贵州省松桃大湾苗寨建筑数字化保护

彭永鹏，张庆高，肖晓维，阿依丁，马 宏

(大连民族大学 土木工程学院，辽宁 大连 116605)

贵州省松桃大湾苗寨建筑数字化保护

彭永鹏，张庆高，肖晓维，阿依丁，马 宏

(大连民族大学 土木工程学院，辽宁 大连 116605)

为了提高苗族建筑保护的准确性和有效性，以贵州省铜仁市松桃苗族自治县大湾苗寨吊脚楼为研究对象，利用三维激光扫描技术，采集苗寨吊脚楼三维点云数据，依据点云数据提取建筑尺寸、节点样式等信息，并绘制其二维施工图纸，为吊脚楼建立完整、规范的施工图集。同时以BIM技术为支撑，以施工图纸为参照，对吊脚楼进行参数化建模。通过可视化动态施工模拟对吊脚楼的施工工艺进行分解，直观地展示其施工过程。以三维点云信息保存、施工图纸逆向设计和动态施工模拟的方式对苗族吊脚楼进行数字化保护。

吊脚楼；三维激光扫描；逆向设计；BIM

大湾苗寨位于贵州省铜仁市松桃苗族自治县，经历数百年的风雨沧桑，至今仍保留着140余栋百年木结构的苗族风格古建筑。这一湾苗族建筑全用木板一块块搭建而成，汇集了苗族人的智慧与汗水，集历史与文化于一身，具有独特的工艺价值和艺术价值。随着当地现代化和工业化的不断加深，施工工艺复杂、施工周期长、施工材料获取难等因素使得传统建筑逐渐被现代建筑所替代，大湾内的建筑保护工作迫在眉睫。与此同时，大部分民族建筑都是由本地区的职业木匠施工完成，构件制作过程和施工工艺都是凭借经验，没有规范的施工图纸可以参照。加之工匠渐趋老化，年轻人更倾向于外出打工，导致传统的民族建筑从业继承者不断流失。因此，当地急需为苗寨的保护寻找新思路。本文尝试用数字化的方法为大湾苗寨特色建筑进行保护，取得了一定的成效。

1 原始三维数据采集与内业处理

三维激光扫描技术可以对空间数据进行有效地捕获，利用激光扫描测量的方式，对其空间信息数据进行扫描，形成专业的影像数据，从而建立起地物地貌的三维模型图[1]。三维数据采集是实现建筑逆向设计的基础，能够为民族建筑的复建提供依据。文中三维数据采集应用的是美国FARO公司生产的X330三维激光扫描仪，扫描范围和扫描精度都能够满足大型民族建筑三维数据采集的要求。数据采集完成后，需要对其进行进一步优化处理，如：拼接、去噪等，以达到逆向设计的要求。

1.1 数据采集

由于苗族吊脚楼尺寸较大，造型复杂，扫描仪扫描范围又有限，很难通过一次性扫描将三维数据采集完成，因此需要通过变换测站的方式对建筑进行扫描操作，三维数据采集方案如图1。选择测站时，测站与测站距离根据建筑物拐角等情况确定，以保证扫描数据没有遗漏[2]。在实地扫描的过程中，要提前观察地形，根据实际情况选择测站位置，尽量选择对建筑遮挡少的点进行操作。后期内业处理时，需要将每一站的数据进行拼接，使其成为完整的三维模型。

图1 三维数据采集方案

在外业操作过程中，尽量保证建筑的所有部分都在扫描仪的扫描范围内，确保扫描过程中扫描仪激光光线所及处没有遮挡，以避免后期处理时点云数据的缺失。单站扫描时，根据周围环境及光照条件调节扫描仪参数，也应酌情考虑精细扫描与粗略扫描之间的关系，如建筑细节处需要精心扫描，站间拼接作用的测站可将扫描精度适当调低。单站建筑三维点云数据如图2。同时，对于同时出现在多站点扫描范围内的公共区域，也应适当降低扫描精度，避免数据重复，拼接重影或资源浪费的情况发生。

图2 单站建筑三维点云数据

1.2 内业处理

建筑的原始三维数据采集完成后，需要对其进行优化处理。因为外业扫描均为单站测量，在后期处理过程中需要将所有单站数据进行拼接，使其构成完整的建筑模型。同时，扫描仪的工作范围是水平方向360°，竖直方向270°，在外业操作的过程中，不可避免地会采集到单体建筑以外的场景信息，这些信息是干扰因素，需要内业处理将其进行去噪。

站点位置选择不当、标靶遮挡不清、系统计算误差等因素是导致拼接失败的主要原因，在拼接过程中，如出现拼接错误或拼接无效的情况，需要人为干预来实现站点之间的连接。优化拼接前后效果对比如图3。所有测站拼接完成后，对其进行“创建扫描点云”操作，去除重叠部分的点，使场景中所有测站点的密度保持一致，便于后期操作和处理。最后，对数据进行去噪处理，将整体场景中的噪点、环境等不需要的点去除，单独留下建筑本身的点云，为图纸绘制和模型建立提供依据。

图3 优化拼接前后效果对比

2 二维图纸

点云数据采集与内业处理为民族建筑的图纸绘制提供了依据。利用已经处理好的点云图，通过剖切的方法来获取建筑的平面轮廓图，同时变换视图角度获取不同方向的建筑立面图，将绘制苗族建筑所需的点云数据作为底图，以此为参照，准确绘制二维图纸。吊脚楼平面轮廓图如图4。

通过已知的平面轮廓图，可以确认建筑的平面尺寸，并且准确定位柱、门、窗等构件的位置；利用立面点云图，可以明确建筑的层高、建筑样式等民族性强的标志，极大地节省了外业测绘时间，同时可以减少误差，最大程度地逆向还原吊脚楼的二维图纸。绘制完成的平面轮廓图如图5。除此之外，对吊脚楼的关键节点进行绘制，如：梁柱间的榫卯链接，门窗的样式等。通过对吊脚楼建筑进行细致的研究与绘制，最终构建出吊脚楼的施工图纸集。吊脚楼立面图如图6。

图4 吊脚楼平面轮廓图

图5 绘制完成的平面轮廓图

图6 吊脚楼立面图

3 BIM建模与动态施工

BIM是以三维数字技术为基础，集成建设工程项目各种相关信息的工程数据模型，同时又是一种应用于设计、建造、管理的数字化技术[3]。BIM 包含了建筑物在项目建设周期中所有相关真实信息，不仅包括几何信息，几何信息是指建筑模型外部和内部空间上的三维几何表示，通常是基于参数化的三维构件模型来表达，如梁的长度、宽度等。同时还包括非几何信息，非几何信息是除了几何信息以外的其他信息总和，通常是指建筑模型中的参数属性，如建筑材料的价格、材料类型、重量、进度等信息[4]。当前，BIM 技术已成为建设领域信息技术的研究和应用热点，BIM 的应用价值已经得到政府的高度关注和行业的普遍认可。然而，BIM技术应用在民族建筑上的案例却相对较少，利用BIM参数化建模功能，为所有建筑构件设置参数，除了尺寸信息位置信息外，还能够更详细地将构件材质、功能等一系列信息添加到单个构件中，能够实现对所有构件进行实时查询的效果。同时，将吊脚楼模型赋予动态施工模拟的功能，使吊脚楼的建造过程实现可视化，为吊脚楼的数字化保护提供支持。

3.1 苗族建筑的BIM建模

将前期绘制好的二维施工图纸导入到Revit软件中，建立共同的轴网，通过“拾取线”的方法实现模型的快速建立，并将吊脚楼所有的木结构梁、板、柱等构件与参数关联，最终实现参数化建模，以此反映该建筑的真实信息。

因建模软件的面向对象为现代建筑，在对苗族建筑进行绘制的时候难免会因造型复杂而难于绘制的问题。例如，吊脚楼的六角花柱，每根柱子都有六个角，并且柱子不同的位置尺寸不一，出现很多倒角，而软件中现有的柱子满足不了六角花柱建模的需求，因此就需要对特殊的构件进行特殊建模。以绘制族的方式实现对六角花柱的绘制，以柱底为起始点，根据点云量取的尺寸，每个一定的距离绘制平面正六边形，利用“融合”命令将不同面的正六边形融合成一体，形成倒角，完成六角花柱的制作。六角花柱立面图如图7。

图7 六角花柱立面图

除了单体构件的建模需要特殊处理以外，苗族建筑的结构建模也十分重要。为了真实地反映苗族吊脚楼的结构形式，需将整个建筑全部拆开，了解构件与构件之间的关系，经过调研发现，木结构吊脚楼大多采用榫卯连接的结构形式，成百上千个柱与梁的榫卯形成了稳定的框架结构，然而，现代建筑却多用钢筋作为加固构件的纽带，对吊脚楼在进行建模时，构件连接处的真实性合理性也需要在BIM模型当中体现出来，因此，需要将存在榫卯关系的构件进行特殊处理，以达到最终目的。梁柱榫卯连接图如图8。

图8 梁柱榫卯链接图

在建模过程中，单个青瓦片的绘制、瓦片群的造型、苗族特色木门窗的绘制、楼梯与楼板的搭接方式、椽片与檩条的固定等都是建模的难点。最终将苗族吊脚楼的BIM模型绘制完成，吊脚楼三维BIM模型如图9。

图9 吊脚楼三维BIM模型

3.2 动态施工

通过现场调研、查阅资料的方式整理吊脚楼的施工工艺，获取一套完整的施工流程。苗族建筑施工流程图如图10。将吊脚楼BIM模型与Navisworks Manage链接,编制施工进度计划表，在编制进度表的时候应具体到每一个构件，同时保证施工顺序的准确性，以施工进度表为基础对模型构件进行施工顺序编排，并对每一项施工工艺进行说明，完成整个吊脚楼的动态施工模拟。动态施工模拟如图11。苗族吊脚楼的动态施工能够直观地将其建造过程展示出来，指导现实中吊脚楼的施工，结合二维施工图纸，形成完整的苗族吊脚楼施工工艺数字化保护。

图10 苗族吊脚楼施工流程图

图11 动态施工模拟

4 结 语

民族地区的特色建筑是值得保护和再次开发利用的，本文提出的数字化保护方案能够为民族地区的建筑遗产保护提供支持。利用三维激光扫描技术对建筑、建筑群以及场景进行原貌复制，利用BIM技术对民族建筑进行参数化建模、图纸绘制，并通过动态施工模拟的方式实现民族建筑施工工艺的可视化保存，一系列工作成果能够基本达到对民族建筑数字化保护的目的。在保护的同时，也应当注重科学合理地开发，将特色民族建筑作为旅游资源，通过旅游开发的方式促进民族地区的经济发展。

[1] 王水明.地面三维激光扫描技术在工程测绘中的应用[J].装备技术，2017(1):1．

[2] 刘鹏.三维激光扫描技术在异性建筑玻璃幕墙中的应用研究[J].科技创新与应用,2017(3)：26.

[3] 郑华海，刘匀，李元齐. BIM技术研究与应用现状[J].结构工程师，2015(4):233-239.

[4] 程歆琛.BIM技术在建筑工程结构设计中的应用研究[D].长春：长春工程学院，2016.

(责任编辑 王楠楠)

Digital Protection of National Architecture in Dawan Miao Village, Songtao County, Guizhou Province

PENG Yong-peng, ZHANG Qing-gao, XIAO Xiao-wei, Ayiding, MA Hong

(Shool of Civil Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

In order to improve the accuracy and effectiveness of the Miao building protection, a Miao building digital protection method is put forward in this paper. Taking the Miao Diaojiao buildings in Dawan Miao Village, Songtao Miao Autonomous County, Tongren City, Guizhou Province as the research objects, we use 3D laser scanning technology to collect the three-dimensional point cloud data of the Diaojiao buildings, and then extract the information such as size and style of node from the point cloud. Meantime, we draw the 2D construction drawings to establish the complete and standardized drawing sets. Supported by BIM and construction drawings, we parametrically model the Diaojiao buildings. By the dynamic visualized construction simulation to analyze the construction technology of Diaojiao buildings, it shows the construction process intuitively. We make Dawan Miao Village digital protection possible by the three-dimensional point cloud, construction drawings reverse design and dynamic construction simulation.

Diaojiao building; 3D laser scanning; reverse design; BIM

2017-01-19；最后

2017-03-25

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC201501040101)。

彭永鹏(1989-)，男，山东高密人，助理工程师，主要从事民族建筑数字化保护研究。

2096-1383(2017)03-0253-04

TV17

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