BIM+三維掃描技術(shù)在歷史建筑保護(hù)修繕中的探索研究

沈源 SHEN Yuan

（上海久事北外灘建設(shè)發(fā)展有限公司，上海 200080）

0 引言

歷史建筑的保護(hù)和合理利用體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家對(duì)歷史文化的關(guān)注，在現(xiàn)代化的發(fā)展中，社會(huì)越來越注重對(duì)這些具有重大價(jià)值的歷史建筑在“修舊如舊”的基礎(chǔ)上予以修繕，更多地根據(jù)歷史考證，結(jié)合城市發(fā)展特征或歷史文化街區(qū)特色進(jìn)行修復(fù)保護(hù)，使之與城市發(fā)展有機(jī)、和諧共存。但是，歷史建筑由于長(zhǎng)時(shí)間使用、保護(hù)未受到重視，使得很多歷史建筑存在年久失修、隨意改造、破損嚴(yán)重等情況。以往我們歷史建筑修繕主要依據(jù)為圖片、文字及平面圖等，信息承載量少、不易保存。進(jìn)入21世紀(jì)，建筑工程學(xué)科和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，基于激光掃描和BIM等技術(shù)應(yīng)用有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，BIM+三維激光掃描技術(shù)也成為了歷史建筑后期修繕復(fù)原的重要支撐技術(shù)之一，其在紋理再現(xiàn)、細(xì)節(jié)表達(dá)、多維度重建等方面有很大的優(yōu)勢(shì)，可有效記錄建筑紋路、肌理、色澤等原始風(fēng)貌，使歷史建筑的保護(hù)修繕更加精細(xì)化、智能化、系統(tǒng)化。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)（terrestrial laser scanning，TLS），又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是一種全自動(dòng)、非接觸的高精度立體掃描技術(shù)。通過云測(cè)量技術(shù)采集大量被測(cè)物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能有效記錄被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的空間信息和色彩灰度信息。其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：①非接觸性測(cè)量，降低對(duì)歷史建筑的二次破壞；②數(shù)據(jù)采集效率高，掃描速率可達(dá)每秒百萬個(gè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；③精細(xì)度高，誤差達(dá)到毫米級(jí)，能詳細(xì)描繪物體的細(xì)節(jié)；④全數(shù)字特征化，自動(dòng)化程度高，信息傳輸、加工、表達(dá)容易，方便操作。

1.2 BIM技術(shù)

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)通過建立一個(gè)虛擬的三維信息模型可以將工程項(xiàng)目全生命周期的各種信息資源整合在一個(gè)數(shù)據(jù)庫。將BIM技術(shù)引入到歷史建筑保護(hù)中，通過建立參數(shù)化的模型模擬歷史建筑的建成信息，為歷史建筑修繕保護(hù)提供了依據(jù)，也是修繕工作的信息基礎(chǔ)。其具有以下優(yōu)勢(shì)：①實(shí)現(xiàn)歷史建筑信息的三維可視化，提高工作的直觀性；②實(shí)現(xiàn)以模型為載體的歷史建筑修繕協(xié)同，提高工作的準(zhǔn)確性；③實(shí)現(xiàn)歷史建筑信息的參數(shù)化模型實(shí)時(shí)記錄共享，提高信息管理與共享能力。

2 項(xiàng)目背景

2.1 項(xiàng)目概況

紅樓保護(hù)修繕工程，處于全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位外灘近代建筑群的建設(shè)控制地帶和上海市外灘歷史風(fēng)貌區(qū)內(nèi)。該建筑于1911年建造，磚木結(jié)構(gòu)，外立面為清水紅磚墻。總建筑面積2676m2，建筑層數(shù)為4層，屋頂為穹頂。紅樓為優(yōu)秀歷史建筑，保護(hù)類別為二類，為了延續(xù)城市文脈，需要使用數(shù)字化技術(shù)最大程度、精細(xì)化地保留歷史建筑風(fēng)貌和完整性。

2.2 現(xiàn)狀分析

紅樓房屋坐北朝南，入口面向黃浦江，平面形式為矩形，東西向總長(zhǎng)約37.8m，南北向總寬約23.6m，底層層高4.9m，二層層高4.7m，三層層高4.5m，局部四層層高約3.6m。建筑物南、東、北立面為外部重點(diǎn)保護(hù)部位，體現(xiàn)建筑特色的裝飾細(xì)部等為內(nèi)部重點(diǎn)保護(hù)部位。根據(jù)建筑歷史圖紙和各時(shí)期歷史照片、文獻(xiàn)記載等資料，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)分析等措施，本項(xiàng)目主要內(nèi)容為歷史建筑外立面、屋面等按照原歷史風(fēng)貌進(jìn)行保護(hù)修繕。

3 主要技術(shù)路線

本歷史建筑外立面修繕，主要是以模型為載體，采用三維重建的方式進(jìn)行模擬分析。一般建模分為正向建模和逆向建模。前一種是基于文獻(xiàn)記錄的尺寸、參數(shù)、特征，通過建立圖形與幾何、尺寸之間對(duì)應(yīng)的關(guān)系，并調(diào)用參數(shù)值來控制建模的幾何形狀的建模方法。另一種是利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維特征后再一次進(jìn)行逆向重構(gòu)的建模方法。

點(diǎn)云逆向建模得到的模型更具現(xiàn)實(shí)性，能很好地表達(dá)外立面墻體的紋理細(xì)節(jié)，而參數(shù)正向建模更加完整，能詳實(shí)反應(yīng)建成后的狀態(tài)，包括已被改建的部分以及掃描不到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分。為了更好服務(wù)建筑后續(xù)的保護(hù)、修繕以及評(píng)估監(jiān)測(cè)等工作，本文使用正逆向結(jié)合的方式，一個(gè)是通過三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑信息逆向獲取從而建立現(xiàn)實(shí)模型，另一個(gè)是通過Revit軟件和歷史圖紙資料來建立標(biāo)準(zhǔn)模型，最終以模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化對(duì)比、分析、存檔等用途，為歷史建筑修繕提供依據(jù)。具體實(shí)施主要分為三部分：數(shù)字化信息收集、數(shù)字化模型重構(gòu)、數(shù)字化管理（實(shí)施路線詳見圖1）。

圖1 主要實(shí)施路線圖

4 主要實(shí)施方案

4.1 數(shù)字化信息收集

在保護(hù)修繕工程開始之前，除了通過歷史圖紙資料的調(diào)查外，需要進(jìn)行三維掃描工作，通過數(shù)據(jù)采集，來準(zhǔn)確、詳細(xì)地表述現(xiàn)有建筑狀態(tài)。（具體流程如圖2）

圖2 三維激光掃描流程示意圖

在掃描過程中，選用FOCUS3D掃描設(shè)備，內(nèi)置7000萬像素相機(jī)，測(cè)距范圍在1至5米之間。通過6個(gè)設(shè)置站點(diǎn)，調(diào)整入射角度，對(duì)歷史建筑3層以下的外立面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，重疊率為60%至80%，連續(xù)對(duì)同一位置進(jìn)行三次以上多角度拍攝，保證不遺漏細(xì)節(jié)。由于被測(cè)物位于市中心區(qū)域，四周有其它建筑物相鄰，對(duì)于屋頂?shù)葻o法掃描的區(qū)域，采用無人機(jī)采集補(bǔ)充。設(shè)置無人機(jī)巡航對(duì)歷史建筑的3層至屋頂進(jìn)行環(huán)繞飛行拍照，最終將采集的照片資料輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)字化模型重構(gòu)

①逆向建模。

將不同視角采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)軟件（Cyclone、RISCAN PRO等軟件），進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建出整體點(diǎn)云模型。（具體流程如圖3）

圖3 逆向建模流程示意圖

首先進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，對(duì)掃描獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，刪除相關(guān)影響因素，保留可用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。預(yù)處理避免了由于儀器誤差、被掃描物體反射特性、環(huán)境溫濕度等因素造成的點(diǎn)云沉余，從而有效提高運(yùn)算、存儲(chǔ)和操作過程的效率，確保掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。然后進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，通過控制軟件中的ICP算法，完成自動(dòng)精確配準(zhǔn)，統(tǒng)一坐標(biāo)系，將整個(gè)視圖中的多個(gè)點(diǎn)云合并為一個(gè)整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含紅樓立面的三維點(diǎn)云、紋理、反射強(qiáng)度等信息，再行導(dǎo)入建模軟件中，建立實(shí)景現(xiàn)實(shí)模型和輸出相關(guān)二維圖紙。

②正向建模。

在原有二維存檔圖紙的基礎(chǔ)上進(jìn)行正向參數(shù)化建模。根據(jù)記錄的建筑數(shù)據(jù)，再結(jié)合歷史圖紙和照片，運(yùn)用幾何重建、轉(zhuǎn)換等方式真實(shí)反映構(gòu)件的情況，還原紅樓建筑標(biāo)準(zhǔn)模型。該階段的主要工作為通過之前記錄的歷史建筑所有不同的屋面山花、柱頭花飾、拱券、檐口線條的參數(shù)創(chuàng)建族庫，并且完善內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)、布局模型（詳見圖4），方便現(xiàn)場(chǎng)加工定制，裝配式安裝。

圖4 構(gòu)建族模型示意圖

在Revit中的大部分建筑構(gòu)件創(chuàng)建完畢后就可以進(jìn)行渲染，對(duì)各個(gè)構(gòu)件賦予材質(zhì)。通過外業(yè)采集過程中掃描儀采集的圖片數(shù)據(jù)，導(dǎo)入自定義的材質(zhì)庫或新建材質(zhì)，對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際位置，進(jìn)行紋理貼圖，使模型更符合實(shí)際場(chǎng)景。從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫漫游，實(shí)時(shí)查看標(biāo)準(zhǔn)模型和平立剖面圖輸出。

4.3 數(shù)字化管理

①損傷分析。

利用已完成的模型數(shù)據(jù)分析歷史建筑的損傷的方法是將兩種不同建模的方式獲得的標(biāo)準(zhǔn)建成模型與現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一，然后進(jìn)行兩種模型數(shù)據(jù)的位置配準(zhǔn)，生成高程偏差分析圖。使用軟件（Geomagic）對(duì)比兩個(gè)模型的偏差，將現(xiàn)實(shí)模型作為對(duì)比方，建成模型作為參考方，得出結(jié)論。針對(duì)南立面現(xiàn)狀，繪制破損分析圖（詳見圖5）。統(tǒng)計(jì)目前外立面主要劣化問題有54項(xiàng)，主要如下：清水磚墻存在墻面開洞、泛堿、水漬、污垢、外加附著物等；石材線腳、柱頭花飾、寶瓶欄桿等構(gòu)件存在局部涂刷、開裂、破損、污垢等；門窗、欄桿存在滅失、損壞、油漆不當(dāng)?shù)龋徊糠纸Y(jié)構(gòu)存在加建等。據(jù)此在圖紙上標(biāo)識(shí)出紅樓立面損傷部位并加以分析，為后續(xù)精細(xì)化修繕提供依據(jù)。

圖5 模型對(duì)比及損傷部位分析圖

②結(jié)構(gòu)復(fù)核。

根據(jù)現(xiàn)實(shí)模型，采用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（YJK）對(duì)房屋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算（詳見圖6），結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表明部分墻體和木結(jié)構(gòu)梁受壓承載力不足。具體驗(yàn)算參數(shù)取值如下：木擱柵截面75mm×300mm（慣性矩I=1.69×108mm4），樓面恒載0.7kN/m2，活載2.0kN/m2，木擱柵跨度6.8m，間距400mm。受彎≤Fm。受剪：τ=≤Fv。簡(jiǎn)支梁均布荷載作用下跨中撓度公式：f=。木擱柵截面最大正應(yīng)力σ=8.03MPa<材料的抗彎強(qiáng)度8.8MPa。截面最大剪應(yīng)力τ=0.35<材料的抗剪強(qiáng)度0.96MPa。跨中最大撓度f=19.8mm<撓度限值6800×1/250=27.2mm。因此，根據(jù)核算更有針對(duì)性地采取其它可靠措施加固、補(bǔ)強(qiáng)房屋整體抗震性能，消除結(jié)構(gòu)安全隱患。

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

③數(shù)字存檔。

建立電子檔案，涵蓋歷史人文、重點(diǎn)保護(hù)部位、歷次修繕工藝和材料等數(shù)據(jù)。在對(duì)紅樓三維激光掃描數(shù)字測(cè)繪、正逆向模型的基礎(chǔ)上，為歷史建筑數(shù)字模型整合、歷史信息集成，從而搭建一個(gè)虛擬數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)協(xié)同查詢、虛擬漫游、交互操作等功能。

5 總結(jié)

歷史建筑保護(hù)修繕自數(shù)字化技術(shù)介入之后，大大提高了修繕的科學(xué)性和精準(zhǔn)度，遵循了建筑修繕的原真性、最小干預(yù)和可逆原則。依托三維激光掃描和BIM技術(shù)進(jìn)行的測(cè)量、重構(gòu)等數(shù)字化管理工作，確保測(cè)繪數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性，將建筑物的比例、結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)的反饋出來，全面準(zhǔn)確地反應(yīng)歷史建筑物的狀態(tài)，為保護(hù)和修繕提供了有力的技術(shù)支持。未來借助數(shù)字化的理念，進(jìn)行傳統(tǒng)保護(hù)思維和管理模式的轉(zhuǎn)變，更多地將歷史風(fēng)貌建筑的保護(hù)與智能化、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)相集成，推進(jìn)風(fēng)貌建筑保護(hù)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化突破性進(jìn)展。