基于多種測量手段與BIM技術的古建筑虛擬重建

荊地 王瑞芳

（河南測繪職業學院 河南新鄉 450000）

隨著我國城市現代化的發展，城市建筑規模越來越大，而古建筑作為人們最直接接觸到的部分，也成為了大家非常關注和樂于研究的話題。在城市化不斷加快建設的進程中，不確定性因素增多且變得復雜多樣，在諸多不利影響下，使得傳統方法無法準確、快速地還原歷史事件原貌。目前，大多數建筑物都已經采用了模擬復原重建或者幾何重構技術來進行重建建筑，但是，由于這些手段造價昂貴、維護困難，并且存在安全隱患，導致很多古建筑難以使用和改造。所以，在現代化城市中，采用多種測量手段對古建筑進行重建是非常有必要的。

一些新興的測量技術的出現為解決這些問題提供了全新的思路，然而這些技術雖然有其優勢，但也存在著一定的局限性。無人機的航拍測量可以有效地獲取大場景的三維數據，但是卻沒有辦法獲取建筑的室內數據和建筑屋檐下的影像；三維的激光掃描技術可以開展室外和室內的相關數據的采集，但是其在數據量上是非常大的，所以測繪的成本也比較高；近景攝影的測量方式在技術上比較簡單，在精度上也比無人機高，但是卻不能獲得古建筑屋頂之上的數據。

20世紀90年代，BIM 技術開始進入人們的視野，BIM 技術發展得比較迅速，其顯著地提升了測量數據的實際處理能力和利用能力，并逐漸形成了一套從信息采集到信息庫建立的完整的流程。而且，該數據庫在建立之后，還在不斷地進行擴充和優化，這就使得其不僅可以實現針對古建筑的虛擬演示和數字化的管理，還可以和其他的軟件較好地對接，并直接地指導實際施工。

1 基于BIM技術的古建筑三維重建方法

1.1 基于BIM技術的古建筑三維重建原理

古建筑三維重建技術是一種以計算機為主的新方法，通過模擬古建筑的建筑施工現場，在傳統建造過程中，對建筑物進行三維立體實體建模。在傳統的建造過程中，建筑物主要是通過二維平面圖。利用現有技術對建筑進行三維重建，利用計算機模擬古建筑施工現場時，采用了多種多樣的虛擬復原方法，在古建筑施工過程中，采用了多種虛擬重建技術，并對建筑進行三維重構，從而使建筑物的整體構造更加合理。BIM 可以將空間、時間和人等信息有效地整合起來，通過虛擬重建模型，能夠快速、準確地反映出原始數據信息，并及時更新這些數據參數的變化趨勢及位置關系，還能直觀地表現出整個城市或區域的特征性、規律性及合理化程度，為后續建筑施工提供參考依據，同時也對后期的設計與管理水平提出更高標準的要求。

1.2 基于BIM技術的古建筑三維重建實例

對古建筑的三維重建工作中，采用了多種手段，例如，利用建筑構件進行建模，通過模型轉換功能，實現古建筑空間信息與時間、層數等數據量之間的相互轉化。

在傳統建造方式下進行建筑物平面設計時，往往需要將各個樓層間的空間和標高參數設置為一個獨立體，這樣就使得建筑物的不同部位存在一定的差異性影響，而造成不協調的現象嚴重。而且隨著高層建設規模不斷增大及城市環境復雜程度越來越高，傳統的建造方式已經無法滿足人們對于建筑質量和空間層次的需求，所以，就需要采用多種測量手段來進行古建筑的內部構造。

本文主要研究了利用BIM技術對城市中各個樓層間、標高信息進行三維重建，并得到所需數據。通過分析不同方法下建筑物結構和尺寸變化規律及計算結果，得出各層建筑面積與總高度之間的差值大小，從而為設計人員提供參考依據；然后，根據已有的建筑模型，對其空間位置及高程參數重新建立坐標系統，并給出三維重建流程圖，以方便后續工作，同時也為相關工作人員提供一種新的空間重建方式［1］。

2 虛擬重建技術在古建筑三維建模中的應用

2.1 古建筑三維建模

古建筑的三維重建主要是對其空間位置進行測量，在建筑模型中，需要把各個構件及建筑物之間連接起來，通過二維平面圖，將各部分元素直觀展示出來。在傳統的方法中，利用二維平面圖進行建筑模型重建，需要大量人力和物力等資源投入。而虛擬技術則是采用了計算機模擬、計算與仿真相結合的方式，對古建筑空間位置及內部構件之間的關系加以構建，通過虛擬重建的手段，可以有效提高古建筑空間位置及內部構件之間的關系，使建筑模型更加直觀、形象地展現出來。

2.2 虛擬重建參數確定

在進行古建筑的三維重建過程中，參數的確定是最基礎也是最重要的一個環節，確定好了參數之后，就可以用恰當及合理科學的方法來設計出更完美、更精確的模型。

通過查閱大量資料，發現關于古建筑建筑構件及其空間分布等方面信息，有很大一部分需要參考實物數據進行研究，進而才能得到準確的結論，所以，在研究過程中，需要采用多種手段來進行。通過對古建筑建筑構件和構造的分析，雖然可以得到許多有價值的信息，但是這些信息并不全面，例如，很多建筑存在著一些安全問題，這些都需要利用現代化技術與計算機等工具去解決。現如今，人們對于使用虛擬軟件所建設的空間關注度越來越高，也使用了許多的測量方式來建立這樣的虛擬空間。例如，利用多種測量手段，對古建筑建筑構件進行三維重建，并且可以將這些方法應用到實際的施工過程中來［2］。

2.3 古建筑三維模型的建立與計算

古建筑模型的建立是一個比較復雜、漫長且繁瑣的過程，在建造之前，要對建筑進行全方位的了解和熟悉。首先，從整體上把握整個城市中各部分建筑物及其周圍環境；其次，根據建筑物自身特點，確定每個部位的具體位置及功能區域劃分，并以此為依據來選擇合適的材料、尺寸等參數；最后，按照建筑結構設計圖紙的要求，將各個樓層聯系起來，形成一個三維模型（CAD）系統。在進行建筑模型建立時，要對建筑物的實際情況進行充分考慮，根據具體數據來確定其空間位置、高度、方位等參數。

2.4 古建筑的表達

在城市景觀中，建筑的表達方式多種多樣，包括靜態、動態和混合等。古建筑本身就是一個三維空間體，其主要表現形式為點與線相結合的形態結構特征形成具有一定立體感的物體，并且能夠滿足人們需求功能上要求所呈現出的不同形狀或者尺寸關系等，同時還包括建筑物內部各構件之間通過相互連接方式實現協調性功能，從而使建筑更加具有觀賞價值、表達效果和藝術效果。傳統的古建筑建筑模型建立過程中，一般會采用二維或者三維重建技術，而在虛擬模擬計算方法下，對各個構件進行建模之后就能夠實現整個建造。

3 基于多種測量手段的古建筑虛擬重建

古建筑的三維重建是對建筑物進行全方位的幾何量測量，通過對建筑模型中各個構件進行重新定義，從而建立起完整而準確真實的模型，且可直觀反映其結構、空間特性等方面的信息［3］。

在傳統方法下，利用多種數據化手段來完成古建筑虛擬重建，主要有以下幾種：點線面法、坐標變換法、投影轉換法則。這3種方法都是以三維實體為基礎的較為簡單易行且方便操作的方法。但這些方法還是存在著一定的缺陷，這些方法只可以利用二維平面的方式來為人們展示古建筑的相關信息，但不可以轉化為三維空間中的模型，其雖然可以傳遞出古建筑的部分信息，但是其在計算量上非常大，不能滿足對古建筑研究在效率和精度上的要求。

3.1 BIM的基本流程

BIM的基本流程是將建筑物本身和周圍環境進行有效的整合，并且對建筑模型中涉及的信息內容、數據處理等方面做出合理而全面的分析與解釋。

在古建筑空間內建立一個可以提供各種功能的模塊，方便使用者操作、使用、管理和維護所需軟件。通過該系統，能夠使工作人員更加快速便捷地了解古建筑內部結構。

3.2 基于BIM的古建筑虛擬重建技術

古建筑重建主要是對原始空間中各構件進行建模，再通過模擬建筑物在不同位置上所呈現出的立體圖形來完成。而BIM 技術則可以實現建筑信息與施工、管理等方面有效的結合，為建筑施工提供一個更加全面的信息處理平臺，同時也能夠提高工作人員的工作效率和質量。因此，本文主要就基于多種測量手段與BIM技術，進行古建筑模擬模型重建及分析。

首先，要把設計圖紙打印出來，然后將三維實體建立起來，并根據實際情況添加相應元素。其次，就是模型構建和修改工作量，以及數據采集過程需要用軟件自動創建。最后，對古建筑進行重建處理后，就開始了構件建模工作。在這個過程中，要對古建筑進行快速的建模，并且還要根據實際情況添加相應元素，這樣能夠方便后續工作開展。在整個過程中，也要對古建筑進行保護，并且還要保證其安全，這樣才能更好地體現出城市形象，讓人們更加滿意［4］。

4 基于BIM的古建筑虛擬重建

古建筑的虛擬重建主要是針對建筑結構進行模擬。在這個過程中，首先要對原始模型參數進行優化；其次就是將各個樓層之間的標高數據與實際情況對比分析，通過分析，得出各樓層間不同位置上的標高信息，然后再利用BIM技術建立三維實體建筑物，通過三維重建技術建立的模型，可以直觀地展示古建筑結構，并且還能將建筑主體與周邊環境相融合，為城市景觀和歷史文化增添色彩，同時也能夠提高工作人員工作效率。由于古建筑本身存在著許多不確定性因素和不可預見性，因此，可以采用基于多源的方式來重建古建筑，例如，在原有基礎上，對模型進行模擬，設置建筑物高度及間距時，就可直接使用傳統方法，利用多種測量手段來對古建筑進行重建，這樣不僅可以提高建造效率，還能保證建筑的質量，從而達到保護和增加價值與功能性的目的［5］。

4.1 BIM原理

BIM技術的核心在于建筑信息模型。在構建一個完整而又精確的建筑物時，需要對整個建筑物進行全方位、全角度及多層次的建模。利用計算機軟件和相關硬件設備，將這些三維空間數據轉換成可直觀展示出來的信息，通過二維圖紙，可以清晰地表達古建筑各個細節部位，不僅能夠很好地解決復雜問題，并且還能有效提高設計效率。BIM 技術是一種高效、實用的建筑信息模型建立與分析系統，它具有高強度的計算功能、靈活性大等特點，通過三維重建功能，可以對古建筑進行全方位的實體性分析，并能夠很好地解決傳統模型重建所帶來的問題，從而提高建筑質量和建造效率。

4.2 虛擬古建筑的主要步驟

4.2.1 古建筑的三維重建

將建筑平面和立面進行虛擬處理，把建筑物主體結構模型構建構件，然后利用BIM 技術對這些實體進行立體幾何圖形分析。在這個過程中，需要大量數據信息，首先要建立一個三維模型；其次是確定建筑紅線并設置好邊界條件；最后，在對所研究的古建筑的模型建模完成之后，才可以真正進入到古建筑的三維重建階段。在這個過程中，需要對建筑紅線、構造構件等進行重新定義，并將其轉換成幾何模型，這樣的一個三維重建流程可以減少人工操作時間和人力成本，提高工作效率。

4.2.2 古建筑虛擬復原

將建筑物主體結構和構筑物的平面位置、立面視圖進行三維重建，可以將空間信息轉換為可視化形象的動畫效果。在現代建筑中，應用虛擬技術是一種新的方法，利用計算機等工具對古建筑建筑物和構筑物進行模擬，這種方式不僅能夠使工作人員直觀地了解到建筑設計圖紙上所表示出的古建筑結構，而且還能讓建筑師了解到大量不同種類、不同時間段展現出的三維空間信息，并為其提供豐富多彩的立體造型形式及靈活多變的建筑形態［5-6］。

4.3 基于BIM的古建筑三維重建效果

在對古建筑進行重建時，通過BIM技術，可以實現對建筑信息、結構和空間等方面的三維全方位展示，并且能夠很好地將建筑物本身與其他外部物體之間所存在的聯系清晰地展現出來。基于多種測量手段的古建筑建筑，可以很好地對其進行空間定位、三維立體建模和數據采集等工作。

BIM 主要是利用計算機模擬軟件，提供生成施工過程環境模型及構件數據，然后再把這些建模文件轉化為可視化模型圖紙，以方便直觀顯示重建結果，同時，在建筑實體上建立各種不同位置信息和功能模塊等的三維立體圖像，以達到對整個建筑的全方位感知。BIM技術在城市古建筑和三維空間分析方面具有很大優勢，它可以有效地減少人工操作，提高工作效率，節省大量人力、物力資源等，被廣泛應用到各個領域。

5 結語

通過以上的分析可以看出，使用BIM 技術可以較好地完成從古建筑相關信息的采集、古建筑相關數據的處理到古建筑信息模型建立的一整套的工作流程。BIM 技術所獨有的整合能力、管理能力及擴充和優化能力在針對古建筑復雜的測繪問題時越發顯得有價值，其有著優秀的數據處理能力、精細建模能力和出圖能力等，能夠滿足古建筑研究的不同需求，其行業發展潛力非常大。