(1.天津國土資源和房屋職業(yè)學(xué)院,天津 300270;2.天津天成華海技術(shù)有限公司,天津 300143)

古建筑測繪是一門專業(yè)性與技術(shù)性并重的專業(yè)技能課,實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)主要教學(xué)流程為實(shí)地考察調(diào)研、現(xiàn)場勾畫草圖、校對尺寸、出成果圖等,通常以目測估算及現(xiàn)場調(diào)查法現(xiàn)場勾畫出需測繪建筑的立面圖、平面圖、剖面圖及節(jié)點(diǎn)大樣圖等,再利用傳統(tǒng)測量工具如各類卷尺、卡尺、垂球等測量及校對結(jié)構(gòu)及典型構(gòu)件尺寸,最終建模繪制成果圖。但傳統(tǒng)測量手段在繪制成果圖時往往存在工作量大及精度低等局限性。目前,新型數(shù)字測繪技術(shù)可以將不同時期的古建筑形成數(shù)字資料,通過處理數(shù)字資料可形成古建筑測繪成果圖,在降低了工作量的同時提高了繪圖精度。其中,掌握處理數(shù)字資料的方法及快速準(zhǔn)確地繪制古建筑測繪成果圖是古建筑測繪工作中非常重要的環(huán)節(jié),有利于古建筑的利用與保護(hù)及存檔建檔等工作?；诖?使學(xué)生學(xué)會數(shù)字測繪技術(shù)背景下古建筑測繪成果圖繪制,在古建筑測繪課程教學(xué)及古建筑保護(hù)中都有著深遠(yuǎn)的意義。

一、常用數(shù)字測繪技術(shù)

(一)三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)改進(jìn)了逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的方法,能夠自動連續(xù)獲取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集的效率大幅提高。三維激光掃描技術(shù)是三維激光掃描儀、配套的標(biāo)靶球及配套軟件共同工作以非接觸激光獲取古建筑外部及內(nèi)部空間信息并形成數(shù)字化模型。標(biāo)靶球擺放應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況確定具體數(shù)量及擺放位置,通過實(shí)測獲取的數(shù)字化模型能夠顯示古建筑的平面、立面和剖面及節(jié)點(diǎn)大樣等圖形,如圖1(a)所示,為古建筑成果圖的繪制及建筑后期利用、保護(hù)、修繕、存檔提供了依據(jù)。

圖1 數(shù)字測繪模型圖

(二)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

在無人機(jī)快速的飛行過程中,通過改變不同的視角進(jìn)行攝影測量,時而垂直時而傾斜成不同的視角可獲得完整的古建筑屋頂及其周邊的地形地貌;同時,各傾斜攝影相機(jī)能高效展開數(shù)據(jù)測量和影像采集。通過獲取的影像再利用自動化模式技術(shù)及提取、貼紋理等操作快速構(gòu)建出三維實(shí)景模型,建模時間被大大縮減的同時,既可精準(zhǔn)地標(biāo)出古建筑地理信息坐標(biāo),又能使房屋的頂部、外墻以及周邊地形地貌等特征細(xì)化體現(xiàn)出來,如圖1(b)所示。該技術(shù)不僅能夠真實(shí)客觀地反映被測建筑相關(guān)數(shù)據(jù)信息,同時搭配建筑物模型構(gòu)建、地面三維激光掃描和空中三角測量等技術(shù),生成真實(shí)的精細(xì)三維模型,同樣可為古建筑成果圖的繪制及建筑后期利用、保護(hù)、修繕、存檔等提供依據(jù)。

(三)VR全景技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)身臨其境的體驗。在古建筑測繪領(lǐng)域,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的一個重要方向就是VR全景技術(shù)。VR全景技術(shù)通過現(xiàn)場測繪人員全方位、全角度、全場景拍攝古建筑周邊環(huán)境、立面造型、內(nèi)部格局、屋架梁架等建筑要素為后期成果圖繪制人員提供真實(shí)的全景影像,如圖1(c)所示。由現(xiàn)場真實(shí)照片生成的全景影像更加細(xì)膩、逼真,有非常重要的參考價值,成果圖繪制人員不到測繪現(xiàn)場亦可對建筑有更充分的了解,有助于后期成果圖的繪制。

二、數(shù)字測繪技術(shù)背景下古建筑測繪實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)設(shè)計

筆者所在學(xué)校的古建筑工程技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)以古建筑修繕保護(hù)專業(yè)知識以及數(shù)字測繪技能為主,理想信念堅定,德、智、體、美、勞全面發(fā)展的古建筑保護(hù)修繕技術(shù)人員以及設(shè)計人員。培養(yǎng)掌握古建筑專業(yè)知識和技術(shù)技能,具有良好的人文素養(yǎng)、職業(yè)道德和創(chuàng)新意識,擁有精益求精的工匠精神、較強(qiáng)的就業(yè)能力、可持續(xù)發(fā)展能力、動手能力、執(zhí)行能力、可塑性強(qiáng)的技能人才。古建筑測繪實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)在專業(yè)目標(biāo)的指引下側(cè)重學(xué)生全方位發(fā)展,增強(qiáng)學(xué)生專業(yè)認(rèn)同感和專業(yè)自信心,在幫助學(xué)生克服實(shí)踐中產(chǎn)生的畏難情緒的同時積累專業(yè)知識。多年以來,筆者及其教學(xué)團(tuán)隊積極探索古建筑測繪實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)方法,將數(shù)字測繪技術(shù)融入教學(xué)中,真正做到了將理論知識與實(shí)踐密切結(jié)合。實(shí)訓(xùn)分為Z+F三維激光掃描儀及其他數(shù)字化測繪技術(shù)介紹、測繪外業(yè)、測繪內(nèi)業(yè)、測繪成果圖繪制等環(huán)節(jié)。通過教師講解Z+F三維激光掃描儀構(gòu)造及操作方法以及介紹其他數(shù)字測繪技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn),使學(xué)生在掌握三維激光掃描儀操作、標(biāo)靶球擺放規(guī)則、軟件使用等內(nèi)容的同時,了解數(shù)字化測繪技術(shù)的發(fā)展歷程及發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀;通過測繪小組分配、儀器調(diào)試、布設(shè)測站、數(shù)字化模型采集等內(nèi)容,使學(xué)生掌握利用三維激光掃描儀測繪點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型、正射圖形、建筑總平面圖的方法;通過整理正射圖形、數(shù)字模型尺寸數(shù)據(jù)并對未掃描處進(jìn)行補(bǔ)測等內(nèi)容,使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)整理方法及各圖紙之間尺寸關(guān)系,為成果圖的繪制做準(zhǔn)備;通過利用繪圖軟件繪制整套測繪成果圖,使學(xué)生掌握繪制測繪成果圖的方法,要求學(xué)生所繪圖紙達(dá)到施工圖的標(biāo)準(zhǔn),為后期學(xué)習(xí)及就業(yè)打下基礎(chǔ),具體內(nèi)容如表1所示。

表1 古建筑測繪實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計表

三、數(shù)字測繪技術(shù)背景下古建筑測繪成果圖繪制教學(xué)實(shí)施

(一)獲取數(shù)字信息

外業(yè)測繪工作往往會在多項數(shù)字測繪技術(shù)結(jié)合下完成。三維激光掃描儀及其他數(shù)字測繪儀器提供所測古建筑的平、立、剖正射圖形、正射數(shù)據(jù)信息、總平面圖、點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型、VR全景、價值要素照片等信息。繪制成果圖之前綜合讀取以上數(shù)字信息,充分了解古建筑特點(diǎn),理清建筑主要出入口及活動路線、建筑平面布局及各房間形狀、門窗位置及形式開啟方向、各立面造型特點(diǎn)、剖面圖數(shù)量及剖切位置、大樣圖構(gòu)造及位置等信息,然后將數(shù)字模型導(dǎo)入繪圖軟件。導(dǎo)入數(shù)字模型步驟如下:首先正確讀取正射圖形數(shù)據(jù)信息,圖2所示為兩款不同型號數(shù)字測繪儀器所提供的正射圖像數(shù)字信息。圖2(a)中可讀取正射圖形尺寸為17.8407m×20.0032m,圖2(b)中可讀取正射圖形尺寸為43.7135m×12.277m。然后打開繪圖軟件,繪制已讀取正射圖形尺寸圖并將正射圖形導(dǎo)入繪圖軟件,將正射圖形拉伸至與已繪制尺寸圖同樣大小。最后按照同樣的方法導(dǎo)入所有正射圖形。

圖2 正射數(shù)據(jù)信息圖

(二)繪制平面圖

獲取數(shù)字信息及將正射圖形導(dǎo)入繪圖軟件后,首先繪制建筑平面圖包括各層平面圖、屋頂仰視圖、屋頂平面圖等。

1.軸網(wǎng)繪制

古建筑承重結(jié)構(gòu)多為墻體或柱,應(yīng)根據(jù)建筑承重結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定建筑軸網(wǎng)。以墻體為主要承重構(gòu)件的建筑用墻體定軸線,多采用墻體中線為軸線,對于外墻也可根據(jù)建筑特點(diǎn)取距離內(nèi)墻面120mm處為軸線。以木結(jié)構(gòu)為主要承重結(jié)構(gòu)的古建筑用木柱及柱礎(chǔ)位置定軸線,根據(jù)開間及進(jìn)深方向主要木柱排列情況,將木柱中線作為軸線繪制軸網(wǎng)。軸線之間的間距盡量做到間隔一致及符合建筑統(tǒng)一模數(shù)。一些年代較為久遠(yuǎn)的古建筑的墻體或木柱存在破損及歪斜情況,應(yīng)加以說明并根據(jù)實(shí)際情況確定軸網(wǎng),可打破間距一致及建筑統(tǒng)一模數(shù)的限制。

2.墻體、柱繪制

建立軸網(wǎng)后沿軸線繪制墻體及柱,繪制墻體應(yīng)確定墻體厚度、偏軸距離、填充材料等信息。墻體材料可從點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型、VR全景、價值要素照片中獲取,相同材料墻體連接處應(yīng)貫通,不同材料墻體連接處應(yīng)有界限。繪制柱應(yīng)確定好柱與軸線之間關(guān)系、截面形狀及尺寸、柱及柱礎(chǔ)材料等信息。古建筑中承重柱多為截面形狀,為圓形的木柱,柱礎(chǔ)為石柱礎(chǔ)。繪制柱時應(yīng)繪制柱外輪廓線及柱礎(chǔ)外輪廓線并填充柱截面材料,柱與墻體相交處應(yīng)修剪墻體圖線。

3.門窗繪制

門窗繪制應(yīng)確定門窗尺寸及定位尺寸、開啟方式及方向等信息,門窗尺寸及定位尺寸應(yīng)符合建筑模數(shù)統(tǒng)一要求,門窗的開啟方式及開啟方向可根據(jù)正射圖形、點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型、VR全景、價值要素照片等綜合確定并繪制。

4.其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件繪制

其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括樓梯、臺階、散水、雨棚等,樓梯繪制應(yīng)確定好梯跑數(shù)量及上下關(guān)系、踏步寬度及數(shù)量、有無扶手等信息。臺階一般出現(xiàn)在建筑首層平面圖出入口處,繪制時應(yīng)確定臺階位置、踏步數(shù)及長寬尺寸。散水及雨棚繪制時,在建筑首層平面圖繪制散水,正確繪制散水的形狀及寬度,在二層平面圖中繪制雨棚,正確繪制雨棚匯水區(qū)域及排水坡度。

5.尺寸、文字及其他標(biāo)注

尺寸標(biāo)注應(yīng)詳細(xì),外墻標(biāo)注三道尺寸,即門窗定位尺寸、軸線間尺寸及總尺寸,內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及定位尺寸應(yīng)單獨(dú)標(biāo)注,比如柱及門窗等。文字標(biāo)注應(yīng)注寫圖名及比例、房間用途、地面主要材料、主要出入口及其他文字說明。其他標(biāo)注如標(biāo)高、剖切符號、指北針等,如圖3(a)所示。

圖3 古建筑測繪成果圖

(三)繪制外立面圖

所有樓層平面圖、屋頂仰視圖、屋頂平面圖繪制完成后開始繪制立面圖。

1.確定標(biāo)高

根據(jù)建筑立面圖正射圖形和建筑剖面圖正射圖形綜合確定建筑標(biāo)高,將首層室內(nèi)地面標(biāo)高定為±0.000。在繪圖軟件中將所有與標(biāo)高有關(guān)的正射圖形依此排列,繪制通線并調(diào)整正射圖形上下位置,將不同圖形中同一構(gòu)造位置對齊,確定室外地面標(biāo)高、室內(nèi)地面標(biāo)高、建筑各樓層標(biāo)高、建筑檐口標(biāo)高、建筑屋頂標(biāo)高等主要標(biāo)高。

2.建筑外輪廓線的繪制

建筑外輪廓線包括室外地坪線、定位軸線、外墻輪廓線、屋頂線等。簡略測繪立面圖中定位軸線只要求畫出房屋兩端外墻的定位軸線及其編號以便與平面圖對照;全面測繪立面圖一般要求繪制出所有定位軸線及編號,包括具體尺寸數(shù)據(jù),外墻輪廓線與平面圖對應(yīng)畫出其與屋頂線,用粗實(shí)線繪制。

3.外立面元素繪制

先將外立面圖中的細(xì)部如雨棚、屋頂、門窗洞口、檐口等的外形輪廓畫出,再按照正射圖形、VR全景、價值元素照片等繪制窗扇、墻面格線等細(xì)節(jié),另外墻面及屋頂應(yīng)按實(shí)際材質(zhì)進(jìn)行材料填充。

4.標(biāo)注

標(biāo)注各外立面主要部位豎向尺寸及標(biāo)高,建筑兩側(cè)從下向上標(biāo)注室外地坪標(biāo)高、室內(nèi)地坪標(biāo)高、各層高標(biāo)高、檐口標(biāo)高、屋頂標(biāo)高,立面圖上繪出的門窗、洞口、雨棚、陽臺等豎向定位尺寸及標(biāo)高單獨(dú)標(biāo)注。標(biāo)注立面墻體裝飾做法、屋頂材料及破損情況,墻體裝飾做法可引用圖集或在原位直接標(biāo)注,如圖3(b)所示。

(四)繪制剖面圖

主要根據(jù)正射圖形、剖切位置示意圖繪制剖面圖。首先,確定標(biāo)高:剖面圖標(biāo)高的確定應(yīng)在繪制立面圖時完成,確定方法可參考繪制建筑立面圖內(nèi)容。然后,繪制建筑輪廓線:畫定位軸線、室外地坪線、室內(nèi)地坪線、墻身輪廓線、各層樓面線和屋面線等,畫法與立面圖中建筑外輪廓線畫法基本相同。第三,繪制剖面要素:剖面圖剖到的室內(nèi)地坪、樓板厚度、頂棚、梁架、墻體、屋頂?shù)葮?gòu)件應(yīng)詳細(xì)表達(dá)。古建筑中屋頂承重結(jié)構(gòu)多為梁架結(jié)構(gòu),梁架構(gòu)造繪制是剖面圖繪制中非常重要的一項內(nèi)容,確定各梁、柱之間的架設(shè)關(guān)系及柱、梁、檁條、椽子等尺寸以便于繪圖,剖切到的墻、樓板、梁、柱等構(gòu)造應(yīng)進(jìn)行材料填充。第四,標(biāo)注:建筑兩側(cè)標(biāo)注同立面圖要求基本一致,剖面內(nèi)部門窗、梁、檁條、椽子等標(biāo)高單獨(dú)標(biāo)注。標(biāo)注樓板構(gòu)造組成及屋頂構(gòu)造組成,標(biāo)注詳圖索引符號,剖面中需繪制詳圖部分加詳圖索引符號。如圖3(c)所示。

(五)繪制大樣圖

根據(jù)大樣圖正射圖形、VR全景、價值要素照片等繪制大樣圖。首先確定大樣圖在建筑中的具體位置,再利用VR全景、價值要素照片繪制大樣圖,最后核對大樣圖尺寸完成繪制。大樣圖繪制時圖示內(nèi)容務(wù)必詳細(xì)清楚,在古建筑測繪中大樣圖多為門窗詳圖、梁架詳圖、牛腿詳圖、柱及柱礎(chǔ)詳圖等,例如,門窗詳圖應(yīng)繪制出窗欞、抹頭、裙板及上面花紋、絳環(huán)板及上面花紋、邊梃等圖示內(nèi)容,并將尺寸標(biāo)注齊全,除此之外還應(yīng)畫出門窗橫向及豎向剖面大樣圖,大樣圖詳圖符號應(yīng)與被索引的圖樣上的索引符號相對應(yīng)。

四、結(jié)語

通過古建筑測繪實(shí)訓(xùn),學(xué)生接觸到了前沿的數(shù)字測繪技術(shù),進(jìn)一步鞏固了測繪外業(yè)知識的同時,掌握了測繪外業(yè)與內(nèi)業(yè)的銜接及成果圖繪制的方法。學(xué)生成果圖繪制更規(guī)范、更快速、更準(zhǔn)確、更細(xì)致,無形中培養(yǎng)了學(xué)生的工匠精神。除此之外,通過小組合作培養(yǎng)了團(tuán)隊意識、通過企業(yè)教師現(xiàn)場指導(dǎo)滲透了企業(yè)的文化和職業(yè)要求,有利于學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)。