基于BIM的歷史建筑信息采集與數(shù)據(jù)處理
——以翟雅各健身所為例

■ 中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司 李杰 許穎

信息采集與數(shù)據(jù)處理是歷史建筑保護(hù)與修繕工程必須進(jìn)行的基礎(chǔ)工作。歷史建筑的信息采集包括對(duì)其歷史、本體、環(huán)境及使用情況等項(xiàng)目采集與記錄，其實(shí)施手段和獲取到的數(shù)據(jù)類型均較為多元?！锻崴箲椪隆返谑鶙l指出：“一切保護(hù)、修復(fù)或發(fā)掘工作永遠(yuǎn)應(yīng)有用配以插圖和照片的分析及評(píng)論報(bào)告這一形式所做的準(zhǔn)確的記錄。清理、加固、重新整理與組合的每一階段，以及工作過程中所確認(rèn)的技術(shù)及形態(tài)特征均應(yīng)包括在內(nèi)?！睋?jù)此，國(guó)際古跡遺址理事會(huì)于1996年通過了《古跡、建筑群及遺址的記錄工作原則》，其中，對(duì)“記錄工作”有如下定義：“記錄工作是指在不同時(shí)間對(duì)古跡、建筑群及遺址的物理構(gòu)造、狀況以及使用的信息予以記錄，它是保護(hù)程序中重要的基礎(chǔ)步驟”。

如今，高科技手段正在讓記錄工作的方式變得更加多元，本研究整合傳統(tǒng)測(cè)量、無(wú)人機(jī)航拍、三維激光掃描及攝影測(cè)量技術(shù)，結(jié)合BIM技術(shù)及理念，以武漢市優(yōu)秀歷史建筑——翟雅各健身所為例進(jìn)行信息采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理，研究構(gòu)建三維模型及信息系統(tǒng)，以期對(duì)成果進(jìn)行統(tǒng)一管理與集成輸出，為歷史建筑的保護(hù)修繕提供可靠的依據(jù)，并成為歷史建筑的數(shù)字化永久檔案。

歷史建筑的信息采集

翟雅各健身所建筑基本情況

翟雅各健身所建成于1921年，由美國(guó)傳教士建筑師柏嘉敏（J.Van Wie Bergamini）設(shè)計(jì)，是一座典型的“中西合璧”建筑，其跨度為17米的鋼木桁架結(jié)構(gòu)，在當(dāng)時(shí)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。自建成以來(lái)，翟雅各健身所一直作為文華大學(xué)、華中大學(xué)、華中師范大學(xué)和湖北中醫(yī)藥大學(xué)的體育館，供師生及周邊社區(qū)居民使用。建筑將中式廡殿頂?shù)脑煨团c西式鋼木、磚石結(jié)構(gòu)體系相結(jié)合，是我國(guó)現(xiàn)存為數(shù)不多的基督教本土文化運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物實(shí)證。其設(shè)計(jì)建造遠(yuǎn)早于“中國(guó)固有形式”運(yùn)動(dòng)，是對(duì)中西文化融合的大膽探索與嘗試，對(duì)后來(lái)中國(guó)建筑民族主義風(fēng)格流派的形成具有啟迪、引領(lǐng)作用。

建筑中式屋面之下的西式鋼木桁架結(jié)構(gòu)，形成了獨(dú)具特色、高大空間的二層室內(nèi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，與二層之上的看臺(tái)共同構(gòu)成了極具震撼的內(nèi)部空間。建筑的柱礎(chǔ)、額枋、梁頭、雀替、欄桿等細(xì)部均采用中國(guó)傳統(tǒng)元素，與窗框、拱門、樓梯、圈梁一同采用當(dāng)時(shí)最為先進(jìn)的建筑材料、鋼筋混凝土進(jìn)行建造。因年久失修，建筑修繕前，由于屋面瓦件缺失等原因，漏水嚴(yán)重，桁架的木質(zhì)桿件糟朽腐蝕、鋼制桿件及連接構(gòu)件銹蝕，受力性能受到嚴(yán)重影響。混凝土梁、柱也出現(xiàn)裂縫，內(nèi)部鋼筋外露，碳化銹蝕嚴(yán)重。墻面由于雨水侵蝕、地下水毛細(xì)作用、植物孳生、自然老化及人為損壞等原因，出現(xiàn)不同程度的風(fēng)化、剝落和泛堿。門窗、室內(nèi)空間及場(chǎng)地環(huán)節(jié)也都存在較多問題，影響了建筑的使用，存在一定安全隱患。2015年—2016年，由中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司負(fù)責(zé)修繕設(shè)計(jì)，2016年底修繕工程完成。修繕后的建筑更名為“翟雅閣博物館”，成為“武漢設(shè)計(jì)之都客廳”，通過舉辦主題活動(dòng)、展覽、講座等活動(dòng)，成為推動(dòng)片區(qū)乃至整個(gè)武漢市文化發(fā)展的中心。

對(duì)翟雅各健身所的建筑信息采集

本研究通過傳統(tǒng)測(cè)量、無(wú)人機(jī)航拍、三維激光掃描和攝影測(cè)量等方法，對(duì)翟雅各健身所的建筑信息進(jìn)行了采集，包括歷史資料、建筑信息、運(yùn)維信息三個(gè)部分，以獲取包括建筑尺寸、全景、帶有地理坐標(biāo)的幾何尺寸與紋理信息和細(xì)部色彩紋理信息等數(shù)據(jù)。歷史資料，包括建筑基本信息、歷史圖紙、民國(guó)老照片、修繕前資料照片等；建筑信息，包括基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、細(xì)部數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)資料、材料資料、修繕工藝、施工記錄等；運(yùn)維信息，包括設(shè)備信息、管件信息、運(yùn)營(yíng)信息、展陳方案等。

（1）歷史資料的采集

通過對(duì)歷史檔案、相關(guān)書籍資料的整理，獲取了翟雅各健身所的原始圖紙、設(shè)計(jì)人員信息、使用過程信息、民國(guó)老照片、修繕前的資料照片等歷史資料，還原了翟雅各健身所的歷史發(fā)展過程。

（2）建筑信息資料的采集

其主要包括基礎(chǔ)測(cè)繪、無(wú)人機(jī)傾斜攝影、三維激光掃描、結(jié)構(gòu)及材料資料的收集、修繕資料的收集等方面的工作內(nèi)容。

基礎(chǔ)測(cè)繪。基礎(chǔ)測(cè)繪采用全站儀、測(cè)距儀、卷尺、攝影測(cè)量等傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，獲取了基礎(chǔ)尺寸數(shù)據(jù)和圖像紋理信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)采集與建模提供了定位基準(zhǔn)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和數(shù)據(jù)拼接連接點(diǎn)。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在傳統(tǒng)航拍技術(shù)取得正射影像的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行多角度傾斜拍攝，可為歷史建筑BIM建模提供參考數(shù)據(jù)支持。針對(duì)修繕后的翟雅閣博物館，本研究采用了大疆無(wú)人機(jī)“御”Mavic 2專業(yè)版，配備全向感知系統(tǒng)，采用QcuSync 2.0全高清數(shù)字圖傳技術(shù)，支持1080p高清圖傳。攝影選取了翟雅各健身所鳥瞰視角，各立面近景、遠(yuǎn)景等不同角度進(jìn)行環(huán)繞飛行，全方位對(duì)建筑外立面進(jìn)行信息采集，獲得了6.82G的照片和視頻數(shù)據(jù)。

三維激光掃描。三維激光掃描技術(shù)是一種無(wú)損無(wú)接觸式快速信息采集技術(shù)，精度高、速度快，且有顏色信息，還可以根據(jù)該點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接生成高精度模型，并可在模型上疊加顏色信息，生成精確的三維數(shù)字模型。該模型可以直接用作展示，也可根據(jù)模型運(yùn)用3D打印直接生成該構(gòu)件的三維實(shí)體。該項(xiàng)目利用天寶SX-10三維掃描儀生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，生成完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，并在相關(guān)軟件中對(duì)建筑進(jìn)行制圖與建模。

結(jié)構(gòu)及材料資料的收集。請(qǐng)專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)翟雅各健身所進(jìn)行了綜合性的結(jié)構(gòu)檢測(cè)，得到了包括構(gòu)件砼強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度、砼構(gòu)件碳化深度、砌體磚強(qiáng)度、砌體砂漿強(qiáng)度、基礎(chǔ)形式、鋼筋砼梁撓度、砼構(gòu)件及墻體損壞情況、承重墻體圈梁、砼構(gòu)件箍筋間距、砼構(gòu)件鋼筋配置、房屋傾斜情況、屋架撓度、木屋架構(gòu)件損壞情況、屋架間支撐構(gòu)件損壞情況、鋼木屋架墻內(nèi)支承長(zhǎng)度、二層木樓枕?yè)p壞情況、看臺(tái)木構(gòu)件損壞情況、一至二層墻體結(jié)構(gòu)、木屋架及支承結(jié)構(gòu)等在內(nèi)的結(jié)構(gòu)檢測(cè)報(bào)告。

修繕資料的收集。通過聯(lián)系修繕設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位，本研究獲取了翟雅各健身所的修繕方案、過程圖片及視頻、施工圖、施工記錄、修繕前后對(duì)比圖等信息。

（3）運(yùn)維信息的采集

本研究通過實(shí)地考察和圖紙、資料收集，采集到了設(shè)備、管件、門禁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等現(xiàn)行運(yùn)維系統(tǒng)的相關(guān)信息。

基于BIM的歷史建筑信息處理

基于BIM理念，本研究采集到來(lái)自不同時(shí)代的建筑信息、結(jié)構(gòu)信息、材料信息、特殊構(gòu)件、水電暖通管件信息、運(yùn)維管理信息和建筑的完損程度、修繕手段，都能夠整合在同一個(gè)既可進(jìn)行三維觀測(cè)又可進(jìn)行時(shí)空回溯，甚至能夠?qū)ξ磥?lái)進(jìn)行精確預(yù)測(cè)的“四維”模型內(nèi)。但由于軟件平臺(tái)的局限性和數(shù)據(jù)整合的復(fù)雜性，歷史建筑的信息處理面臨著軟件功能不匹配、數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)誤差等問題。

BIM信息處理特點(diǎn)

本研究使用Autodesk Revit及3D smax、Navisworks、Unity、Fuzor等軟件和平臺(tái)，結(jié)合橄欖山等相關(guān)插件，對(duì)收集到的歷史建筑信息進(jìn)行處理。在建模之前，需要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)尤其是點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步加工，以便于后續(xù)建模。目前，經(jīng)常使用的技術(shù)是需要把點(diǎn)云數(shù)據(jù)降為二維信息，容易造成數(shù)據(jù)信息的浪費(fèi)，也容易導(dǎo)致建模中的重復(fù)工作和不準(zhǔn)確性。通過BIM處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)完整的點(diǎn)云信息三維傳遞，能夠減少建模中的信息損失，有利于提高建模的經(jīng)度。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合到BIM中，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從而將數(shù)據(jù)納入建筑模型的坐標(biāo)系之中。在三維激光掃描過程中，偶爾會(huì)有不屬于建筑本體的數(shù)據(jù)點(diǎn)也被記錄在點(diǎn)云數(shù)據(jù)之中。在使用數(shù)據(jù)之前，需先檢查每站點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否有效完整，再對(duì)噪點(diǎn)、無(wú)效、重疊部分進(jìn)行刪減處理。

數(shù)據(jù)丟失問題的處理

在數(shù)據(jù)整合的過程中，由于軟件、插件直接不完全兼容，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失的問題?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，需要判斷模型中顯著不合理的地方，再在BIM軟件中進(jìn)行局部補(bǔ)充、調(diào)整與修改。

基于BIM的翟雅各健身所模型構(gòu)建信息整合

建筑主體模型構(gòu)建

本研究根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)，構(gòu)建翟雅各健身所的模型，總體流程為：創(chuàng)建項(xiàng)目基準(zhǔn)文件—場(chǎng)地建模、建筑建?！獔?chǎng)地、建筑模型初步整合—模型調(diào)整。

首先，將場(chǎng)地CAD文件通過鏈接的方式置入Revit軟件中，按照CAD中翟雅各健身所主體的軸網(wǎng)和標(biāo)高，以室外地坪的標(biāo)高（-0.200）為基準(zhǔn)在Revit軟件中進(jìn)行繪制參照文件，并在此基礎(chǔ)上開始場(chǎng)地模型的創(chuàng)建。

場(chǎng)地平面的建立，主要有以下兩種方法：一是按照CAD中的高程點(diǎn)在Revit軟件中拾取高程點(diǎn)來(lái)建立場(chǎng)地；二是依據(jù)場(chǎng)地地坪的標(biāo)高，采用分塊繪制樓板，并對(duì)其進(jìn)行拼接的方式來(lái)代替場(chǎng)地平面存在有高差的部分，通過繪制斜樓板來(lái)處理。

兩種方法相比較，第一種能夠更真實(shí)地反映場(chǎng)地的實(shí)際情況；第二種則能更直觀地表現(xiàn)地形的高差變化情況。考慮到建筑主體所處地形較為平整，周邊道路的高程點(diǎn)較為復(fù)雜多變，故此次采用第二種方法來(lái)建立場(chǎng)地。

場(chǎng)地中的擋土墻可分為兩類：一類為普通的擋土墻。繪制該類型時(shí)，確定擋土墻的底部約束和無(wú)連接高度可完成繪制；另一類為隨地形高差變化而產(chǎn)生的傾斜擋土墻。對(duì)于該類型，先在對(duì)應(yīng)的平面視圖中繪制普通的擋土墻，后在立面視圖中對(duì)其輪廓進(jìn)行編輯，確定斜向擋土墻起止位置的對(duì)應(yīng)高度并將其連接完成繪制。

目前，在Revit軟件中構(gòu)建建筑墻體有五種方式：使用幕墻命令、使用窗族方法、基于體量的填充圖案、基于線的常規(guī)模型、使用橄欖山插件。最終，翟雅各健身所使用了“窗族”的排磚方法，對(duì)建筑外墻進(jìn)行了較為精確的構(gòu)建。

這一方式的主要步驟為：確定砌筑方式—利用“窗族”建立基本磚塊—對(duì)磚塊進(jìn)行排列。這一方式的優(yōu)點(diǎn)是理解簡(jiǎn)單，500mm厚磚塊的砌筑方式能夠表現(xiàn)，門窗洞口都可以按照實(shí)際創(chuàng)建；其缺點(diǎn)是速度較慢，需要進(jìn)行多次手動(dòng)調(diào)整。

歷史建筑墻體樣式豐富多樣，根據(jù)砌筑方法不同，常見的有實(shí)心墻、灌斗墻和花式砌法墻；根據(jù)灰縫形式不同，有平縫、凹縫、斜縫和凸縫（凸矩形縫、凸圓縫又稱“元寶縫”）。同類型墻體又可以細(xì)分為多種建造方式，以實(shí)心墻為例，又包括全順、全丁、一順一?。ㄊ挚p、騎馬縫）、梅花丁、多順一丁、兩平一側(cè)等不同建造邏輯。

考慮到BIM傳統(tǒng)排磚插件無(wú)法滿足歷史建筑的個(gè)性化需求，研究擬開發(fā)專門性的歷史建筑排磚軟件，以實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程的精細(xì)建模和準(zhǔn)確算量。插件能夠提供常見砌法和灰縫樣式的選擇，提供不同共享參數(shù)（如設(shè)置磚的平面形狀、邊長(zhǎng)、厚度等參數(shù)）的定義路徑，并能夠統(tǒng)計(jì)砌體數(shù)量，導(dǎo)出清單表。

特色部位建模

翟雅各健身所的屋頂，是其最有突出價(jià)值的特色部位。此次建模使用了Revit軟件中基于體量填充圖案的方式建構(gòu)，具體分為以下四個(gè)步驟：建構(gòu)屋面體量；拉成三層（分別為檁條、望板、瓦屋面）；檁條由幕墻生成，望板由面墻、瓦屋面基于體量貼自制填充圖案族形成；建構(gòu)屋脊。

結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，模型還實(shí)現(xiàn)了歷史信息真實(shí)性的有效表達(dá)。翟雅各健身所使用的“阜成”清水紅磚、飾以龍紋的現(xiàn)澆欄桿和入口處的石質(zhì)門匾等歷史肌理，都在模型中做到了原樣還原。

多元信息整合

在信息整合階段，本研究將翟雅各健身所各階段的建筑信息融合在同一個(gè)BIM模型中，建筑修繕前的狀態(tài)、修繕措施、結(jié)構(gòu)加固信息、修繕前后的對(duì)比、機(jī)電信息等一目了然。結(jié)合傳感器，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)歷史構(gòu)件傾斜、偏移、受力等狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警和消防疏散的引導(dǎo)。

綜上所述，多樣化的歷史建筑信息，需要通過多元化的手段進(jìn)行采集，而對(duì)采集到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、使用，是歷史建筑測(cè)繪、建模的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。當(dāng)前，無(wú)人機(jī)、三維激光掃描等技術(shù)在建筑信息采集中已經(jīng)有了較好的應(yīng)用，結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行信息深度處理，能夠以集約化的手段，將各類信息整合，為歷史建筑的保護(hù)與修繕提供可靠的依據(jù)。