基于多源數據的既有古建筑數字化建模技術

余芳強 陳 菁 谷志旺

1. 上海建工四建集團有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建與持續利用工程技術研究中心 上海 201103

1 工程概況

上海玉佛禪寺大雄寶殿作為優秀歷史建筑，重建于民國時期，是寺院建筑的主體部分。由于歷史久遠導致原始圖紙缺失，故為避免結構老化、損毀，對于此類古建筑的保護需要建筑物準確完整的數據，目前利用傳統的測繪、照相等方式收集、歸檔圖紙、影像等資料，其準確性和整體性存在一定的局限。本工程對大雄寶殿具體采用BIM技術、Faro Focus3D地面三維激光掃描、航拍傾斜測量等方式進行多源數據建模[1]，實現對其高精度的數字化保存，為古建筑的修繕工作提供了準確的工程信息。

本文針對建模對象的特點，采用合適的建模方式獲取三維數字模型，實現對既有建筑外圍環境和內部房間結構掃描的三維重建方法，解決單一方式無法兼顧建筑外部龐大的數據量和內部高精度細節的問題。對不同精度的數據源所建立的單獨模型進行整合，重建了大雄寶殿的三維模型，并將建立的模型在施工方案策劃、進度管理和遠程輕量化查看等場景中進行實際應用，驗證該建模方法的適用性和價值。

2 既有古建筑原始數字模型創建方法

對于玉佛寺大雄寶殿這類古建筑，通過單數據源不能提供建筑物的完整信息，本研究針對不同建模對象分別應用了BIM軟件建模、三維激光掃描、航拍傾斜測量等技術進行原始模型創建。

2.1 應用BIM技術創建主體結構和施工措施數字模型

根據工程測繪圖紙，應用BIM軟件對大雄寶殿主體結構進行建模。在此模型的基礎上，根據施工方案具體建出地磚、青磚基礎、下托盤梁、托換裝置及平移頂升設施的模型（包括千斤頂、支撐鋼管等，圖1）。

圖1 BIM模型

通過BIM模型可以有效地進行施工模擬，輔助現場的施工，確定最佳的施工方案，對進度計劃的制訂及執行進行復核及修正。

通過對古建筑的結構體系與組成構件的研究，發現中國古建筑最顯著的一個特點就是建筑上的模數制和定型化。各構件的尺寸與模數都有一定的比例和關系，BIM技術可以為古建筑構件的參數化提供技術支撐。根據這個特性，本工程具體對BIM軟件建立的模型構件如斗栱進行參數化研究，利用古建筑構件的常規數據庫找到參數化古建筑工程快速建模的方法。

帶斗栱的宮殿式建筑，以“斗口”為基本模數[2]，所有建筑構件又根據該斗口模數按照一定比例制作而成。拆分斗栱的組成部分，對每一個組成部分建族。根據古建筑木作營造技術，規定斗栱各構件的長、短、高、厚尺寸以及比例關系，建立單個構件BIM軟件族[3]，分析每個組成部分，將構件外邊構造轉換成數值，分析該數值得出關系式將其公式化，并使每一個尺寸均以斗口為基數進行參數化控制，注意單個構件建立時，以基準線為參照[4]。將單個族嵌套進斗栱族中組合，利用每個部分之間的關聯參數“斗口”，將所有參數相關聯，使斗栱族全局參數控制幾十個嵌套族。

斗栱由斗栱構件豎向疊加而成，嵌入族彼此之間通過放置高度關聯參數，以及彼此之間的位置關系來定位（圖2）。

圖2 參數化斗栱族

2.2 應用三維激光掃描技術創建建筑外立面及室內裝飾數字模型

針對古建筑，適合應用三維激光掃描技術進行建模的內容包括：

1）整體建筑外立面：古建筑外立面及屋頂風格特殊，結構以及構件種類較多，參數化正向建模困難，適合采用三維激光掃描等逆向建模方法。另外，針對空間拓撲關系復雜、構件之間形成互相遮擋的問題，在逆序建模時先將點云封裝成面片，之后對面片進行空洞修補，包括內部洞、邊緣洞等數據空洞。

2）建筑內部裝飾構件：玉佛寺等既有古建筑內部包含雕像、廊柱、佛臺、墻壁浮雕、屋頂壁畫、屋頂特殊造型以及古建筑榫卯結構橫梁、立柱等，適合采用三維激光掃描技術。但為兼容數據完整性和輕量化目的，我們采取“先總體后局部”的數據采集方案，先對大殿內部框架結構進行全景精細掃描，之后針對佛臺、墻壁浮雕、屋頂壁畫等進行限制范圍的高精度掃描，以保證數據完整，同時盡可能減小數據量。

針對古建筑的三維激光掃描模型處理工作[5]，本研究還進行了以下創新：

1）采用基于對象特征的點云匹配技術[6]，對經過特征匹配后的數據進行精確ICP最近點迭代計算，提高數據配準精度，同時節省了一定的處理時間，且達到了與基于標靶球匹配的同等效果。

2）對于不規則的曲面采用NURBS曲面建模，對于多種類、不規則構件則制訂相應的建模準則，特殊型構件利用點云數據直接生成面片模型并進行適當雕刻，對于普通型構件則利用既有模型進行參數化修改完成。

3）將不同類型的構件分為特殊型和普通型，對不同類型的構件采用不同的模型重建方法，大大節省了建模時間，并且保證了數據的高精度與真實性。

2.3 航拍傾斜測量建模技術

既有古建筑經常出現四周空間狹小，且沒有可利用的建筑能從屋面的平視視點對屋面進行掃描，若從地面對屋面進行激光掃描，則難以獲取屋面精確的點云模型，因而適合利用傾斜測量技術進行建模[7]。另外，針對古建筑周圍環境或周邊建筑的初略建模，應用三維激光掃描技術工作量大、成本高，適合通過傾斜測量技術進行大規模成圖，快速建模，來反映建筑物周邊的真實情況（圖3）。

圖3 利用傾斜測量技術對大雄寶殿周邊環境建模

本工程使用PhotoScan攝影三維建模處理軟件對拍攝的照片進行數據處理，軟件根據航拍照片的坐標、高程信息、相似度自動排列，通過導入影像POS數據或控制點對數據進行定向并提取帶有坐標信息的點云模型，分類點云定制幾何重建，快速生成三維模型的線、面、體，并通過對獲取的影像進行可視化處理，賦予三維模型材質紋理。

3 基于多源數據的模型融合技術

在綜合考慮各類三維模型處理軟件的優缺點之后，本研究采用3DS Max軟件進行多源數據的融合，包括BIM模型、點云模型、傾斜測量模型等。模型融合工作包括多源模型的基點調整、比例協同、格式選擇和模型精度協調，其中難度在于模型格式選擇和精度協調。

3.1 模型格式選擇

BIM模型可以通過dwg和fbx這2種格式導入3DS Max軟件中，但因通過fbx格式輸出會生成很多面和點，導致在3DS Max中場景不流暢，故本工程將已有BIM軟件模型進行拆分、篩選，將需要的部分以dwg格式按圖層進行多邊形網格導出，在3DS Max中將顏色和材質導入dwg格式文件，并保留BIM軟件模型中相關構件的屬性，如需在3DS Max中修改相關構件屬性，需將構件上的材質去除，使用UVW移除可實現此操作，即可在3DS Max中對相關構件進行材質、顏色的修改。

3.2 模型精度協調

利用BIM軟件建模的模型，細節精度較低，色彩還原度差；而三維掃描模型由大量的點云形成復雜曲面，未經簡化的模型構件的面片數高達千萬面。對點云模型進行輕量化研究，將2種精度的模型進行處理后整合統一至同一平臺。

1）點云降噪，在對實測點云數據數字幾何處理及應用之前，必須對點云進行濾波降噪處理。降噪的目標是在保持點云模型采樣表面的拓撲特征以及幾何特征的前提下，有效剔除噪聲并重建原有光滑表面。

2）點云模型封裝為面片模型，原三維掃描模型得到的文件格式是pts，實際內容是大量點陣。在模型處理階段主要是對模型面片進行編輯，因此需要將降噪后的pts點云模型封裝成面片模型。在本平臺中選擇的中間格式是obj面片格式文件。

3）根據算法減面，MeshLab面角度減50%，線角度減50%。

4 應用驗證

在玉佛寺大雄寶殿保護修改工程中，本研究應用基于多源數據創建的數字化模型，實現平移頂升方案模擬以及施工過程監控管理等工作。所獲取的三維模型根據精度的不同在工程中的應用也有所不同。

4.1 平移頂升施工方案模擬

大雄寶殿建設年代久遠，結構老化，木柱及墻體出現不均勻沉降情況，這會造成施工質量問題并導致安全隱患。本工程體量雖然不大，但平移頂升工藝的特殊性需在每個施工階段都表現其具體的工況。

通過三維掃描獲得大雄寶殿外立面和內部佛像等的模型，通過傾斜測量獲得大雄寶殿屋頂和周圍模型，通過BIM軟件建立建筑基礎結構構架與施工措施模型，對其進場前的現狀、保護性落架建立模型。通過3DS Max對多源數據模型進行整合，保存為fbx模型。然后在Navisworks中進行施工過程模擬，包括對第1次土方開挖工況、靜壓樁施工及上部結構加固工況、木柱托換工況、第2層土方開挖工況、下滑道梁施工工況、整體平移工況及頂升工況依次進行施工模擬，確定了平移頂升施工的專項方案及工期計劃。

4.2 施工過程監控管理平臺

我公司自主研發的針對建筑物平移頂升的遠程智能監控平臺，通過物聯網技術實現對設備運行狀態、施工狀態、安全監測等各類數據的集成，并與BIM模型進行整合，形成移位全過程信息化模型，基于云計算、WebGL等技術對施工過程進行遠程實時動態虛擬展示，實現對平移頂升全過程的遠程監控、多維度分析預警和4D展示。該平臺將融合后的模型在網頁端進行渲染，并與監測數據結合，實現數據驅動的施工過程仿真模擬。該平臺支持在網頁端、手機端隨時隨地通過三維可視化窗口來了解施工狀態、平移頂升情況和預警信息（圖4）。

圖4 遠程智能監控平臺

5 結語

本研究針對既有古建筑特點，研發了一種基于多源數據的數字化建模技術，通過應用實踐總結，得出以下結論：

1）利用BIM、三維激光掃描、傾斜測量等技術分別對既有古建筑的結構體系、外立面和內部裝飾、屋頂創建原始模型，并通過多源數據融合技術，重建了古建筑的完整模型，為既有古建筑的修葺、保護、修復提供精確的數字化信息。

2）基于多源數據形成的數字化模型的精細度和準確度可滿足既有建筑改造過程的方案模擬、施工過程監控與管理等需求，實現可視化、精細化的施工管理，提升既有建筑改造、升級、加固的施工效率和管理水平。