BIM技术在西安历史街区改造中的应用研究

刘 杉，魏舒乐，杨 雪

(西安培华学院，陕西 西安 710125)

0 引言

西安作为历史文化古城，历史街区是其承载历史文化及独特建筑风格的居住聚集区，其历史底蕴厚重、留存着旧时代人类居住的痕迹，体现了特定时期的建筑技术、特征，在历史文化传承和研究过程中发挥着不可替代的作用。从建筑形态上看，历史街区并非单一、独栋的历史建筑，其呈现出多模态的聚集性，参数数据庞大，采用传统的人工测绘及CAD技术采集参数数据，不仅耗时、耗力，而且容易破坏建筑的原有风貌和特性，且数据精准性、保密性不可保证，因此亟待技术创新。建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术可集成建筑设计、施工及运维管理全生命周期的工程信息，并进行三维数字建模，模拟施工进度，并嵌入成本、时间信息，为历史街区的改造提供全流程的支撑。此外，倾斜摄影技术可以通过非接触方式，多维度采集历史街区的海量参数，对于实现三维实景的高精准建模具有重要影响。本文将BIM技术与倾斜摄影技术[1]相融合，分析其在西安历史街区改造中的应用。

1 西安历史街区改造的项目概述及难点

1.1 项目概述

西安作为我国的历史文化名城，曾是几朝帝都，在我国历史文化传承发展中有着重要的地位，其历史街区是独特的族群社区，承载着西安社会、历史文化、物质形态等多元价值，由不同的建筑群、街道组成，独特的建筑风格、手法充分反映了该地区特定时期的建筑文化特色。历史街区多位于城市的老城区，居住人口过密、环境复杂，且长期受自然环境的外力侵蚀，并且私搭乱建、超负荷使用问题严重，导致历史街区内建筑大量损毁、破败，加之街区的街道狭窄，交通通行不畅，根本上影响了历史街区的使用性、观览性，使得街区整体环境和活力下降。因此，西安市历史街区的改造迫在眉睫，亟待进行统筹规划、设计和管理，以满足现代人的生活需求，并依托其独特的建筑、街道景观和文化底蕴，发展旅游产业。

1.2 改造难点

历史街区是居民生活的聚集区，由建筑、街道、广场、绿化等多类元素构成，不同建筑、街道建造方法、结构的形貌特征各异，因此采集的数据不仅要包含几何形体、物理特性、状态属性等建筑构件参数，还需要采集周围环境、居民行为等非构件对象的参数信息，参数呈海量、多元化特征。BIM模型应用可还原实景，通过全景、实地的分析，给出改造方案，技术应用的关键在于将采集的参数录入计算机，通过数据处理建构三维实景模型，进而基于历史街区的实际情况进行改造设计。因为年代久远，历史街区的结构、分布图纸或遗失或资料不全，严重阻碍了改造设计的进程。为此，必须对历史街区进行信息测绘和数字化建模，传统的全站仪结合CAD现场实测的方法，需要投入大量人力、物力，耗时长、测绘精度低，且容易破坏历史街区的原貌特征，因而亟须一种高精度的测绘、建模技术。

2 BIM技术在历史街区改造中的具体应用

2.1 数据采集

西安历史街区的构成复杂，且无具体的图纸可查，一切实景、结构均需要进行实地测绘，因测绘对象多、且个体之间存在较大差异，参数信息的采集量庞大，因为历史街区尚在使用，无论民居、商铺还是展览馆，逐一进行入户测量难以实现。BIM技术应用下的Revit可连接点云和实测数据，建构历史街区中各类建筑物的标高、轴网，描述进深、高度、尺寸、结构等关键信息，以此构建3D参数模型。Revit是BIM的核心软件，自身拥有建筑机构子系统，并可直接对该系统下的模型及数据进行结构分析[2]，但Revit不能有效覆盖历史街区的全部参数对象，因此，无法实现完整数据的采集录入。倾斜摄影技术弥补了正射影像仅可从垂直角度拍摄的缺陷，通过非接触传感器搭载在飞行平台上，从垂直、倾斜等不同视角采集历史街区各个组成部位的全貌影像，实现了完整的参数采集。因此，可在BIM技术基础上融合倾斜摄影技术，选用搭载云台相机的大疆Mavic Pro型号作为飞行平台，配置高清、立体的成像系统，通过64.8 km的覆盖范围、18 m/s的飞行采集速度[3]，以“z”字形飞行模式，应用Altizure路径规划软件，进行测绘路线、高度、倾斜角度等的设置，对西安历史街区进行多维测绘，进而实现三维实景建模。

2.2 数据处理

采集的西安历史街区各参数对象的测绘数据，因个体形貌、坐标系的差异，数据中存在噪点、冗余等问题，影响到BIM技术3D可视化建模的精度和效率，因而需要对采集的数据进行处理。首先，将可异质化的参数导入Smart3D Capture软件，利用空三算法，将采集的数个影像数据导入并进行组合拼接，逆向建模，且软件附带OSGB，FBX，OBJ，DAE等多种数据格式，本文以OSGB格式作为输出数据格式，方便后续多个处理软件的应用的兼容，进而促进历史街区3D可视化实景模型的建构。其中，点云数据拼接是将所获取的不同坐标系的历史街区构件拼接至同一坐标体系，结合ICP迭代最近点算法，利用误差函数来表征点云重合区域的吻合度，而后，以最小二乘法迭代进行最优坐标转换，以确保误差函数值最小，进而精准拼接不同的测绘点。

同时，为满足BIM三维实景建模的高精准性需求，需要对采集获取的点云数据进行去噪、降维处理，以剔除非参数对象的点云数据。实际测绘中，西安历史街区建筑、道路、植被等参数对象数量庞大，且结构、尺寸、特征等差异较大，容易导致参数误差，且测绘设备自身及车辆、行人、飞鸟等周围环境因素均会影响采集的点云数据的准确性。为此，可采用Geomagic软件进行去噪处理，让BIM模型与西安历史街区实景数据相吻合。此外，因测绘的点云数据较为繁杂，影响了BIM三维实景建模的速度，可利用Geomagic软件，根据BIM对西安历史街区三维建模的实际需求进行三维抽稀。

2.3 三维建模

获取西安历史街区不同参数对象的数据后，要生成三维实景模型有两种路径。

2.3.1 点云“切片”

利用Geomagic构建带比例的图像，而后导入AutoCAD生成二维线划图，或是根据剖面图等截割投影制图原理，结合绘图部位和精度，生成特定厚度的点云“切片”，将其导入AutoCAD 生成二维线划图。

2.3.2 将点云“切片”导入AUtodesk Revit，结合平立剖面生成3D模型

西安历史街区的构造复杂，导致直接生成的三维实景模型精度不足。因此，可先生成二维图，再进行建模，可以首先提取点云特征线，利用Auto Recap软件将数据转换为RCS格式的文件，再运用AutoCAD的插入点云功能将其导入点云，定义坐标系UCS，让扫描坐标系可以适应CAD的世界坐标系，此时，便可通过导入的点云，依据西安历史街区特征提取楼梯、屋顶、柱体等特征线，通过人工测绘补齐缺失的数据，生成二维图纸。随后，在Revit软件中导入二维图纸，据此建构三维实景模型，在细化分析西安历史街区建筑、街道等内部结构的基础上，分层、分专业地建构Revit模型。在建模开始前，可先对西安历史街区的不同构件进行分类，根据实测的点云数据获取复杂参数对象的尺寸并构建专属的族，该族应包含构件的材质、形状、结构等内容，同时，需要增添黏土、砂浆等非几何模型，从而为后期的运维管理及改进设计提供有效支撑。

3 结语

BIM技术可集成不同建筑构件的参数信息，并利用信息整合分析、三维可视化的优势建构三维实景模型。本文以西安历史街区改造为例，引入非接触式、高清成像的倾斜摄影技术进行复杂参数对象的信息采集，据此构建3D模型，通过可视化、模拟化的3D模型完成改造设计与施工，为历史街区的改造优化提供了新的思路和方法。