三维激光扫描技术及BIM技术在古建筑保护测绘中的应用

马宏毓 赵 新

（1.中兵勘察设计研究院有限公司，北京 100053； 2.北京中和盛图测绘有限公司，北京 100079）

0 引言

我国幅员辽阔，历史悠久，建筑文化遗产资源极为丰富。然而，在目前现代化城市的建设中，现存的古建筑不同程度地遭到破坏，保护古代建筑及其蕴含的文化价值是目前各个城市面临的重要课题。古建筑测绘成果为保护、发掘、整理、利用古代建筑遗产，为建筑历史与理论研究、建筑史教学提供翔实的基础资料，为继承发扬传统建筑文化、探索有中国特色的现代建筑创作提供借鉴[1]。

古建筑测绘从字面上理解是测量古建筑物的形状、大小和空间位置，并在此基础上绘制相应的平、立、剖面图纸。但是，随着文化遗产保护理论的发展以及测绘技术的革命性变革，古建筑测绘是对古建筑本身、物理信息和人文信息以及随时间变化的信息适时采集、测量、管理和利用的技术活动，是建立建筑遗产记录档案工作的重要组成部分。在建筑遗产的研究评估、管理维护、保护规划与设计、保护工程实施、周边环境的建设控制以及教育、展示和宣传等方面起到重要作用。传统古建筑保护的手段主要依赖于测绘图纸、文字以及师徒相传等，这些手段容易造成古建筑信息管理不完整、查询不方便等弊端。本文提出了一种BIM 技术与三维激光扫描技术相结合的方法，创建带有丰富属性信息的古建筑三维模型，建立测绘数据和信息数据库、地理信息管理系统等。以工程实例证明该项技术手段在古建筑保护工作中的优势。

1 传统古建筑测绘方法

古建筑测绘需要测量建筑物的真实尺寸，各构件相对关系等基础数据，尤其对结构性的大木构件如柱、梁、檩、枋等，要进行全面详细的勘查和测量，对于较高的建筑，只能爬上去测绘，不但精度差，还容易损坏古建筑[2]。用于保护工程的全面勘测，除对建筑的几何属性，包括沉降、歪闪等变形情况进行测量外，还要进行工程地质勘察、木构件腐朽程度探测与记录、结构可靠性验算、壁画彩画病害分析等。传统测绘方法常用仪器有皮卷尺、钢卷尺、水平尺、垂球、全站仪及GPS等，所测的数据输出的都是二维结果。如绘制建筑物的平、立、剖面图，总平面图及大样图，文字档案等。不易对所测得的信息进行统计与整理，这样保存下来的信息缺乏直观易读性、系统性与可继承性。根据古建筑物本身形式的特点，测绘方法的难点也在于如何获取细部数据，尤其是对于形状不规则、结构复杂的对象，立面和剖面绘制的工作更是非常繁琐的。外业实地测量数据时，获得完整数据且精度满足要求并不容易。尤其对于古建筑中的雕刻、文字、彩画等进行实地测量时，既要记录其真实状态，同时也要记录可能由于环境影响和人为因素产生的剥落、风化、毁坏、残缺等不同程度的破坏。另外碑刻、文字，是记载建筑历史的重要文献依据，是古建筑保护的核心内容之一，传统方法一般很难对其准确测量还原。本文以密云区古北口村杨令公祠正殿为例，该殿为庑殿式建筑，图1、图2为传统二维图纸，正殿南立面图与剖面图。

图1 杨令公祠正殿南立面图

图2 杨令公祠正殿剖面图

2 三维激光扫描技术原理及优点

三维激光扫描技术作为一种高精度的全自动立体扫描技术，是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。它能将实物的立体信息转换为计算机直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段，而且其测量结果能直接与多种软件对接。它突破了传统测绘的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。在无接触情况下获取以上所有信息，保证了其真实性和历史感，也不会对建筑有任何破坏，图3为杨令公祠正殿三维扫描点云南立面影像截图。

图3 杨令公祠正殿三维扫描点云影像截图

3 BIM 技术在古建筑测绘中的优势

BIM 是建筑信息模型的简称，是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础建立的模型，它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视性、协调性、模拟性、优化性和可出图性等八大特点。REVIT 软件以三维激光扫描仪扫描的三维点云数据为基础，创建BIM。绘制模型的过程，也就是对古建筑全部数据、信息录入的过程，模型是严格依据测绘数据而生成，测绘所得的所有数据信息都包含在这个数字模型里，在创建模型的同时，将相对应的材质、名称等属性信息进行录入并定义。在绘制完成后，这些数据便会出现在“族类型”列表中，这样在准确记录模型形状的同时，又把模型的数据信息直观、清晰地展现了出来。

古建筑绘图工作繁琐，形制尺度的规定也较多，但是区别于现代建筑，古建筑的固定搭接、模数化的尺度以及特征化的组合等特点，是一种基于特定尺寸构件基础上的“参数化”的设计与搭建过程。便于实现参数化的古建筑模型，减少重复工作[3]。

运用REVIT软件中“族”这一功能，自定义所需构件模型参数，通过分析模型构件的特征，选择用“拉伸、放样和融合等”命令，或叠加几个命令共同使用。族的状态是通过几个参数进行控制的，当我们再次遇到相同或相似构件时，可直接修改参数即可使用。形式相同的构件，只需复制并重命名其属性信息即可得到一个新的相同尺寸的构件，这种操作方法不仅提高效率，而且易于对古建筑构件进行分类和统计，有助于对古建筑进行整体、系统地研究。BIM 技术创建的三维模型相比二维的传统CAD图纸，优势更为突出。图4为杨令公祠正殿BIM 截图。

图4 杨令公祠正殿BIM 截图

4 实例对比分析

图5、图6为杨令公祠正殿檐柱部位正立面与东立面的现场照片。图中线框部分为本次对比研究的主要部位。

图5 杨令公祠正殿檐柱部位南立面照片

照片显示的部位含有构件檐柱、檐檩、檐垫板、檐枋、抱头梁、穿插枋及雀替等。

传统测量方法，需要对此部位进行三视图的绘制以及绘制剖面、局部大样图等。绘制过程繁琐且需要同时考虑相连接构件之间的相对关系及尺寸，容易增加出错的概率。图7为该部位三视图。

图6 杨令公祠正殿檐柱部位东立面照片

图7 檐柱部位三视图

在REVIT软件中，换了一种思路，是以单体构件为单位，不需要综合考虑所有构件的相对搭接关系，分成两步先把单个构件创建准确，再进行相互搭接。这样更容易减少错误的产生。类似模拟还原建设房屋的步骤过程，把建筑重新复建起来。图8为BIM 构件单位分解截图，图9、图10为BIM 构件搭接后正侧立面截图。

图8 与檐柱搭接的各构件单体示意图

图9 组合后檐柱部位正立面示意图

图10 组合后檐柱部位侧立面示意图

再通过设定标高、轴网等命令，运用REVIT软件中提供的立面、剖面剖切功能，从而自动生成所需部位的二维、三维图（见图11）。信息更完整，精度也更高。

图11 导出所需部位二维、三维图

同时REVIT 软件中提供的明细表功能，能很好的用于数据统计方面的工作。在一个BIM 中，对每个构件进行命名，它们以族或者实例的状态独立存在，我们可以定义族或者实例的结构类型、材料等相关属性，当我们需要系统、直观地得到某一类型下实例的特定信息时，只需要建立一个相关类型的明细表，将所需要的属性一一调出即可（见图12）。

BIM 的直观可视性，大大降低了研究古代建筑卯榫结构的难度，通过图纸，靠空间想像力去理解卯榫结构实在是效率又低，难度又大。通过对模型的尺寸分析、搭接方式分析，可以快速理解掌握其中的精髓。如图8所示，可以非常清晰直观地看到每个部位搭接方式，让我们从“师傅带徒弟”这种单点传承方式中解脱出来。在由衷赞叹古人智慧的同时，让更多的人真正了解、掌握卯榫结构，而不是只知道中国古建筑大木结构很厉害和“墙倒屋不塌”这一句话。要知其然，更要知其所以然。

图12 导出部位明细表

5 结语

在逐步数字化的今天，三维已经逐渐的代替二维，三维激光扫描技术弥补了传统的古建筑测绘工作中细部数据获取难度大、精度低的这一缺点。结合BIM 技术的发展，逆向建模还原我们的古建筑。指导其测绘、保护、修缮等工作的进行。同时，因为模型是单体的形式组合而成，研究者能够以直观、细化的角度去研究和剖析古建筑结构单体中的每一个细节，例如榫的选择形式及传统工艺技巧等。从中发掘出新的思路和价值，借鉴吸收古代建筑中的营养，让传统古建筑技术得以传承和延续，让建筑之路充满中国特色。