基于多源數(shù)據(jù)的古建筑數(shù)字化建模技術(shù)研究與應(yīng)用*

孫曉陽,張潤東,嚴(yán)光芒,李越宇,唐丹丹

(中建八局文旅博覽投資發(fā)展有限公司,江蘇 南京 211100)

0 引言

古建筑是我國物質(zhì)文化遺產(chǎn)的重要組成部分,蘊(yùn)含著深厚的文化底蘊(yùn),所展現(xiàn)的建造技藝極具研究價(jià)值。然而隨著歷史的不斷演進(jìn),現(xiàn)代化進(jìn)程的加速推進(jìn),這些瑰寶也持續(xù)遭受著自然和人為的破壞。為了在社會(huì)的發(fā)展變革中有效保護(hù)民族的文化命脈,建立古建筑數(shù)據(jù)體系顯得尤為重要。通過集成的數(shù)字模型對古建筑進(jìn)行存檔、保護(hù)和拓展延續(xù)。本文以南京溧水城隍廟的宋式仿古建筑徽恩閣為研究對象,從古建筑構(gòu)件關(guān)系分析、形式表達(dá)與信息交互等方面,探討數(shù)字化建模技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用,總結(jié)一般方法以推廣運(yùn)用。整體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 整體技術(shù)路線Fig.1 Overall technology route

1 古建筑原始數(shù)據(jù)歸集

古建筑由于年限久遠(yuǎn),本體資料多有缺失,通過翻閱地方志等資源不足以獲得完整的建筑構(gòu)造數(shù)據(jù)。此時(shí),可根據(jù)建筑年代參考相應(yīng)典籍和同時(shí)期建筑構(gòu)造探尋細(xì)部做法。諸如宋的《營造法式》(以下簡稱《法式》)、清的《工程做法則例》等均對古建筑的制度、做法及相應(yīng)的圖樣名詞進(jìn)行了詳細(xì)描述。為搜集詳實(shí)的數(shù)據(jù)信息,需拓展多種渠道,在參照歷史文獻(xiàn)的同時(shí)還需輔以當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)。為獲得古建筑實(shí)體數(shù)據(jù),傳統(tǒng)測量方法多采用人工拉尺和利用全站儀、激光測距儀等工具對古建筑點(diǎn)位進(jìn)行采集順推,但由于構(gòu)造復(fù)雜,準(zhǔn)確度受測繪人員的技術(shù)水平所干擾,測繪效率低下。而隨著三維掃描技術(shù)和無人機(jī)近景測量技術(shù)的不斷成熟,兩者技術(shù)配合使用,優(yōu)勢互補(bǔ),在古建筑中的應(yīng)用也越來越廣泛。本文主要采用大疆無人機(jī)設(shè)備和Trimble三維掃描儀收集古建筑的現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息。

1.1 數(shù)據(jù)獲取

由于古建筑的復(fù)雜性,為獲得較完整數(shù)據(jù),掃描前還需對現(xiàn)場踏勘結(jié)合已有資料根據(jù)掃描設(shè)備性能進(jìn)行測試后,編制掃描測繪方案。針對建筑特點(diǎn),采用無人機(jī)RTK設(shè)備獲取古建筑屋面等遠(yuǎn)景數(shù)據(jù),Trimble TX8掃描近景空間,手持掃描儀掃描角落及部分細(xì)節(jié),通過組合試驗(yàn)明確站點(diǎn)排布位置、無人機(jī)航線和相關(guān)參數(shù)設(shè)置。掃描過程中應(yīng)避開樹木等障礙物,保證點(diǎn)云影像連續(xù)、完整。

1.2 數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描技術(shù)與無人機(jī)攝影技術(shù)可相互發(fā)揚(yáng)優(yōu)勢彌補(bǔ)不足,點(diǎn)云作為基礎(chǔ)媒介為2種技術(shù)的融合創(chuàng)造了有利條件。將采集到的點(diǎn)云與影像數(shù)據(jù)通過Trimble RealWorks,ContextCapture進(jìn)行拼接、濾波、降噪和編輯等預(yù)處理。利用設(shè)定好的控制點(diǎn)與軟件的全自動(dòng)拼接功能進(jìn)行快速拼接,經(jīng)過去除冗余和抽稀簡化后,實(shí)現(xiàn)了多平臺(tái)的影像點(diǎn)云與激光點(diǎn)云的高精度融合,形成數(shù)據(jù)較完整、輕量的徽恩閣點(diǎn)云模型,如圖2所示。

圖2 徽恩閣點(diǎn)云模型Fig.2 Hui’en Pavilion point cloud model

1.3 數(shù)據(jù)規(guī)整

在古建點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理歸集過程中,由于掃描、攝影技術(shù)的局限性和古建結(jié)構(gòu)特點(diǎn),無法全面準(zhǔn)確獲取一些復(fù)雜構(gòu)造及隱蔽部位的數(shù)據(jù)。為彌補(bǔ)構(gòu)件遮擋等問題造成的數(shù)據(jù)缺陷,還需根據(jù)建筑形制特點(diǎn),參照《法式》等典籍補(bǔ)全構(gòu)件的幾何數(shù)據(jù),形成較完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

2 古建筑數(shù)字化建模技術(shù)

按照模型形成的方式和用途,古建筑建模成果可分為修正型和紀(jì)實(shí)型。修正型主要按照歸集數(shù)據(jù)推算原有構(gòu)造,復(fù)原古建筑,該建模能得到標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件模型,但缺少古建筑構(gòu)件表面的現(xiàn)實(shí)形態(tài)。紀(jì)實(shí)型又分為表皮模型和完整構(gòu)件紀(jì)實(shí)模型,表皮模型多由點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接生成網(wǎng)格模型,只有表皮特征,構(gòu)件完整度缺失,難以賦予構(gòu)件信息;完整構(gòu)件紀(jì)實(shí)模型既有古建筑完整構(gòu)造,又能反映現(xiàn)實(shí)狀態(tài),準(zhǔn)確記錄古建筑由于時(shí)空積淀出現(xiàn)的缺陷、傾斜等現(xiàn)狀信息。

中國古建筑的特征主要體現(xiàn)在建筑和部件的形制化集成。其中《法式》突出“以材為祖”,而又把“材”分為八等,一系列關(guān)于模數(shù)制的規(guī)定,增加了古建筑構(gòu)件的通用性與互換性,能提前協(xié)調(diào)加工構(gòu)件,大大加快了古建筑的建造速度,提高了經(jīng)濟(jì)效益。由此,基于《法式》等文獻(xiàn)和已有數(shù)據(jù)分析整理,總結(jié)宋式建筑的組成體系、模數(shù)制及構(gòu)件構(gòu)成特點(diǎn),作為宋式建筑參數(shù)化建模的依據(jù)。

目前,諸如Geomagic Studio等軟件雖能根據(jù)點(diǎn)云自動(dòng)化一鍵式創(chuàng)建曲面,快速生成建筑表皮模型,但在古建筑內(nèi)部構(gòu)造、構(gòu)件分類、信息維護(hù)上均存在很大缺陷。因此,還需尋找一套完善的建模體系,以根據(jù)不同需求創(chuàng)建完整的構(gòu)件模型。

在收集整理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,采用Revit與Rhino軟件進(jìn)行古建筑建模,比較建模方式的優(yōu)劣,探討標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件與現(xiàn)實(shí)特征結(jié)合的可能性。依據(jù)《法式》中模數(shù)制的幾何數(shù)據(jù),編譯了一組基于Grasshopper的參數(shù)化營造模塊,并根據(jù)徽恩閣自身特點(diǎn)補(bǔ)充Revit構(gòu)件族庫。

2.1 徽恩閣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

從文獻(xiàn)記載及點(diǎn)云影像數(shù)據(jù)來看,徽恩閣整體采用宋式風(fēng)格構(gòu)造,局部按現(xiàn)代仿古建筑通用做法優(yōu)化,整體尺寸關(guān)系主要有構(gòu)件模數(shù)、屋頂舉折、殿身分槽。根據(jù)柱網(wǎng)分布可知,1,2層間有夾層,面闊五間,進(jìn)深四間,身內(nèi)單槽。經(jīng)測算,徽恩閣梁枋寬度為140mm,高寬比為3∶2,與模數(shù)制相對應(yīng),可用此模數(shù)推算獲取斗栱等完整構(gòu)件信息。為明確徽恩閣內(nèi)部構(gòu)造,梳理各部分構(gòu)成要素,將徽恩閣以大木作、小木作、瓦作、石作、墻與磚作等進(jìn)行分類,其細(xì)部構(gòu)件分類如圖3所示。經(jīng)拆解分析,多數(shù)構(gòu)件可從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中直接獲取,如斗栱等可由點(diǎn)云與模數(shù)制結(jié)合完善構(gòu)件形態(tài),而平棋以上屋架部位如屋頂舉折、梁架組成方式則需根據(jù)已知構(gòu)造推算,具體如表1所示。為獲得徽恩閣主體架構(gòu)特征,根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制已知部位構(gòu)架簡圖(見圖4),結(jié)合宋式殿閣梁架做法,由身內(nèi)單槽可知其為抬梁式屋架,推算繪制其屋架部位大致做法(見圖5),具體尺寸定位還需在建模時(shí)計(jì)算確定。

表1 徽恩閣構(gòu)件獲取方式分類Table 1 Classification of acquisition methods for Hui’en Pavilion components

圖3 徽恩閣構(gòu)件分解Fig.3 Component decomposition of Hui’en Pavilion

圖4 基本構(gòu)架簡圖Fig.4 Basic architecture

圖5 梁架完善簡圖Fig.5 Beam frame improvement

2.2 基于Revit創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模型

Revit軟件主要以構(gòu)件族的形式拼裝組合成整體建筑模型,其生成邏輯由整體到局部,逐步細(xì)化,與正向過程類似。在Revit中建模,要求構(gòu)件獨(dú)立完整,而掃描獲取的點(diǎn)云僅有表面數(shù)據(jù),若作為構(gòu)件尺寸參照,還需分析建筑形制,依據(jù)相應(yīng)典籍補(bǔ)充完善,因此建立的模型為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的修正模型。標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模型創(chuàng)建流程如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模型創(chuàng)建流程Fig.6 Standard component model creation process

將簡化處理后的徽恩閣點(diǎn)云數(shù)據(jù)(las格式)導(dǎo)入Autodesk Recap中,生成rcp格式導(dǎo)入到Revit中,也可在其中進(jìn)行查看瀏覽、量測操作。在Revit中有多種基于點(diǎn)云的建模方法,如利用AS-built for Revit插件,可直接對點(diǎn)云進(jìn)行分割編輯處理,利用切片提取特征點(diǎn)建模。這里主要描述根據(jù)點(diǎn)云尺寸結(jié)合宋式建筑典籍進(jìn)行徽恩閣模型創(chuàng)建的過程。

首先通過點(diǎn)云分析徽恩閣的建筑形制、空間布局、結(jié)構(gòu)組成、幾何關(guān)系等數(shù)據(jù)。由于徽恩閣為兩層廈兩頭造形式,以中軸線左右對稱,中部有夾層,構(gòu)件層次較多,因此以2層樓板底部斗栱為界,分為上、下兩部分。依據(jù)徽恩閣間廣與間深定“地盤”,一般以柱中心位置為軸線交點(diǎn)確定柱網(wǎng)。以1層樓面為基準(zhǔn),創(chuàng)建各樓面、柱頂、檐椽下口、屋脊高度相對標(biāo)高。基準(zhǔn)軸網(wǎng)、標(biāo)高確定后,則需分析構(gòu)件形式與參數(shù),創(chuàng)建各構(gòu)件族。古建筑構(gòu)成中以大木作為主,而大木作中尤以斗栱最復(fù)雜,因此以斗栱為例,創(chuàng)建相應(yīng)參數(shù)族。其余如柱、梁等通用構(gòu)件均可先建立標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)族,再隨建筑點(diǎn)云尺寸進(jìn)行調(diào)整。

斗栱由斗、栱、昂、耍頭等構(gòu)成。斗又分為櫨斗、交互斗、散斗、齊心斗;栱又分為華栱、瓜子?xùn)怼⒛嗟罇怼⒙龞?、令?由各構(gòu)件組合形成不同類型鋪?zhàn)?。此處以相對關(guān)系約束創(chuàng)建櫨斗、華栱等參數(shù)化構(gòu)件,后期可根據(jù)建筑形制調(diào)節(jié)材料參數(shù)以適應(yīng)構(gòu)件要求。在櫨斗創(chuàng)建前,需理清斗的耳、平、欹之間的尺寸關(guān)系,然后在Revit中通過標(biāo)注約束、設(shè)置參數(shù),利用拉伸、放樣、空心形狀剪切操作完成櫨斗參數(shù)化族的創(chuàng)建工作。栱等構(gòu)件也可利用類似方法,對設(shè)置各參數(shù)及各尺寸間的連接進(jìn)行參數(shù)化。斗栱所含各構(gòu)件建立完成后,需組合測試,實(shí)現(xiàn)其余斗栱構(gòu)件隨斗口寬度的改變而變化。

各標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件建立完成后,導(dǎo)入原項(xiàng)目中,從柱基礎(chǔ)與柱開始,依據(jù)軸線位置參照點(diǎn)云調(diào)節(jié)柱徑參數(shù)進(jìn)行放置,根據(jù)剖面用闌額與梁將各檐柱相連。斗栱則需根據(jù)鋪?zhàn)魑恢煤统鎏问綄Χ贰?、昂進(jìn)行組合?；斩鏖w斗栱按位置分為柱頭鋪?zhàn)?、補(bǔ)間鋪?zhàn)?、轉(zhuǎn)角鋪?zhàn)骱蜕聿蹆?nèi)鋪?zhàn)鳌?層柱頭與補(bǔ)間均為兩抄五鋪?zhàn)?轉(zhuǎn)角為兩抄一昂六鋪?zhàn)?2層樓板下方均為兩抄五鋪?zhàn)?但形式與1層五鋪?zhàn)髀杂袇^(qū)別;2層上部柱頭與補(bǔ)間均為兩抄一昂六鋪?zhàn)?轉(zhuǎn)角為兩抄兩昂七鋪?zhàn)?。根?jù)點(diǎn)云尺寸調(diào)節(jié)斗、栱、昂的參數(shù)以適應(yīng)鋪?zhàn)餍问?組合完成后放置到相應(yīng)位置。栱眼壁板與柱頭枋根據(jù)已完成的斗栱進(jìn)行建模。

主體屋架結(jié)構(gòu)由于平棋等遮擋嚴(yán)重,其內(nèi)部構(gòu)造僅憑點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法測定尺寸關(guān)系,此時(shí)需根據(jù)典籍描述和構(gòu)造類比來定“側(cè)樣”,通過架深、檐出、舉折計(jì)算所需參數(shù)。屋架舉折如圖7所示,L為前后橑檐枋間距,H為橑檐枋背至脊槫背之高,而殿閣樓臺(tái)整體舉折比H/L為1/3,由點(diǎn)云可知橑檐枋中心高度,可求得脊槫背高度。而牛脊槫中心線即檐柱中心線,由此可知橑檐枋與牛脊槫間的水平距離L1。根據(jù)屋面走勢及形制要求可推算出牛脊槫與脊槫之間設(shè)2道平槫等分,即L2=(L/2-L1)/3,由此槫的水平布置均可確定。為確保槫的相對高度準(zhǔn)確,運(yùn)用舉折法的同時(shí)還需結(jié)合屋面構(gòu)造,由筒瓦規(guī)格、石灰層、膠泥層、板棧層等逐步推算到椽子,與點(diǎn)云特征相互印證,確保準(zhǔn)確度。求出主體屋架構(gòu)造尺寸后,可由上向下與由下向上結(jié)合遞推其余結(jié)構(gòu),即由槫、襻間到蜀柱、平梁、剳牽向下,由斗栱、月梁到平棋向上,結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)與《法式》形制要求,逐步完善主體架構(gòu)模型。

圖7 屋架舉折示意Fig.7 Roof truss lifting and folding

瓦面、椽子數(shù)量較多,而翼角飛檐部位生出、翹起更復(fù)雜,由此引入dynamo對飛椽和瓦面進(jìn)行參數(shù)化快速生成。此處以瓦片生成為例,椽子生成方法類似。先在Revit中運(yùn)用自適應(yīng)公制常規(guī)模型創(chuàng)建筒瓦、板瓦族,明確筒瓦與板瓦的相對位置關(guān)系,賦予相應(yīng)參數(shù),能基于兩點(diǎn)生成瓦片并能調(diào)節(jié)角度,載入項(xiàng)目中。根據(jù)點(diǎn)云定位檐口邊界與生出起翹點(diǎn),按屋面坡度描繪輪廓,在dynamo空間中拾取生成檐口邊界與瓦面坡度線,用surface.bysweep節(jié)點(diǎn)生成曲面,再用geometry.split節(jié)點(diǎn)對廈兩頭造部位進(jìn)行切割,生成原始屋面表皮。由檐口邊界中點(diǎn)向兩側(cè)以筒瓦與板瓦的疊合模數(shù)固定距離等分,并與向量結(jié)合得出瓦面縱向分隔,再以每個(gè)分隔檐口端點(diǎn)為起點(diǎn)結(jié)合瓦的自適應(yīng)族定位點(diǎn)進(jìn)行等分。根據(jù)生成的定位點(diǎn),結(jié)合導(dǎo)入的自適應(yīng)族使用adaptive component.by points節(jié)點(diǎn)生成瓦面,再替換對應(yīng)的檐口瓦。此過程中需注意筒瓦與板瓦、板瓦與板瓦之間的相搭重疊關(guān)系。

整體模型建好后,還需結(jié)合點(diǎn)云與勘測數(shù)據(jù)比對,對整體架構(gòu)推導(dǎo),查漏補(bǔ)缺,多次調(diào)整后,使其與徽恩閣建筑點(diǎn)云基本契合。而鴟尾、獸頭等異形構(gòu)件還需配合Rhino進(jìn)行構(gòu)件補(bǔ)充導(dǎo)入。

2.3 基于Rhino的融合建模方法

以上采用Revit進(jìn)行了正逆結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件建模,但在Revit中難以調(diào)節(jié)構(gòu)件形態(tài)滿足紀(jì)實(shí)模型的要求。因此,要表現(xiàn)建筑構(gòu)件現(xiàn)實(shí)形態(tài),還需引入一種融合建模方式。Rhino具有強(qiáng)大的曲面調(diào)節(jié)功能及輕量化的優(yōu)勢,在建模過程中,能根據(jù)點(diǎn)云調(diào)節(jié)曲面造型,使模型更貼合原始建筑。在Rhino中的古建筑整體建模思路與Revit大致類似,均需依據(jù)建筑形制即間廣、間深、架深、檐出、舉折等參數(shù),推算內(nèi)部構(gòu)造,生成完整的建筑模型。為充分利用Rhino參數(shù)化功能,提升建模效率,同步編譯了一組基于grasshopper的參數(shù)化營造模塊。該模塊參考營造法式圖樣,分析各式構(gòu)件特點(diǎn),以足材為基本尺度,結(jié)合當(dāng)下度量習(xí)慣,還原《法式》所描述的常用構(gòu)件模型,形成標(biāo)準(zhǔn)模塊單元。各類構(gòu)件能根據(jù)建筑形制的不同,對屋架的類型、間廣、間深及舉折等做出選擇,賦予調(diào)值參數(shù)改變相應(yīng)尺度,即可生成相應(yīng)建筑的標(biāo)準(zhǔn)模型。融合建模流程如圖8所示。

圖8 融合建模流程Fig.8 Fusion modeling process

在Rhino中導(dǎo)入處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù),運(yùn)用切片工具提取點(diǎn)云特征線、多種輪廓擬合求解獲得古建構(gòu)件的幾何特征。運(yùn)用營造模塊調(diào)整參數(shù)依次創(chuàng)建各構(gòu)件,結(jié)合RhinoResurf插件輔助建立復(fù)雜構(gòu)件模型。此過程中,應(yīng)做好各構(gòu)件分組分層工作,以便后續(xù)隔離編輯。整體標(biāo)準(zhǔn)模型建立后可使用Rhino自帶的SubD等工具,以點(diǎn)云為目標(biāo),對已有標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模型進(jìn)行配準(zhǔn)變形編輯。相對于網(wǎng)格模型,nurbs曲面建模能更好地控制物體表面曲線度,創(chuàng)建出更平滑逼真的模型,并有利于賦予材質(zhì)。變形處理后的模型具有完整的建筑構(gòu)件體系,能表現(xiàn)建筑的目前狀態(tài)和構(gòu)件細(xì)節(jié)。

鑒于目前Rhino在數(shù)據(jù)信息管理方面還存在缺陷,還需由Revit對構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)籌賦予信息參數(shù),因此使用Rhinoinside.Revit與Revit進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換與信息交互。通過Grasshopper中的New compoment family模塊將Rhino中的構(gòu)件在Revit中重新生成族,重新編輯并賦予構(gòu)件參數(shù)信息。也可用Graphical Element模塊拾取Revit中的構(gòu)件Bake至Rhino中進(jìn)行編輯重構(gòu),彌補(bǔ)Revit在構(gòu)件變形方面的不足。將兩者結(jié)合開發(fā),實(shí)現(xiàn)古建筑構(gòu)件紀(jì)實(shí)形態(tài)與信息數(shù)據(jù)的無損融合?；斩鏖w完整構(gòu)件模型如圖9所示。

圖9 徽恩閣完整構(gòu)件模型Fig.9 Complete component model of Hui’en Pavilion

3 結(jié)語

本文結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)與相關(guān)典籍?dāng)?shù)據(jù),分析宋式建筑的整體構(gòu)造,運(yùn)用正逆向建模思路,發(fā)揮Revit的信息承載作用及Rhino的異形重構(gòu)能力,對古建筑構(gòu)件進(jìn)行數(shù)字化三維重建,為存檔監(jiān)測及信息維護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以Revit標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族建立的模型旨在復(fù)原建筑原始構(gòu)造,為結(jié)構(gòu)監(jiān)測、修繕提供參考。基于Rhino的融合建模方式具有輕量化優(yōu)勢的同時(shí),更貼合建筑目前狀態(tài),能為古建筑修繕和維護(hù)提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。利用Rhinoinside.Revit將兩者相結(jié)合,優(yōu)劣互補(bǔ),能完美呈現(xiàn)古建模型。此外,輕量化的數(shù)字模型可結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)形象、逼真地展示古建筑構(gòu)造細(xì)節(jié),從而使古建筑脫離地域限制,實(shí)現(xiàn)文化遺產(chǎn)共享。