基于多源数据的既有古建筑数字化建模技术

余芳强 陈 菁 谷志旺

1. 上海建工四建集团有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建与持续利用工程技术研究中心 上海 201103

1 工程概况

上海玉佛禅寺大雄宝殿作为优秀历史建筑，重建于民国时期，是寺院建筑的主体部分。由于历史久远导致原始图纸缺失，故为避免结构老化、损毁，对于此类古建筑的保护需要建筑物准确完整的数据，目前利用传统的测绘、照相等方式收集、归档图纸、影像等资料，其准确性和整体性存在一定的局限。本工程对大雄宝殿具体采用BIM技术、Faro Focus3D地面三维激光扫描、航拍倾斜测量等方式进行多源数据建模[1]，实现对其高精度的数字化保存，为古建筑的修缮工作提供了准确的工程信息。

本文针对建模对象的特点，采用合适的建模方式获取三维数字模型，实现对既有建筑外围环境和内部房间结构扫描的三维重建方法，解决单一方式无法兼顾建筑外部庞大的数据量和内部高精度细节的问题。对不同精度的数据源所建立的单独模型进行整合，重建了大雄宝殿的三维模型，并将建立的模型在施工方案策划、进度管理和远程轻量化查看等场景中进行实际应用，验证该建模方法的适用性和价值。

2 既有古建筑原始数字模型创建方法

对于玉佛寺大雄宝殿这类古建筑，通过单数据源不能提供建筑物的完整信息，本研究针对不同建模对象分别应用了BIM软件建模、三维激光扫描、航拍倾斜测量等技术进行原始模型创建。

2.1 应用BIM技术创建主体结构和施工措施数字模型

根据工程测绘图纸，应用BIM软件对大雄宝殿主体结构进行建模。在此模型的基础上，根据施工方案具体建出地砖、青砖基础、下托盘梁、托换装置及平移顶升设施的模型（包括千斤顶、支撑钢管等，图1）。

图1 BIM模型

通过BIM模型可以有效地进行施工模拟，辅助现场的施工，确定最佳的施工方案，对进度计划的制订及执行进行复核及修正。

通过对古建筑的结构体系与组成构件的研究，发现中国古建筑最显著的一个特点就是建筑上的模数制和定型化。各构件的尺寸与模数都有一定的比例和关系，BIM技术可以为古建筑构件的参数化提供技术支撑。根据这个特性，本工程具体对BIM软件建立的模型构件如斗栱进行参数化研究，利用古建筑构件的常规数据库找到参数化古建筑工程快速建模的方法。

带斗栱的宫殿式建筑，以“斗口”为基本模数[2]，所有建筑构件又根据该斗口模数按照一定比例制作而成。拆分斗栱的组成部分，对每一个组成部分建族。根据古建筑木作营造技术，规定斗栱各构件的长、短、高、厚尺寸以及比例关系，建立单个构件BIM软件族[3]，分析每个组成部分，将构件外边构造转换成数值，分析该数值得出关系式将其公式化，并使每一个尺寸均以斗口为基数进行参数化控制，注意单个构件建立时，以基准线为参照[4]。将单个族嵌套进斗栱族中组合，利用每个部分之间的关联参数“斗口”，将所有参数相关联，使斗栱族全局参数控制几十个嵌套族。

斗栱由斗栱构件竖向叠加而成，嵌入族彼此之间通过放置高度关联参数，以及彼此之间的位置关系来定位（图2）。

图2 参数化斗栱族

2.2 应用三维激光扫描技术创建建筑外立面及室内装饰数字模型

针对古建筑，适合应用三维激光扫描技术进行建模的内容包括：

1）整体建筑外立面：古建筑外立面及屋顶风格特殊，结构以及构件种类较多，参数化正向建模困难，适合采用三维激光扫描等逆向建模方法。另外，针对空间拓扑关系复杂、构件之间形成互相遮挡的问题，在逆序建模时先将点云封装成面片，之后对面片进行空洞修补，包括内部洞、边缘洞等数据空洞。

2）建筑内部装饰构件：玉佛寺等既有古建筑内部包含雕像、廊柱、佛台、墙壁浮雕、屋顶壁画、屋顶特殊造型以及古建筑榫卯结构横梁、立柱等，适合采用三维激光扫描技术。但为兼容数据完整性和轻量化目的，我们采取“先总体后局部”的数据采集方案，先对大殿内部框架结构进行全景精细扫描，之后针对佛台、墙壁浮雕、屋顶壁画等进行限制范围的高精度扫描，以保证数据完整，同时尽可能减小数据量。

针对古建筑的三维激光扫描模型处理工作[5]，本研究还进行了以下创新：

1）采用基于对象特征的点云匹配技术[6]，对经过特征匹配后的数据进行精确ICP最近点迭代计算，提高数据配准精度，同时节省了一定的处理时间，且达到了与基于标靶球匹配的同等效果。

2）对于不规则的曲面采用NURBS曲面建模，对于多种类、不规则构件则制订相应的建模准则，特殊型构件利用点云数据直接生成面片模型并进行适当雕刻，对于普通型构件则利用既有模型进行参数化修改完成。

3）将不同类型的构件分为特殊型和普通型，对不同类型的构件采用不同的模型重建方法，大大节省了建模时间，并且保证了数据的高精度与真实性。

2.3 航拍倾斜测量建模技术

既有古建筑经常出现四周空间狭小，且没有可利用的建筑能从屋面的平视视点对屋面进行扫描，若从地面对屋面进行激光扫描，则难以获取屋面精确的点云模型，因而适合利用倾斜测量技术进行建模[7]。另外，针对古建筑周围环境或周边建筑的初略建模，应用三维激光扫描技术工作量大、成本高，适合通过倾斜测量技术进行大规模成图，快速建模，来反映建筑物周边的真实情况（图3）。

图3 利用倾斜测量技术对大雄宝殿周边环境建模

本工程使用PhotoScan摄影三维建模处理软件对拍摄的照片进行数据处理，软件根据航拍照片的坐标、高程信息、相似度自动排列，通过导入影像POS数据或控制点对数据进行定向并提取带有坐标信息的点云模型，分类点云定制几何重建，快速生成三维模型的线、面、体，并通过对获取的影像进行可视化处理，赋予三维模型材质纹理。

3 基于多源数据的模型融合技术

在综合考虑各类三维模型处理软件的优缺点之后，本研究采用3DS Max软件进行多源数据的融合，包括BIM模型、点云模型、倾斜测量模型等。模型融合工作包括多源模型的基点调整、比例协同、格式选择和模型精度协调，其中难度在于模型格式选择和精度协调。

3.1 模型格式选择

BIM模型可以通过dwg和fbx这2种格式导入3DS Max软件中，但因通过fbx格式输出会生成很多面和点，导致在3DS Max中场景不流畅，故本工程将已有BIM软件模型进行拆分、筛选，将需要的部分以dwg格式按图层进行多边形网格导出，在3DS Max中将颜色和材质导入dwg格式文件，并保留BIM软件模型中相关构件的属性，如需在3DS Max中修改相关构件属性，需将构件上的材质去除，使用UVW移除可实现此操作，即可在3DS Max中对相关构件进行材质、颜色的修改。

3.2 模型精度协调

利用BIM软件建模的模型，细节精度较低，色彩还原度差；而三维扫描模型由大量的点云形成复杂曲面，未经简化的模型构件的面片数高达千万面。对点云模型进行轻量化研究，将2种精度的模型进行处理后整合统一至同一平台。

1）点云降噪，在对实测点云数据数字几何处理及应用之前，必须对点云进行滤波降噪处理。降噪的目标是在保持点云模型采样表面的拓扑特征以及几何特征的前提下，有效剔除噪声并重建原有光滑表面。

2）点云模型封装为面片模型，原三维扫描模型得到的文件格式是pts，实际内容是大量点阵。在模型处理阶段主要是对模型面片进行编辑，因此需要将降噪后的pts点云模型封装成面片模型。在本平台中选择的中间格式是obj面片格式文件。

3）根据算法减面，MeshLab面角度减50%，线角度减50%。

4 应用验证

在玉佛寺大雄宝殿保护修改工程中，本研究应用基于多源数据创建的数字化模型，实现平移顶升方案模拟以及施工过程监控管理等工作。所获取的三维模型根据精度的不同在工程中的应用也有所不同。

4.1 平移顶升施工方案模拟

大雄宝殿建设年代久远，结构老化，木柱及墙体出现不均匀沉降情况，这会造成施工质量问题并导致安全隐患。本工程体量虽然不大，但平移顶升工艺的特殊性需在每个施工阶段都表现其具体的工况。

通过三维扫描获得大雄宝殿外立面和内部佛像等的模型，通过倾斜测量获得大雄宝殿屋顶和周围模型，通过BIM软件建立建筑基础结构构架与施工措施模型，对其进场前的现状、保护性落架建立模型。通过3DS Max对多源数据模型进行整合，保存为fbx模型。然后在Navisworks中进行施工过程模拟，包括对第1次土方开挖工况、静压桩施工及上部结构加固工况、木柱托换工况、第2层土方开挖工况、下滑道梁施工工况、整体平移工况及顶升工况依次进行施工模拟，确定了平移顶升施工的专项方案及工期计划。

4.2 施工过程监控管理平台

我公司自主研发的针对建筑物平移顶升的远程智能监控平台，通过物联网技术实现对设备运行状态、施工状态、安全监测等各类数据的集成，并与BIM模型进行整合，形成移位全过程信息化模型，基于云计算、WebGL等技术对施工过程进行远程实时动态虚拟展示，实现对平移顶升全过程的远程监控、多维度分析预警和4D展示。该平台将融合后的模型在网页端进行渲染，并与监测数据结合，实现数据驱动的施工过程仿真模拟。该平台支持在网页端、手机端随时随地通过三维可视化窗口来了解施工状态、平移顶升情况和预警信息（图4）。

图4 远程智能监控平台

5 结语

本研究针对既有古建筑特点，研发了一种基于多源数据的数字化建模技术，通过应用实践总结，得出以下结论：

1）利用BIM、三维激光扫描、倾斜测量等技术分别对既有古建筑的结构体系、外立面和内部装饰、屋顶创建原始模型，并通过多源数据融合技术，重建了古建筑的完整模型，为既有古建筑的修葺、保护、修复提供精确的数字化信息。

2）基于多源数据形成的数字化模型的精细度和准确度可满足既有建筑改造过程的方案模拟、施工过程监控与管理等需求，实现可视化、精细化的施工管理，提升既有建筑改造、升级、加固的施工效率和管理水平。