝配式安裝。

圖4 構(gòu)建族模型示意圖

在Revit中的大部分建筑構(gòu)件創(chuàng)建完畢后就可以進行渲染，對各個構(gòu)件賦予材質(zhì)。通過外業(yè)采集過程中掃描儀采集的圖片數(shù)據(jù)，導(dǎo)入自定義的材質(zhì)庫或新建材質(zhì)，對照現(xiàn)場實際位置，進行紋理貼圖，使模型更符合實際場景。從而實現(xiàn)動畫漫游，實時查看標(biāo)準(zhǔn)模型和平立剖面圖輸出。

4.3 數(shù)字化管理

①損傷分析。

利用已完成的模型數(shù)據(jù)分析歷史建筑的損傷的方法是將兩種不同建模的方式獲得的標(biāo)準(zhǔn)建成模型與現(xiàn)實模型進行數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一，然后進行兩種模型數(shù)據(jù)的位置配準(zhǔn)，生成高程偏差分析圖。使用軟件（Geomagic）對比兩個模型的偏差，將現(xiàn)實模型作為對比方，建成模型作為參考方，得出結(jié)論。針對南立面現(xiàn)狀，繪制破損分析圖（詳見圖5）。統(tǒng)計目前外立面主要劣化問題有54項，主要如下：清水磚墻存在墻面開洞、泛堿、水漬、污垢、外加附著物等；石材線腳、柱頭花飾、寶瓶欄桿等構(gòu)件存在局部涂刷、開裂、破損、污垢等；門窗、欄桿存在滅失、損壞、油漆不當(dāng)?shù)?；部分結(jié)構(gòu)存在加建等。據(jù)此在圖紙上標(biāo)識出紅樓立面損傷部位并加以分析，為后續(xù)精細(xì)化修繕提供依據(jù)。

圖5 模型對比及損傷部位分析圖

②結(jié)構(gòu)復(fù)核。

根據(jù)現(xiàn)實模型，采用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件（YJK）對房屋上部結(jié)構(gòu)進行計算（詳見圖6），結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表明部分墻體和木結(jié)構(gòu)梁受壓承載力不足。具體驗算參數(shù)取值如下：木擱柵截面75mm×300mm（慣性矩I=1.69×108mm4），樓面恒載0.7kN/m2，活載2.0kN/m2，木擱柵跨度6.8m，間距400mm。受彎≤Fm。受剪：τ=≤Fv。簡支梁均布荷載作用下跨中撓度公式：f=。木擱柵截面最大正應(yīng)力σ=8.03MPa<材料的抗彎強度8.8MPa。截面最大剪應(yīng)力τ=0.35<材料的抗剪強度0.96MPa?？缰凶畲髶隙萬=19.8mm<撓度限值6800×1/250=27.2mm。因此，根據(jù)核算更有針對性地采取其它可靠措施加固、補強房屋整體抗震性能，消除結(jié)構(gòu)安全隱患。

圖6 結(jié)構(gòu)計算模型簡圖

③數(shù)字存檔。

建立電子檔案，涵蓋歷史人文、重點保護部位、歷次修繕工藝和材料等數(shù)據(jù)。在對紅樓三維激光掃描數(shù)字測繪、正逆向模型的基礎(chǔ)上，為歷史建筑數(shù)字模型整合、歷史信息集成，從而搭建一個虛擬數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)協(xié)同查詢、虛擬漫游、交互操作等功能。

5 總結(jié)

歷史建筑保護修繕自數(shù)字化技術(shù)介入之后，大大提高了修繕的科學(xué)性和精準(zhǔn)度，遵循了建筑修繕的原真性、最小干預(yù)和可逆原則。依托三維激光掃描和BIM技術(shù)進行的測量、重構(gòu)等數(shù)字化管理工作，確保測繪數(shù)據(jù)的真實性和完整性，將建筑物的比例、結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)的反饋出來，全面準(zhǔn)確地反應(yīng)歷史建筑物的狀態(tài)，為保護和修繕提供了有力的技術(shù)支持。未來借助數(shù)字化的理念，進行傳統(tǒng)保護思維和管理模式的轉(zhuǎn)變，更多地將歷史風(fēng)貌建筑的保護與智能化、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)相集成，推進風(fēng)貌建筑保護數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化突破性進展。