基于点云数据和BIM 技术的禹州义勇武安王大殿数字化信息构建

李彩奇，贺一明

（南阳理工学院）

1 禹州义勇武安王大殿建筑现状

禹州关帝庙位于禹州市西北28km的花石镇白北村内。庙中现存有山门、义勇武安王大殿、东配殿娘娘庙、瘟神庙和部分耳房。该庙始建于元至正九年（1349 年），明洪武十九年（1386 年）、正统十一年（1443 年）两次修复，后历代多有修补，是至今保存较好的元代建筑，为省级文物保护单位。关帝庙建筑的做法有着浓烈的地方特色，建筑木构的特点对于研究宋《营造法式》和元明时期河南地方建筑特征意义重大。

课题以禹州关帝庙义勇武安王大殿为研究对象。大殿坐北朝南，面阔和进深皆为三间，歇山九脊式。殿内大木构架保存完整，部分斗拱内跳散斗遗失。

2 古建筑点云数字化分析技术

2.1 点云特点及优势

三维激光扫描技术的原理是利用激光脉冲对物体表面进行扫描，从而获取被扫描物体表面三维点云数据。与传统的测绘技术相比，三维激光扫描技术具有良好的安全性和较高的精密度，可使测绘工作更加的经济和高效。点云输出文件与AutoCAD、SketchUp、Revit、ARCHICAD 等多种三维建模软件之间具有互操作性，可以实现数据的高效转化。除此之外，它的非接触式测量模式，可以避免传统测绘中人为踩踏等行为对古建筑造成的破坏，因而很快被应用于古建测绘当中。

2.2 BIM 结合三维激光扫描技术的应用前景

基于高精度点云数据创建的BIM 模型，能够更加准确、清晰地表达建筑物内部结构以及各部分的衔接关系；在已创建好的一类相对固定的古建筑构件中（如斗拱、梁、柱、屋顶，甚至整个梁架结构体），利用BIM 模型的数据共享能力，通过调整固定构件的参数就能快速获得所需尺寸的构件，使建立古建筑遗产“基因库”的构想成为可能[1]。

3 关帝庙大殿信息模型的建构

3.1 义勇武安王大殿点云信息的采集、处理

1）点云信息的采集

本次测绘的扫描站点分为建筑室内和室外两部分，且相邻站点之间应保证有共同参照。选好站点位置后做好标记，对扫描仪进行调平。扫描过程中，避免建筑周围有移动的物体对建筑物造成遮挡。本案例一共扫描了14 站点云数据，室外11 站，室内3 站。

2）通过共同点云部分来进行配准

将获得的点云TFZ 文件导入Trimble Realworks 软件，进行配准处理。配准阶段应该建立分组概念，把几个相邻站点创建成组，并以中间测站点云为参照，提高各个点云之间重合度。对于重合度较高的测站点云，选用自动配准工具，其它测站可以使用定点配准工具。

3）进行目标点云模型的建立

在项目点云的基础上依次进行分割、取样、优化等处理。取样和优化过程应控制点云的密度分布，降低模型运算量，提高模型清晰度。点云模型的误差值能够控制到2mm ～3mm，为后期BIM 建模提供了较为精准的数据。

3.2 基于点云的建筑信息模型创建

BIM（Building Information Modeling）技术，不仅是建筑形体的建模，更是对建筑信息的收集和统计，建立建筑特有的“基因库”。整个建立过程主要包括点云的链接置入、各视图的2D 图像描摹、建立“对象”模型、添加属性信息、建立注释标志、建立完整木构3D 模型。

1）点云的置入

利用软件的互操作性，将点云导入ARCHICAD 软件中，这时所导入的点云成为项目中的对象元素。点云对象在ARCHICAD 中具有以下特点：①点云轮廓线自动加粗，有利于控制测量。②可对点云对象进行剖切显示，自行调节剖视图范围，更直接获取构件截面尺寸。

2）建筑平面绘制

将点云旋转调整至正交状态。在楼层设置中依据建筑高度设置相应层高；在剖面或立面视图中将首层楼层标高作为起始标高；创建平面轴网。注意调整水平剪切平面至柱头附近，依此确定面阔和进深轴线。这样也就确定了建筑外墙里外包金的尺寸。

大殿面阔三间8.9m，进深8.88m，殿前有3.38m 为月台部分，面阔与进深比约为1:1。这一数据与少林寺初祖庵大殿的面阔进深比值极为相似。大殿的铺作层和少林寺初祖庵大殿也有相似之处，明间两朵，其余次间均为一朵补间铺作[2]（见表1）。

3.3 建筑大木构件的绘制

义勇武安王大殿为典型的厅堂类建筑，六架椽屋前后乳袱劄牵用四柱。大殿前后撩檐枋距离9600mm，屋面举高3195mm，举高比值1/3，举折较为平缓，彻上明造，运用原材，梁枋等加工粗糙，使用斜袱。在这种构件不十分规则情况下，传统测绘方法较难实施且所测数据误差极大。在ARCHICAD 中对点云对象建立剖切视图，排除看见其他梁架等点云的干扰，能够获得较为准确的构件信息。这一过程要求建立多个不同视角的剖切视图，互为参照确定构件空间位置（见表2）。

3.4 特殊构件的绘制建模

斗拱是古建筑最为重要的组成部分，极具时代特征和地方特色，对古建筑断代等方面有着重要的参考价值。斗拱的构件尺寸变化多样，不规则性较强，在依据点云绘制时，更能彰显出点云优势。

确定建筑的用材大小；对铺作层各构件尺寸和出跳距离，进行多部位、多次测量，分析数据离散程度，筛除特异值，确定取值区间，确定斗拱材广、厚。这一过程先对构件进行控制测量，确定总尺寸，再对各节点的尺寸进行测量，提高数据准确性。经测算，确定大殿用材截面尺寸约100mm×150mm，相当于《营造法式》中5 寸×3 寸这一未入等的五寸材，四铺作结构较宋代更加简化。这一过程要有建立“对象”模型的概念，以减小软件处理模型的信息运算量[3]。

表1 义勇武安王大殿外檐斗分布尺寸权衡表

表1 义勇武安王大殿外檐斗分布尺寸权衡表

西（南）次间 明间 东（北）次间朵距 朵距 朵距 朵距 朵距 朵距 朵距面阔/mm 1265 1265 1273 1274 1273 1275 1275进深/mm 1265 1265 1257 1256 1257 1290 1290

表2 义勇武安王大殿梁架举折尺寸数据表

对于截面较为简单的梁、柱等构件，可以利用点云图像描摹获得的构件尺寸，进行三维构件的参数化建模，这里不再赘述。

4 结语

结合现代数字化技术的优势，进行了基于三维激光扫描技术和建筑信息模型技术的古建筑信息记录。在本次研究过程当中，利用采集到的精准数据快速建立了古建筑信息模型，并基于这一平台通过数据统计和共享，建立古建筑数据库，有利于对古建筑构件分类整理和比较研究，为建筑遗产数字化发展和科学化保护提供重要参考。