基于點云數據與BIM的古建筑三維信息表達方法研究

石力文，侯妙樂，胡云崗，李愛群，解琳琳

（1. 北京未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044；2. 北京市建筑遺產精細重構與健康監測重點實驗室，北京 100044；3. 代表性建筑與古建筑數據庫教育部工程中心，北京 100044）

古建筑承載著悠久的歷史和燦爛的文明，是人類智慧與勤勞的結晶和共同財富。作為物質文化遺產的重要一部分，古建筑具有不可再生性，一旦遭到破壞，將會成為永遠的遺憾。由于受戰爭、地震等自然因素和旅游開發等人為因素的影響，這些歷史悠久的建筑文化遺產隨著歲月的流逝正遭到不同程度地損壞。以阿富汗最古老，最高的立式佛像之一的巴米揚大佛為例，阿富汗戰爭爆發以來，文化遺產遭受破壞的情況非常嚴重，佛像在2001年3月被炸毀，因此在不損傷文物的前提下實現遺產信息留取與保護修復迫在眉睫，對中國古建筑進行三維數字化保護是對中國建筑精髓傳承的重要手段，不僅有利于記錄古建筑的構造形式和歷史、文化和科學價值，更能對古建筑修繕保護提供精準的數據支撐。

由于建筑遺產數量龐大，年份久遠，記錄檔案與歷史資料難免出現缺失，傳統的文物三維信息采集主要依賴皮尺等簡易的工具、手工繪圖和記錄，測繪成果因人而異，詳略不一，成圖精度也較低[1]。近年來，伴隨著現代技術的快速發展，全球定位系統（GPS）、數字攝影測量、三維激光掃描等技術以無損、高效、高精度等優勢成為當下建筑遺產數字化留取的有效手段；而CAD二維線劃圖、點云模型、建筑信息模型（BIM）、正射影像等成果表達方式也為古建筑數字化保護中存在問題提供了有效的解決方法。李舒靜[2]針對GIS技術展開重點研究，從服務文物保護工作層面出發，肯定了BIM技術可以彌補GIS技術在建筑單體、建筑構件層次的不足，提出了“類型樹+結構樹”的新型信息采集方法。王茹[3]團隊側重于BIM技術在文物建筑復原工作中的應用，在基于BIM技術的文物建筑模型的參數化研究方面取得了一定的成果，上述兩種方法都未考慮將點云數據與BIM技術相結合的應用。劉茂華[4]基于點云數據，利用Revit軟件，通過IFC標準連接，將BIM數據與三維GIS數據融合，實現了室內、外三維一體化模型的構建，主要側重于現代建筑室內、外環境的融合，針對建筑本體細節的研究較少。上海玉佛禪寺修繕與改擴建工程中采用了Revit建模方法，這是在BIM技術平臺上結合三維激光掃描和3D GIS數字化城市技術對古建筑修繕與改擴建全過程服務的一次創新性嘗試[5]，但缺少針對古建筑構建“族”模型庫的完善，未考慮古建筑系統化管理的問題。

面向古建筑信息留取、表達和管理的迫切需求，針對目前古建筑數字化保護工作中存在的信息缺失、信息共享性差、缺乏科學化管理等關鍵難題，本研究結合現代數字化技術在古建筑保護中的優勢，提出了一種基于三維激光掃描技術和建筑信息模型（BIM）技術的古建筑信息有效表達方法，并通過進一步的實例驗證了本文方法的可行性與有效性。本文的研究成果可為古建筑遺產的歷史數據數字化留取和三維信息表達提供重要參考。

1 古建筑數字化保護技術分析

在傳統的古建筑測繪中，通常利用標桿、鋼尺和水準儀手工量取建筑物平、立、剖面特征點的位置以及相應的特征線的距離，測量方法為“以點概面”，靠肉眼判讀記錄，進而利用古建筑設計和現狀的幾何關系繪出線性特征圖[6]。一方面，針對復雜異構的古建筑，空間特征描繪不準確，往往沒有實際依據，僅憑觀測；另一方面，對于較高的建筑，測量難度高，不可避免存在人為踩踏等行為對古建筑造成破壞，測量的效率和精度也顯著降低。傳統測繪由于測量和表達方式的限制，很難確切地記錄古建筑的現狀，隨著近年來科學技術的不斷發展，各種數字化技術相繼出現，這些技術發展并完善了古建筑信息留取手段（圖1）。

圖1 古建筑數字化及三維建模關鍵技術（來源：作者自繪）

1.1 三維激光掃描技術在古建筑保護中應用的優勢

對于古建筑數字化幾何模型的構建，目前比較成熟的是三維激光掃描技術，它是一種利用激光脈沖對物體表面進行掃描從而獲取其表面特征信息的技術。該技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數據，具有安全性高、精密度高、效率高、應用前景廣等特點[1]，而且經濟高效。此外值得注意的是，其輸出文件與CAD、三維建模等軟件存在成熟接口，可實現數據的高效轉換，相比傳統的采集模式，古建筑信息能夠得到更為全面、詳盡的留存[7]，同時也降低了工作人員的工作強度和難度。因此，三維激光掃描技術被廣泛應用于古建筑數字化保護領域，尤其是它非接觸式的測量的手段，遵循最小干預原則，滿足了古建筑保護的核心需求[8]。它的出現使古建筑測繪數據的獲取實現了從傳統的單點獲取方式向快速的、大規模的自動化獲取方式的轉變。

利用三維激光掃描儀對物體進行數字化，得到的物體表面大量點的三維坐標的集合稱為點云數據[9]。點云數據經過去噪、平滑、配準等預處理，可以重構古建筑的三維模型。將三維激光掃描技術應用于古建筑信息留存保護，憑借掃描儀毫米級的點間距以及每秒百萬點級的采集速度，使古建筑信息的數字化建檔工作更加精確和高效，信息可視化成果也更加生動具體。

1.2 建筑信息模型技術在古建筑保護中應用的優勢

建筑的信息化是行業發展的趨勢，以建筑信息模型（building information modeling, BIM）技術為代表的空間信息技術的應用已成為關注的熱點，其特征就是運用信息技術，創建和使用信息模型，從信息維度對建筑全生命周期實現映射、控制和管理[10]，目前已經成熟應用在建筑設計和建筑管理等領域。在過去的文化遺產保護中，CAD技術的普及和推廣改變了傳統的手工繪圖的方式，可以說是遺產保護領域的第一次數字革命。而現在，BIM模型的出現將引發第二次數字革命[11]。在這樣的背景下，如何使其更好地為建筑遺產保護提供可能，是BIM技術本身，也是建筑遺產保護領域需要積極探討的問題。

古建筑的建筑整體是以各個建筑構件組合起來的形式搭建的特點與BIM技術中以“族”模型相搭建的形式建立模型高度契合[12]，BIM中的“建筑生命周期管理”思想與遺產保護實踐需求高度契合，將BIM技術應用于古建筑數字化保護可以說具有多方面的優勢。

(1)在數據記錄方面。傳統的CAD制圖常用來記錄古建筑的二維信息，二維圖紙信息缺少直觀性、系統性與可繼承性；常用的三維模型手段，如3ds Max、Sketch Up模型，具有強大的效果展示和模型渲染能力，但是針對古建筑的信息留取，其只具備“形”，而沒有可服務于應用的“信息”；在BIM建模過程中，根據平面、立面上的一些簡單操作可直接建立三維模型，這與二維數據記錄相比，省去了繁瑣的步驟，也更加全面和規范化。在某種程度上，BIM可以看作是文物建筑的數字化、信息化過程，能夠將建筑遺產的隱含信息，包括歷史信息、人文信息等表達出來。

(2)在數據共享方面。BIM模型可說是各種“族”模型的組合體，在相同形制的古建筑構建過程中，創建一類相對固定的古建筑樣式，如斗拱、梁、柱、屋頂，甚至整個梁架結構體系，通過調用固定樣式的族文件，修改屬性中預先設定的族參數就可以形成不同尺寸的構件。這樣的模型數據共享，不僅節省了建模時間，還有助于對古建筑不同的構件進行整理分類，使這些族可以像“基因”一樣存入古建的“基因庫”中，并不斷被豐富與完善。

(3)在數據統計方面。BIM建模過程中，可以對一個族或者實例定義相關的屬性，如結構類型、材料、體積等，通過建立一個相關種類的明細表，可以系統地得到某一個類型下的所有族或者實例的屬性信息。將BIM技術引入古建筑保護的領域，為解決目前古建筑保護工作中缺乏科學化管理等問題打開了一條創新之路。

總得來說，BIM技術的應用對于實現古建筑保護系統化管理，提高古建筑數字化保護的科學技術水平，促進古建筑保護全面信息化和現代化，具有巨大的應用價值和廣闊的應用前景[13-14]。

1.3 BIM結合三維激光掃描技術在古建筑保護中應用的優勢

根據原始數據的獲取來源，BIM模型構建主要有兩種方式，第一種針對建筑設計與施工，即在建筑的設計階段根據設計圖紙建立BIM模型；第二種針對現有建筑的“實景復制”，采集現有建筑的數據，并進行三維建模[15]。本文所面向的古建筑數字化保護需求，常常因圖紙缺失或常年累月的變形無法獲取準確數據信息，主要采用第二種方式開展。

BIM技術建模能夠清晰地表達建筑物內部結構以及各部分的銜接關系，結合三維激光掃描技術，基于點云數據創建BIM模型，避免了在缺失圖紙情況下過多的人為干預造成二次精度損失的問題，高精度的點云數據也能夠確保構件位置和尺寸信息的準確性，解決如何利用BIM技術實現建筑物現狀信息表達的問題。綜上所述，三維激光掃描技術和BIM技術相結合是一種全新有效的古建筑數字化保護方法。

2 模型與模型化表達方法

我國建筑遺產種類繁多，材質和構造形式多樣，對各類建筑遺產的信息進行全面的數字化表達面臨著嚴峻的挑戰，借助現代科學研究方法中的模型作為一個“中介”來承載古建筑的內在信息可以作為一種行之有效的解決手段。

精確全面的三維數字化信息留取是模型表達的前提，對于古建筑模型來說，模型的精細程度越高，所需獲取的數據量越大，對硬件的要求較高，同時也增加了文保工作者的信息管理難度。近年來“模型化”概念的提出為上述矛盾提供了解決方法，其基本思想是通過建立以及研究模型的方法去把握了解事物[13]。如今隨著現代科學研究中需要廣泛運用各種模型，“模型化”已經成為現代科學認識中的一種極為重要的認知和思維方式。構建古建筑的信息模型，也可以說是一個“模型化”的過程，將古建筑看作原型客體，根據研究、展示、維護、管理等具體需求，來構建符合需要，能反映建筑本質特征和建構邏輯的信息模型[16-17]，而不是一味追求表面特征，將所有的信息都通過同一種固定的方式表達。

2.1 點云模型表達古建筑細節

為了表現古建筑模型真實的現狀模型，通過處理三維激光掃描技術獲取的高精度點云數據而構成的點云模型（圖2）具有不可替代的優勢，但點云模型主要解決了建筑物的空間信息，建筑遺產還存在材質構造、年代、變形、殘損、特殊痕跡、干預過程等屬性信息，需通過其他技術方法和手段分析和表達。

圖2 古建筑細節點云模型（來源：作者自繪）

2.2 BIM模型化表達古建筑信息

針對一些復雜異構的古建筑，內部一般存在著涉及不同構造形式與作用的構件，包括我國所特有的通過榫卯結構結合的部位，這些細節通過點云數據表達往往需要耗費大量的人力與時間。而從模型化的角度，不僅可顯著提高建模效率，也便于規范化、系統化地管理一類具有相同特性的構件，當遇到相同形式的構件時，只需直接調用古建筑構件庫中的已有模型，修改屬性即可完成，如圖3所示為清式斗拱庫，圖4為宋式斗拱庫。

圖3 清式斗拱庫（來源：作者自繪）

圖4 宋式斗拱庫（來源：作者自繪）

值得注意的是，在以往的研究工作中，通常以二維圖紙為基礎進行記錄和管理，構件信息的記錄大多停留在紙質文檔或電子文件的形式，文件之間缺少聯動性，缺少與構件幾何信息相關聯的非幾何信息的記錄，往往無法對各構件信息進行海量檢索等[2]。通過BIM平臺，可以實現模型參數化，實現模型可視化與信息儲存的統一（圖5）。因此利用BIM技術構建三維模型，通過參數化形式實現構件具尺寸、材質等屬性信息的表達，可為古建筑的構造方式與內在價值研究提供重要的參考依據。

圖5 構件模型參數化的實現（來源：作者自繪、自攝）

3 實例與分析

3.1 點云數據獲取與處理

本文以某仿古亭子為例，采用Faro focus 3D相位式三維激光掃描儀采集其表面的三維點云數據，經過數據處理，基于亭子的點云數據在Autodesk Revit軟件平臺建立BIM模型，實現該仿古亭子的三維信息留取與表達。儀器主要參數指標如表1所示。

表1 三維掃描儀器主要參數指標

本實驗通過對亭子的內部和外部多測站掃描，共獲取了6站點云數據，包含其全方位的細節信息，然后對點云數據進行去噪、配準、重采樣等處理（圖6），即可建立亭子完整的點云模型，如圖7所示。進一步可通過直接將點云模型進行三角網封裝，經過補洞與優化等處理，最終得到可用于精確展示細節的不規則三角網模型。

圖6 點云數據處理流程（來源：作者自繪）

圖7 亭子點云模型（來源：作者自繪）

3.2 BIM模型的建立

基于點云數據的BIM模型建立過程主要包括鏈接點云數據、建立“族”模型、建立注釋符號圖元、建立完整模型以及添加屬性信息（圖8）。

圖8 基于點云數據的BIM模型建立流程（來源：作者自繪）

(1)鏈接點云數據。點云數據經處理以后，首先利用Revit Recap軟件將點云模型轉換為后綴名為＊.rcp或者＊. rcs的點云項目或點云項目索引格式；然后將點云數據作為參照鏈接插入到Revit項目中，為“族”庫以及最終完整模型的建立提供科學的參照依據。

(2)建立“族”模型。“族”是針對建筑構件來說的，它的建立能夠使我們從宏觀的角度認識某一特定類型的建筑構件全貌，并更直觀地展現某種構件的各種分類形式。由于古建筑的各個構件與現代建筑不同，如圖9所示的斗拱，Revit族庫中的基本樣式大多不適用于古建筑中，因此，這些特殊的構件都需要我們自己創建“族”來實現（圖10），進而構成規范化的古建筑族庫，服務于后續古建筑模型的建立。

圖9 斗拱“族”模型（來源：作者自繪）

圖10 古建筑“族”模型建立流程（來源：作者自繪）

(3)建立標高與軸網。標高主要是用來確定建筑本身高度的信息，如層高、室內外高差等，用作屋頂、樓板和天花板等以標高為主體的圖元的參照。軸網是建筑制圖的主體框架，建筑物的主要構件按照軸網定位排列。如圖11為基于亭子點云模型建立的標高與軸網，它們是BIM整體模型構建的基礎。

(4)利用scan to BIM插件識別平面。在所需識別的平面內選擇3個以上像素較好的點，通過改變Shape Tolerance和Closeness Tolerance值來調整生成的平面至其與點云完全吻合。

(5)建立完整模型。把族模型加進項目中之后，就可以根據點云信息以及標高軸網的約束，將構件放置在墻上，通過創建類似實例以及偏移、鏡像等功能，可以復制多個構件滿足要求。最終將各個構件連接，實現完整的BIM模型建立（圖12）。

圖11 建立標高與軸網（單位：mm）（來源：作者自繪）

圖12 亭子完整BIM模型（來源：作者自繪）

(6)添加屬性信息。構建屬性索引，將古建筑模型與古建筑全生命周期信息相關聯（圖13）。屬性信息是BIM模型所特有的，也是將BIM技術應用于古建筑數字化保護的重要一步。

圖13 古建筑全生命周期屬性信息（來源：作者自繪）

3.3 分析結果

通過上述實驗, 可以分析出以下結果：

(1)通過三維激光掃描技術，處理得到的高精度點云模型可以表達古建筑的真實現狀信息，對于古建筑三維信息留取與展示、整體監測起著舉足輕重的作用。通過BIM技術構建的三維模型可以記錄與統計屬性信息，便于古建筑三維信息管理與信息共享。

(2)基于點云數據的BIM模型構建具有可行性，尤其是在建筑遺產保護領域，點云數據可彌補古建筑BIM模型構建中圖紙缺失的不足，BIM模型為屬性信息管理提供重要手段。

(3)三維激光掃描技術和BIM技術相結合的古建筑信息表達方法，可以實現古建筑整體和構件的系統化、規范化和科學化管理。

4 結論

本文面向古建筑數字化保護中的關鍵難點問題——系統、科學地對古建筑三維信息進行留取與表達，分析并結合現代數字化保護技術在古建筑保護領域的應用優勢，提出了一種基于三維激光掃描技術和建筑信息模型（BIM）技術的古建筑信息有效表達方法，并通過仿古亭子的實例，實現了基于點云數據建立BIM模型表達古建筑全生命周期信息，驗證了該方法的可行性。本文方法可為建筑遺產的數字化留取、系統化表達和科學化管理提供重要參考。