貴州省松桃大灣苗寨建筑數(shù)字化保護

彭永鵬，張慶高，肖曉維，阿依丁，馬 宏

(大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

貴州省松桃大灣苗寨建筑數(shù)字化保護

彭永鵬，張慶高，肖曉維，阿依丁，馬 宏

(大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

為了提高苗族建筑保護的準確性和有效性，以貴州省銅仁市松桃苗族自治縣大灣苗寨吊腳樓為研究對象，利用三維激光掃描技術(shù)，采集苗寨吊腳樓三維點云數(shù)據(jù)，依據(jù)點云數(shù)據(jù)提取建筑尺寸、節(jié)點樣式等信息，并繪制其二維施工圖紙，為吊腳樓建立完整、規(guī)范的施工圖集。同時以BIM技術(shù)為支撐，以施工圖紙為參照，對吊腳樓進行參數(shù)化建模。通過可視化動態(tài)施工模擬對吊腳樓的施工工藝進行分解，直觀地展示其施工過程。以三維點云信息保存、施工圖紙逆向設(shè)計和動態(tài)施工模擬的方式對苗族吊腳樓進行數(shù)字化保護。

吊腳樓；三維激光掃描；逆向設(shè)計；BIM

大灣苗寨位于貴州省銅仁市松桃苗族自治縣，經(jīng)歷數(shù)百年的風(fēng)雨滄桑，至今仍保留著140余棟百年木結(jié)構(gòu)的苗族風(fēng)格古建筑。這一灣苗族建筑全用木板一塊塊搭建而成，匯集了苗族人的智慧與汗水，集歷史與文化于一身，具有獨特的工藝價值和藝術(shù)價值。隨著當?shù)噩F(xiàn)代化和工業(yè)化的不斷加深，施工工藝復(fù)雜、施工周期長、施工材料獲取難等因素使得傳統(tǒng)建筑逐漸被現(xiàn)代建筑所替代，大灣內(nèi)的建筑保護工作迫在眉睫。與此同時，大部分民族建筑都是由本地區(qū)的職業(yè)木匠施工完成，構(gòu)件制作過程和施工工藝都是憑借經(jīng)驗，沒有規(guī)范的施工圖紙可以參照。加之工匠漸趨老化，年輕人更傾向于外出打工，導(dǎo)致傳統(tǒng)的民族建筑從業(yè)繼承者不斷流失。因此，當?shù)丶毙铻槊缯谋Ｗo尋找新思路。本文嘗試用數(shù)字化的方法為大灣苗寨特色建筑進行保護，取得了一定的成效。

1 原始三維數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)處理

三維激光掃描技術(shù)可以對空間數(shù)據(jù)進行有效地捕獲，利用激光掃描測量的方式，對其空間信息數(shù)據(jù)進行掃描，形成專業(yè)的影像數(shù)據(jù)，從而建立起地物地貌的三維模型圖[1]。三維數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)建筑逆向設(shè)計的基礎(chǔ)，能夠為民族建筑的復(fù)建提供依據(jù)。文中三維數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的是美國FARO公司生產(chǎn)的X330三維激光掃描儀，掃描范圍和掃描精度都能夠滿足大型民族建筑三維數(shù)據(jù)采集的要求。數(shù)據(jù)采集完成后，需要對其進行進一步優(yōu)化處理，如：拼接、去噪等，以達到逆向設(shè)計的要求。

1.1 數(shù)據(jù)采集

由于苗族吊腳樓尺寸較大，造型復(fù)雜，掃描儀掃描范圍又有限，很難通過一次性掃描將三維數(shù)據(jù)采集完成，因此需要通過變換測站的方式對建筑進行掃描操作，三維數(shù)據(jù)采集方案如圖1。選擇測站時，測站與測站距離根據(jù)建筑物拐角等情況確定，以保證掃描數(shù)據(jù)沒有遺漏[2]。在實地掃描的過程中，要提前觀察地形，根據(jù)實際情況選擇測站位置，盡量選擇對建筑遮擋少的點進行操作。后期內(nèi)業(yè)處理時，需要將每一站的數(shù)據(jù)進行拼接，使其成為完整的三維模型。

圖1 三維數(shù)據(jù)采集方案

在外業(yè)操作過程中，盡量保證建筑的所有部分都在掃描儀的掃描范圍內(nèi)，確保掃描過程中掃描儀激光光線所及處沒有遮擋，以避免后期處理時點云數(shù)據(jù)的缺失。單站掃描時，根據(jù)周圍環(huán)境及光照條件調(diào)節(jié)掃描儀參數(shù)，也應(yīng)酌情考慮精細掃描與粗略掃描之間的關(guān)系，如建筑細節(jié)處需要精心掃描，站間拼接作用的測站可將掃描精度適當調(diào)低。單站建筑三維點云數(shù)據(jù)如圖2。同時，對于同時出現(xiàn)在多站點掃描范圍內(nèi)的公共區(qū)域，也應(yīng)適當降低掃描精度，避免數(shù)據(jù)重復(fù)，拼接重影或資源浪費的情況發(fā)生。

圖2 單站建筑三維點云數(shù)據(jù)

1.2 內(nèi)業(yè)處理

建筑的原始三維數(shù)據(jù)采集完成后，需要對其進行優(yōu)化處理。因為外業(yè)掃描均為單站測量，在后期處理過程中需要將所有單站數(shù)據(jù)進行拼接，使其構(gòu)成完整的建筑模型。同時，掃描儀的工作范圍是水平方向360°，豎直方向270°，在外業(yè)操作的過程中，不可避免地會采集到單體建筑以外的場景信息，這些信息是干擾因素，需要內(nèi)業(yè)處理將其進行去噪。

站點位置選擇不當、標靶遮擋不清、系統(tǒng)計算誤差等因素是導(dǎo)致拼接失敗的主要原因，在拼接過程中，如出現(xiàn)拼接錯誤或拼接無效的情況，需要人為干預(yù)來實現(xiàn)站點之間的連接。優(yōu)化拼接前后效果對比如圖3。所有測站拼接完成后，對其進行“創(chuàng)建掃描點云”操作，去除重疊部分的點，使場景中所有測站點的密度保持一致，便于后期操作和處理。最后，對數(shù)據(jù)進行去噪處理，將整體場景中的噪點、環(huán)境等不需要的點去除，單獨留下建筑本身的點云，為圖紙繪制和模型建立提供依據(jù)。

圖3 優(yōu)化拼接前后效果對比

2 二維圖紙

點云數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)處理為民族建筑的圖紙繪制提供了依據(jù)。利用已經(jīng)處理好的點云圖，通過剖切的方法來獲取建筑的平面輪廓圖，同時變換視圖角度獲取不同方向的建筑立面圖，將繪制苗族建筑所需的點云數(shù)據(jù)作為底圖，以此為參照，準確繪制二維圖紙。吊腳樓平面輪廓圖如圖4。

通過已知的平面輪廓圖，可以確認建筑的平面尺寸，并且準確定位柱、門、窗等構(gòu)件的位置；利用立面點云圖，可以明確建筑的層高、建筑樣式等民族性強的標志，極大地節(jié)省了外業(yè)測繪時間，同時可以減少誤差，最大程度地逆向還原吊腳樓的二維圖紙。繪制完成的平面輪廓圖如圖5。除此之外，對吊腳樓的關(guān)鍵節(jié)點進行繪制，如：梁柱間的榫卯鏈接，門窗的樣式等。通過對吊腳樓建筑進行細致的研究與繪制，最終構(gòu)建出吊腳樓的施工圖紙集。吊腳樓立面圖如圖6。

圖4 吊腳樓平面輪廓圖

圖5 繪制完成的平面輪廓圖

圖6 吊腳樓立面圖

3 BIM建模與動態(tài)施工

BIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建設(shè)工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，同時又是一種應(yīng)用于設(shè)計、建造、管理的數(shù)字化技術(shù)[3]。BIM 包含了建筑物在項目建設(shè)周期中所有相關(guān)真實信息，不僅包括幾何信息，幾何信息是指建筑模型外部和內(nèi)部空間上的三維幾何表示，通常是基于參數(shù)化的三維構(gòu)件模型來表達，如梁的長度、寬度等。同時還包括非幾何信息，非幾何信息是除了幾何信息以外的其他信息總和，通常是指建筑模型中的參數(shù)屬性，如建筑材料的價格、材料類型、重量、進度等信息[4]。當前，BIM 技術(shù)已成為建設(shè)領(lǐng)域信息技術(shù)的研究和應(yīng)用熱點，BIM 的應(yīng)用價值已經(jīng)得到政府的高度關(guān)注和行業(yè)的普遍認可。然而，BIM技術(shù)應(yīng)用在民族建筑上的案例卻相對較少，利用BIM參數(shù)化建模功能，為所有建筑構(gòu)件設(shè)置參數(shù)，除了尺寸信息位置信息外，還能夠更詳細地將構(gòu)件材質(zhì)、功能等一系列信息添加到單個構(gòu)件中，能夠?qū)崿F(xiàn)對所有構(gòu)件進行實時查詢的效果。同時，將吊腳樓模型賦予動態(tài)施工模擬的功能，使吊腳樓的建造過程實現(xiàn)可視化，為吊腳樓的數(shù)字化保護提供支持。

3.1 苗族建筑的BIM建模

將前期繪制好的二維施工圖紙導(dǎo)入到Revit軟件中，建立共同的軸網(wǎng)，通過“拾取線”的方法實現(xiàn)模型的快速建立，并將吊腳樓所有的木結(jié)構(gòu)梁、板、柱等構(gòu)件與參數(shù)關(guān)聯(lián)，最終實現(xiàn)參數(shù)化建模，以此反映該建筑的真實信息。

因建模軟件的面向?qū)ο鬄楝F(xiàn)代建筑，在對苗族建筑進行繪制的時候難免會因造型復(fù)雜而難于繪制的問題。例如，吊腳樓的六角花柱，每根柱子都有六個角，并且柱子不同的位置尺寸不一，出現(xiàn)很多倒角，而軟件中現(xiàn)有的柱子滿足不了六角花柱建模的需求，因此就需要對特殊的構(gòu)件進行特殊建模。以繪制族的方式實現(xiàn)對六角花柱的繪制，以柱底為起始點，根據(jù)點云量取的尺寸，每個一定的距離繪制平面正六邊形，利用“融合”命令將不同面的正六邊形融合成一體，形成倒角，完成六角花柱的制作。六角花柱立面圖如圖7。

圖7 六角花柱立面圖

除了單體構(gòu)件的建模需要特殊處理以外，苗族建筑的結(jié)構(gòu)建模也十分重要。為了真實地反映苗族吊腳樓的結(jié)構(gòu)形式，需將整個建筑全部拆開，了解構(gòu)件與構(gòu)件之間的關(guān)系，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，木結(jié)構(gòu)吊腳樓大多采用榫卯連接的結(jié)構(gòu)形式，成百上千個柱與梁的榫卯形成了穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，然而，現(xiàn)代建筑卻多用鋼筋作為加固構(gòu)件的紐帶，對吊腳樓在進行建模時，構(gòu)件連接處的真實性合理性也需要在BIM模型當中體現(xiàn)出來，因此，需要將存在榫卯關(guān)系的構(gòu)件進行特殊處理，以達到最終目的。梁柱榫卯連接圖如圖8。

圖8 梁柱榫卯鏈接圖

在建模過程中，單個青瓦片的繪制、瓦片群的造型、苗族特色木門窗的繪制、樓梯與樓板的搭接方式、椽片與檁條的固定等都是建模的難點。最終將苗族吊腳樓的BIM模型繪制完成，吊腳樓三維BIM模型如圖9。

圖9 吊腳樓三維BIM模型

3.2 動態(tài)施工

通過現(xiàn)場調(diào)研、查閱資料的方式整理吊腳樓的施工工藝，獲取一套完整的施工流程。苗族建筑施工流程圖如圖10。將吊腳樓BIM模型與Navisworks Manage鏈接,編制施工進度計劃表，在編制進度表的時候應(yīng)具體到每一個構(gòu)件，同時保證施工順序的準確性，以施工進度表為基礎(chǔ)對模型構(gòu)件進行施工順序編排，并對每一項施工工藝進行說明，完成整個吊腳樓的動態(tài)施工模擬。動態(tài)施工模擬如圖11。苗族吊腳樓的動態(tài)施工能夠直觀地將其建造過程展示出來，指導(dǎo)現(xiàn)實中吊腳樓的施工，結(jié)合二維施工圖紙，形成完整的苗族吊腳樓施工工藝數(shù)字化保護。

圖10 苗族吊腳樓施工流程圖

圖11 動態(tài)施工模擬

4 結(jié) 語

民族地區(qū)的特色建筑是值得保護和再次開發(fā)利用的，本文提出的數(shù)字化保護方案能夠為民族地區(qū)的建筑遺產(chǎn)保護提供支持。利用三維激光掃描技術(shù)對建筑、建筑群以及場景進行原貌復(fù)制，利用BIM技術(shù)對民族建筑進行參數(shù)化建模、圖紙繪制，并通過動態(tài)施工模擬的方式實現(xiàn)民族建筑施工工藝的可視化保存，一系列工作成果能夠基本達到對民族建筑數(shù)字化保護的目的。在保護的同時，也應(yīng)當注重科學(xué)合理地開發(fā)，將特色民族建筑作為旅游資源，通過旅游開發(fā)的方式促進民族地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。

[1] 王水明.地面三維激光掃描技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用[J].裝備技術(shù)，2017(1):1．

[2] 劉鵬.三維激光掃描技術(shù)在異性建筑玻璃幕墻中的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017(3)：26.

[3] 鄭華海，劉勻，李元齊. BIM技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].結(jié)構(gòu)工程師，2015(4):233-239.

[4] 程歆琛.BIM技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用研究[D].長春：長春工程學(xué)院，2016.

(責任編輯 王楠楠)

Digital Protection of National Architecture in Dawan Miao Village, Songtao County, Guizhou Province

PENG Yong-peng, ZHANG Qing-gao, XIAO Xiao-wei, Ayiding, MA Hong

(Shool of Civil Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

In order to improve the accuracy and effectiveness of the Miao building protection, a Miao building digital protection method is put forward in this paper. Taking the Miao Diaojiao buildings in Dawan Miao Village, Songtao Miao Autonomous County, Tongren City, Guizhou Province as the research objects, we use 3D laser scanning technology to collect the three-dimensional point cloud data of the Diaojiao buildings, and then extract the information such as size and style of node from the point cloud. Meantime, we draw the 2D construction drawings to establish the complete and standardized drawing sets. Supported by BIM and construction drawings, we parametrically model the Diaojiao buildings. By the dynamic visualized construction simulation to analyze the construction technology of Diaojiao buildings, it shows the construction process intuitively. We make Dawan Miao Village digital protection possible by the three-dimensional point cloud, construction drawings reverse design and dynamic construction simulation.

Diaojiao building; 3D laser scanning; reverse design; BIM

2017-01-19；最后

2017-03-25

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DC201501040101)。

彭永鵬(1989-)，男，山東高密人，助理工程師，主要從事民族建筑數(shù)字化保護研究。

2096-1383(2017)03-0253-04

TV17

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