余芳強 陳 菁 谷志旺

1. 上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建與持續(xù)利用工程技術(shù)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(yōu)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(yuǎn)導(dǎo)致原始圖紙缺失，故為避免結(jié)構(gòu)老化、損毀，對于此類古建筑的保護(hù)需要建筑物準(zhǔn)確完整的數(shù)據(jù)，目前利用傳統(tǒng)的測繪、照相等方式收集、歸檔圖紙、影像等資料，其準(zhǔn)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(shù)、Faro Focus3D地面三維激光掃描、航拍傾斜測量等方式進(jìn)行多源數(shù)據(jù)建模[1]，實現(xiàn)對其高精度的數(shù)字化保存，為古建筑的修繕工作提供了準(zhǔn)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(shù)字模型，實現(xiàn)對既有建筑外圍環(huán)境和內(nèi)部房間結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)量和內(nèi)部高精度細(xì)節(jié)的問題。對不同精度的數(shù)據(jù)源所建立的單獨模型進(jìn)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(jìn)度管理和遠(yuǎn)程輕量化查看等場景中進(jìn)行實際應(yīng)用，驗證該建模方法的適用性和價值。

2 既有古建筑原始數(shù)字模型創(chuàng)建方法

對于玉佛寺大雄寶殿這類古建筑，通過單數(shù)據(jù)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(yīng)用了BIM軟件建模、三維激光掃描、航拍傾斜測量等技術(shù)進(jìn)行原始模型創(chuàng)建。

2.1 應(yīng)用BIM技術(shù)創(chuàng)建主體結(jié)構(gòu)和施工措施數(shù)字模型

根據(jù)工程測繪圖紙，應(yīng)用BIM軟件對大雄寶殿主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。在此模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)施工方案具體建出地磚、青磚基礎(chǔ)、下托盤梁、托換裝置及平移頂升設(shè)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(jìn)行施工模擬，輔助現(xiàn)場的施工，確定最佳的施工方案，對進(jìn)度計劃的制訂及執(zhí)行進(jìn)行復(fù)核及修正。

通過對古建筑的結(jié)構(gòu)體系與組成構(gòu)件的研究，發(fā)現(xiàn)中國古建筑最顯著的一個特點就是建筑上的模數(shù)制和定型化。各構(gòu)件的尺寸與模數(shù)都有一定的比例和關(guān)系，BIM技術(shù)可以為古建筑構(gòu)件的參數(shù)化提供技術(shù)支撐。根據(jù)這個特性，本工程具體對BIM軟件建立的模型構(gòu)件如斗栱進(jìn)行參數(shù)化研究，利用古建筑構(gòu)件的常規(guī)數(shù)據(jù)庫找到參數(shù)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(shù)[2]，所有建筑構(gòu)件又根據(jù)該斗口模數(shù)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(jù)古建筑木作營造技術(shù)，規(guī)定斗栱各構(gòu)件的長、短、高、厚尺寸以及比例關(guān)系，建立單個構(gòu)件BIM軟件族[3]，分析每個組成部分，將構(gòu)件外邊構(gòu)造轉(zhuǎn)換成數(shù)值，分析該數(shù)值得出關(guān)系式將其公式化，并使每一個尺寸均以斗口為基數(shù)進(jìn)行參數(shù)化控制，注意單個構(gòu)件建立時，以基準(zhǔn)線為參照[4]。將單個族嵌套進(jìn)斗栱族中組合，利用每個部分之間的關(guān)聯(lián)參數(shù)“斗口”，將所有參數(shù)相關(guān)聯(lián)，使斗栱族全局參數(shù)控制幾十個嵌套族。

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

圖2 參數(shù)化斗栱族

2.2 應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)創(chuàng)建建筑外立面及室內(nèi)裝飾數(shù)字模型

針對古建筑，適合應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建模的內(nèi)容包括：

1）整體建筑外立面：古建筑外立面及屋頂風(fēng)格特殊，結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件種類較多，參數(shù)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?fù)潢P(guān)系復(fù)雜、構(gòu)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(jìn)行空洞修補，包括內(nèi)部洞、邊緣洞等數(shù)據(jù)空洞。

2）建筑內(nèi)部裝飾構(gòu)件：玉佛寺等既有古建筑內(nèi)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(jié)構(gòu)橫梁、立柱等，適合采用三維激光掃描技術(shù)。但為兼容數(shù)據(jù)完整性和輕量化目的，我們采取“先總體后局部”的數(shù)據(jù)采集方案，先對大殿內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行全景精細(xì)掃描，之后針對佛臺、墻壁浮雕、屋頂壁畫等進(jìn)行限制范圍的高精度掃描，以保證數(shù)據(jù)完整，同時盡可能減小數(shù)據(jù)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(jìn)行了以下創(chuàng)新：

1）采用基于對象特征的點云匹配技術(shù)[6]，對經(jīng)過特征匹配后的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確ICP最近點迭代計算，提高數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度，同時節(jié)省了一定的處理時間，且達(dá)到了與基于標(biāo)靶球匹配的同等效果。

2）對于不規(guī)則的曲面采用NURBS曲面建模，對于多種類、不規(guī)則構(gòu)件則制訂相應(yīng)的建模準(zhǔn)則，特殊型構(gòu)件利用點云數(shù)據(jù)直接生成面片模型并進(jìn)行適當(dāng)?shù)窨蹋瑢τ谄胀ㄐ蜆?gòu)件則利用既有模型進(jìn)行參數(shù)化修改完成。

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

2.3 航拍傾斜測量建模技術(shù)

既有古建筑經(jīng)常出現(xiàn)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(jìn)行掃描，若從地面對屋面進(jìn)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(shù)進(jìn)行建模[7]。另外，針對古建筑周圍環(huán)境或周邊建筑的初略建模，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)工作量大、成本高，適合通過傾斜測量技術(shù)進(jìn)行大規(guī)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(shù)對大雄寶殿周邊環(huán)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，軟件根據(jù)航拍照片的坐標(biāo)、高程信息、相似度自動排列，通過導(dǎo)入影像POS數(shù)據(jù)或控制點對數(shù)據(jù)進(jìn)行定向并提取帶有坐標(biāo)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(jìn)行可視化處理，賦予三維模型材質(zhì)紋理。

3 基于多源數(shù)據(jù)的模型融合技術(shù)

在綜合考慮各類三維模型處理軟件的優(yōu)缺點之后，本研究采用3DS Max軟件進(jìn)行多源數(shù)據(jù)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(diào)整、比例協(xié)同、格式選擇和模型精度協(xié)調(diào)，其中難度在于模型格式選擇和精度協(xié)調(diào)。

3.1 模型格式選擇

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

3.2 模型精度協(xié)調(diào)

利用BIM軟件建模的模型，細(xì)節(jié)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(fù)雜曲面，未經(jīng)簡化的模型構(gòu)件的面片數(shù)高達(dá)千萬面。對點云模型進(jìn)行輕量化研究，將2種精度的模型進(jìn)行處理后整合統(tǒng)一至同一平臺。

1）點云降噪，在對實測點云數(shù)據(jù)數(shù)字幾何處理及應(yīng)用之前，必須對點云進(jìn)行濾波降噪處理。降噪的目標(biāo)是在保持點云模型采樣表面的拓?fù)涮卣饕约皫缀翁卣鞯那疤嵯?，有效剔除噪聲并重建原有光滑表面?/p>

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(nèi)容是大量點陣。在模型處理階段主要是對模型面片進(jìn)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(jù)算法減面，MeshLab面角度減50%，線角度減50%。

4 應(yīng)用驗證

在玉佛寺大雄寶殿保護(hù)修改工程中，本研究應(yīng)用基于多源數(shù)據(jù)創(chuàng)建的數(shù)字化模型，實現(xiàn)平移頂升方案模擬以及施工過程監(jiān)控管理等工作。所獲取的三維模型根據(jù)精度的不同在工程中的應(yīng)用也有所不同。

4.1 平移頂升施工方案模擬

大雄寶殿建設(shè)年代久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)老化，木柱及墻體出現(xiàn)不均勻沉降情況，這會造成施工質(zhì)量問題并導(dǎo)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(xiàn)其具體的工況。

通過三維掃描獲得大雄寶殿外立面和內(nèi)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(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)架與施工措施模型，對其進(jìn)場前的現(xiàn)狀、保護(hù)性落架建立模型。通過3DS Max對多源數(shù)據(jù)模型進(jìn)行整合，保存為fbx模型。然后在Navisworks中進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jiān)控管理平臺

我公司自主研發(fā)的針對建筑物平移頂升的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)、施工狀態(tài)、安全監(jiān)測等各類數(shù)據(jù)的集成，并與BIM模型進(jìn)行整合，形成移位全過程信息化模型，基于云計算、WebGL等技術(shù)對施工過程進(jìn)行遠(yuǎn)程實時動態(tài)虛擬展示，實現(xiàn)對平移頂升全過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控、多維度分析預(yù)警和4D展示。該平臺將融合后的模型在網(wǎng)頁端進(jìn)行渲染，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的施工過程仿真模擬。該平臺支持在網(wǎng)頁端、手機(jī)端隨時隨地通過三維可視化窗口來了解施工狀態(tài)、平移頂升情況和預(yù)警信息（圖4）。

圖4 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺

5 結(jié)語

本研究針對既有古建筑特點，研發(fā)了一種基于多源數(shù)據(jù)的數(shù)字化建模技術(shù)，通過應(yīng)用實踐總結(jié)，得出以下結(jié)論：

1）利用BIM、三維激光掃描、傾斜測量等技術(shù)分別對既有古建筑的結(jié)構(gòu)體系、外立面和內(nèi)部裝飾、屋頂創(chuàng)建原始模型，并通過多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，重建了古建筑的完整模型，為既有古建筑的修葺、保護(hù)、修復(fù)提供精確的數(shù)字化信息。

2）基于多源數(shù)據(jù)形成的數(shù)字化模型的精細(xì)度和準(zhǔn)確度可滿足既有建筑改造過程的方案模擬、施工過程監(jiān)控與管理等需求，實現(xiàn)可視化、精細(xì)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。