基于激光点云数据的古建筑BIM三维重建与信息化管理研究

许建金 陆春光 郭旭 杨梦南

摘   要：文章分析了古建筑三维重建和信息化管理的重要性，通过GIS和BIM技术并使用激光扫描来取得有关古建筑数据的信息，对古建筑进行数字保护。

关键词：激光点云;建筑信息模型;白鹭古村;三维重建

古建筑是中华文明5 000年来文化的积累与沉淀，承载着历代华夏儿女对建筑的理解与传承，是人类文明中不可或缺也不可复制的一部分，更不可再生，而且易于遭到战争和岁月的破坏，一旦遭到破坏，便使原有的设计及结构化为乌有，成为人类历史上永久的遗憾[1]。现如今，各种各样的原因造成古建筑数量越来越少，而且遗留下来的都遭到了或多或少的破坏。例如2001年3月被战争摧毁的阿富汗最有历史感、最巨大的佛像之一“巴米扬大佛”。古老建筑如今已成为我们不可多得的财富，所以，如何在不破坏建筑的前提下实现建筑的数字化信息保存和修复迫在眉睫[2]。保护古建筑是对中国建筑文化进行传承的重要途径，不仅有利于对古建筑的历史、文化、形式、构成以及科学价值进行研究，更有利于对古建筑下一步的修缮提供扎实的技术支持和数据支撑[3]。

古建筑的存留年代一般比较久远，而且往往发现的都是建筑群落，数量庞大，数据往往也保存得不够完善[4]。例如江西省赣州市赣县区白鹭乡的白鹭古村，是江西甚至国家保存较为完好的明清时期客家古建筑，有60余座经历600多年风吹雨打而不倒的祠堂、民居。但由于缺乏有效的保护，近年来有不少的民居因年久失修而纷纷倒塌。传统方法中对于信息的采集，往往是通过人工的途径，例如用皮尺拉、用纸张手绘等，并且因为绘图工具的限制，绘图精度也大大降低。近些年，现代技术不断发展，数据记录方式已经从以往的手绘笔录转变为数据机存。Autodesk Computer Aided Design软件、卫星导航系统、三维激光扫描获取点云数据等现代化技术为古建筑的保护和重建提供了最为精确的手段[5]。本文以地理信息系统（Geographic Information System，GIS）技术为基础，利用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）弥补GIS技术在建筑结构细节处的不足，利用三维激光扫描获取准确的即时数据，再套入点云数据，利用BIM技术即可将整个古建筑群落信息进行数字化、信息化保存，从而使古建筑得到最贴近实际的保护。

1    GIS技术与BIM技术在古建筑信息模型中的优势

建筑信息化是当今各个行业、各个领域发展的趋势，建筑信息模型等空间信息化技术已经成为各个高校关注的热点，它最突出的特点便是能够运用信息技术创建出贴合实际的数字化模型，从信息角度、三维视角对建筑的生命全周期进行反映、控制和管理，目前，在各个专家的完善下，该类软件已经能够成熟应用到建筑设计、建筑管理、建筑修复等领域[6]。在以往的建筑保护工作中，以计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术取代手工绘图被称为建筑文化遗产保护的第一次数字革命。现在，作为一项新兴技术的三维可视化技术足以引发建筑文化遗产保护的第二次技术革命，在这种大背景下，如何利用刚出现的新技术服务于古建筑保护和修复工作，是其本身，也是每一个想要保护我国建筑文化遗产的组织和个人所必须要考虑的。

BIM技术与GIS技术结合三维激光扫描技术在古建筑保护中的实际应用具有优势，BIM建模需要具体的原始数据，而这些原始数据的来源，是针对已有建筑的“实际复制”，根据现实中已经存在的建筑，采集数据，并进行三维建模。现实中古建筑，如白鹭古村，由于时间跨度比较大，并且图纸损失较大，完全无法从设计图中获取建模的信息，所以此时主要采用的就是这种方法。

GIS技术和三维激光扫描技术在这种方法中就显得尤其重要。三维激光扫描可以获取地表上建筑物的大体构造，基于点云数据，再加上GIS技术提供的地理详细信息，便能从整体层面创造BIM模型，避免了由于缺少图纸而采用人工操作造成结果与实际偏差较大的问题出现。点云数据和GIS技术能够确定构件的准确位置和尺寸信息的精确度，能够更为精确地获取到BIM建模所需要的数据。所以，BIM技术连同GIS技术和三维激光扫描相结合能够提供一种全新、有效、完整的古建筑数字化保护方法。

2    点云数据的获取与处理

点云數据是三维立体化最基础、最直接的表示方法，虽然可以反映建筑的大概形态，但是显示出来却是杂乱无章的，空间联系性较差，且可视性也很差。因此，需要对点云数据进行进一步的数据处理，再进行三维重建。物体的三维模型方式多种多样，包括三角网格模型、多边形模型等，其中，以三角形模型最为多见。点云数据的获取是先由仪器获得原始点云数据，再进行点云数据预处理，从而获取基础的点云模型。在基础的点云数据下进行三角网模型封装，再进行模型补洞与优化，获取最后的三角网模型。

3    基于Revit的模型重建

Revit模型的建立，是通过在已有建筑的情况下构建模型。第一步，通过GIS技术先将古建筑逆向还原，再用Revit链接后期处理完以后的点云数据。第二步，获取处理完的点云数据之后，可以利用Revit recap软件将点云模型转换为点云项目或者是点云项目的索引格式，然后利用Revit的插入点云数据选项将数据插入，为最终的族以及模型的建立作一个真实物的参照。第三步，在存在这些参照物的基础上，后期模型的构建就是在用户界面中修改族的各种参数，根据需要的构建类型直接从族库中获取，继而存入数据库中，系统会在构件数据库中自动生成其他数据，从而完成模型的整体构建。

3.1  族的构建

“族”模型是建立建筑模型的基础，是建筑模型的构件表达，建筑模型的建立能够宏观地把握建筑构造，“族”模型的建立则从微观方面了解建筑的具体构造。由于古建筑结构特殊，基本上所有的族都是现在族库当中所没有的，所以要根据白鹭古村的实际情况，建立其特殊的古建筑族库，服务于后续古建筑群落的建立。

3.2  模型建立

首先，建立标高和轴网，标高用以确定建筑物的高程以及高度，如以建筑物的层高、室内外高差、屋顶标高等主体构件的高度参照。轴网是用以对建筑物平面结构位置的确定，如梁板柱、门和窗户等平面结构的精确位置。可以依据建筑的标高和轴网进行建筑物的布置。这些是BIM模型建筑的基础。

其次，根据需要插入的构件族模型，调整参数，使其达到与建筑物实际情况符合的尺寸，再按照基础施工顺序将模型各个构件插入，位置、标高等需要精确。根据具体的布置要求，可以将各个构件放置在准确的位置上，例如把门窗放置在墙上、将屋顶放置在屋框梁上。

最后，在模型的属性信息里输入实际的数据，将古建筑的模型与实际相连接。完成模型的封顶，建立完整模型、场地的布置，其中，属性信息是BIM模型所特有的，也是BIM软件领先其他软件的地方，是BIM技术应用于古建筑三维重建和信息化管理的重要一步。

4    古建筑三维模型的信息化管理

本文中涉及的Revit构件属性信息的录入，不仅包括白鹭古村的地理地形位置、文化构件制作程序等人文、艺术、科学等方面的信息，还有细节方面的属性信息，比如基础构件的长、宽、高、基准点、插入点、面层材质、油漆涂料等细化信息。一旦更改，便需要及时录入数据库，确保数据的完整并能够得到妥善保护，以便后期可以随时调取相关构件的属性信息。

5    结语

白鹭古村古建筑的修复是一项综合性的技术工作，需要通过三维激光扫描测绘以及GIS技术获取数据，由BIM技术，构建出白鹭古村古文物三维立体建筑模型。基于BIM技术对模型数据的要求可以持续、完整地保存到古建筑群落的信息，创建出一个独特的古建筑群数据库，为之后的古建筑保护、修缮、重建工作提供技术、数据支持。在实际应用这些软件时，最关键的是保证数据采集的准确性，操作者应该做好相关的辅助性工作，在实际操作中尽量保证建模的效果和完整性。

[参考文献]

[1]陈优良，连伟海，卞焕.客家地名文化景观的空间分布特征及成因[J].测绘科学，2019（3）：70-77.

[2]贾雪，刘超，徐炜，等.海量点云数据的建筑物三维模型重建[J].测绘科学，2019（4）：124-129，181.

[3]陈明孝.古建筑数字化保护关键技术探讨[J].遗产与保护研究，2018（12）：71-73.

[4]邹波，朱明洁.古村落传统文化保护、传承与发展研究—以赣西地区莲花湖塘古村落为例[J].新余学院学报，2018（5）：47-51.

[5]贺一波，蔡建文，王金云，等.三维激光扫描技术应用于古城墙建模及修复[J].激光杂志，2018（2）：85-89.

[6]陈庆军，王永琦，汪洋，等.基于Revit及Revit API的应县木塔建模研究[J].西安建筑科技大學学报（自然科学版），2017（3）：369-374，381.

Abstract：In this paper， the importance of three-dimensional reconstruction and information management of ancient buildings is analyzed. Through GIS and BIM technology and laser scanning， information about ancient buildings is obtained， and digital protection of ancient buildings is carried out.

Key words：laser point cloud; building information modeling; egret accient village; three-dimensional reconstruction