重庆湖广会馆古建筑数字复原技术应用

杨晓林，曹 畅

重庆市设计院,重庆 400015

2020年重庆市住房和城乡建设委员会牵头,建设重庆市两江四岸核心区城市基础设施物联网一期建设项目,建设范围为重庆市“两江四岸”核心区,总面积约16.2km2,其目标实现物联网在重庆市城市基础设施领域的广泛应用,提高建设和运维信息化、智能化水平,基本形成“万物互联”的城市基础设施数字体系[1].重庆湖广会馆位于两江四岸核心区内,根据新型智慧城市建设方案规划要求,为保护古建筑,传承中国古建筑文化,弘扬中国古代工匠精湛技艺,数字化重现古代社会繁荣,因此对重庆湖广会馆建筑群进行三维数字化建设尤为重要,实现古建筑智慧运维管理,推动重庆市新型智慧城市快速发展[2].

1 古建筑数字化重要性

当前,各国城市基础设施物联网建设已上升到国家层面高度,欧盟通过物联网行动计划和数字化单一市场行动计划,打造欧洲物联网生态系统.日本利用物联网技术提升企业生产效率,升级革新制造模式.美国建立物联网技术标准,提升不同技术协议和产品规范的互操作性.我国在《物联网十三五规划》中提出,到2020年,国内具有国际竞争力的物联网产业体系基本形成.《重庆市人民政府工作报告(2019)》强调,推进智慧城市建设,制定新型智慧城市建设方案,出台大数据管理规定,加快建设市级数据中心和“数字重庆”云平台,实施一批智能化物联网建设示范项目,开启全域感知、互联协同、智能运营、便捷高效的智慧城市发展新图景[3].重庆湖广会馆作为示范项目,为实现万物互联、智慧运营,进行三维模型化、信息化尤为重要.重庆湖广会馆通过三维激光扫描、倾斜摄影、GIS等关键性技术数字复原古建筑,通过点云模型,重建BIM模型,输入构建参数,实践信息化维护、科技化管理、数字化传承等理念,为重庆市古建筑保护贡献技术支撑,推动行业数字化发展.

重庆湖广会馆分为3个部分:禹王宫、齐安公所、广东公所，如图1所示.

图1 项目Revit模型Fig.1 Project Revit model

2 古建筑测绘工艺流程分析

2.1 传统古建筑测绘流程与现代工艺流程对比

传统的古建测绘方法是往往要爬屋顶,以直尺和角尺等测量工具测量古建筑高程、角度、长度等信息,使用低像素相机记录二维图片信息.此方法缺点是作业辛苦且危险较多,需要就近测量,精度低,限制多,最重要的是保存的数据,信息量少[4].

现代工艺主要通过无人机、三维扫描、单反相机生成航空摄影测量数据、三维点云数据、高清影像,再对多源数据进行融合,生成平立剖面图,进行三维逆向建模,录入信息数据,为古建筑运维提供技术支撑[5].见表1.

表1 传统工艺流程与现代工艺流程对比Table 1 Comparison between traditional process flow and modern process flow

2.2 现代工艺优势

(1) 全面无接触测量(激光脉冲无损伤扫描测量;多角度数据采集融合;多尺寸三维信息融合).

(2) 高精度数据采集生成(亚毫米、毫米、厘米级数据采集;厘米级三维模型构建;1∶1尺寸原貌还原).

(3) 真实性还原实景(高清影像还原浮雕;航拍摄影还原屋顶三维信息).

(4) 成果延伸应用广泛(智慧古建;智慧文博;文物档案存档、修复;场景交互模拟;多种数据云平台实时管理)[6].

3 项目难点分析

(1) 湖广会馆浮雕面积广,通过点云扫描创建参数化BIM模型工作量大,故采用高清影像贴图进BIM模型中展示效果,如图2所示.

(2) 本项目运用软件近十款,软件之间数据传递需要考虑数据丢失性,通过软件比选方案选择最佳软件进行模型处理.

(3) 本项目瓦片数量达到几万片,且每个屋顶造型都有差异,使用常规方法放置需要长时间和大量人力投入,故使用参数化编程进行快速创建,提升工作效率,如图3所示.

(4) 古建筑构造复杂,图纸可参考性低,逆向创建BIM模型难度高,需同时参考归档图、点云图、高清摄影图[7].

(5) 三维扫描工作环境复杂,建模密度高,周围无制高点,扫描站点不易布置.

图2 禹王宫Revit模型Fig.2 Revit model of Yu’s Palace

图3 广东公所Revit模型Fig.3 Guangdong office Revit model

4 古建数字复原技术应用

4.1 三维激光扫描技术

4.1.1 扫描站点布置、路线规划

湖广会馆总建筑面积7 653 m2,实地踏勘后,制定详细扫描计划,在场馆内、大门及周边共设置扫描站点256个站点,每站扫描约10 min.

禹王宫,建筑面积2 270 m2,扫描83站数据,对11个殿堂内外进行扫描,平均每站扫描用时约10 min,带HDR全景拍照.

广东公所,外业共扫描56站数据,对5个殿堂内外进行扫描,平均每站扫描用时约10 min,带HDR全景拍照.

齐安公所,建筑面积1 600 m2,外业共扫描 67站数据,对8个殿堂内外进行扫描,平均每站扫描用时约10 min,带HDR全景拍照.

大门及周边,外业共扫描50站数据,对5个殿堂内外,及全部外墙立面进行扫描,平均每站扫描用时约6 min.

4.1.2 三维激光扫描技术路线

三维扫描主要对除屋顶外的区域进行扫描,完成部分区域的外业扫描站点后,进行内业点云拼接.在Scene软件中分小区域,率先进行初步拼接,删除小区域点云中杂物.若点云拼接精度或者重叠率达不到要求,则需现场进行重新扫描,再进行拼接处理.待所有小区域点云处理完后,整合所有点云数据,输出点云拼接报告,查看整体场馆拼接效果[8].见表2.

表2 三维激光扫描技术路线Table 2 3D laser scanning technology route

4.2 倾斜摄影技术

倾斜摄影主要对屋顶进行数据采集,首先勘测地形,规划飞行路线,选择光照强度强、空气能见度高的天气进行航拍.数据采集后导入Context Capture Master软件,检测影像文件完整性,随后进行空三解算,导出LAS文件,进行重建点云模型[9].见表3.

表3 倾斜摄影技术路线Table 3 Oblique photographic technique route

4.3 Arena 4D软件处理整合

将所有湖广会馆点云文件,转换为VPC格式,导入Arena 4D软件中查看编辑,处理杂点,并补充缺失部分点云数据.最后载入到Rhino中输出湖广会馆的平、立、剖面图,以便后续BIM逆向建模.见表4.

表4 Arena 4D软件处理整合流程Table 4 Arena 4D software handles the integration process

点云可通过Geomagic封装成网格面,提升显示效果.如图4、图5所示.

图4 禹王庙点云模型Fig.4 Yu’s palace point cloud model

图5 Geomagic封装成网格面Fig.5 Geomagic encapsulates a grid surface

4.4 逆向建模

逆向建模流程:根据犀牛输出平立剖面图及归档图纸衬底,导入高清摄影素材,创建BIM模型,并进行图纸输出,见表5.具体步骤如下:

(1) 首先在Revit平面视图中导入禹王宫点云平面图,创建轴网、柱、梁、板.

(2) 在Revit立面视图中导入点云立面图,创建标高,确定柱、梁高程.

(3) 在Revit剖面视图中导入点云剖面图,确定柱高、梁宽.

(4) 与实景进行对比分析,进行屋顶细部构造深化,完成模型.如图6、图7所示.

表5 逆向建模流程Table 5 Reverse modeling process

图6 禹王宫BIM渲染模型Fig.6 BIM rendering model of Yu’s palace

图7 禹王宫实景Fig.7 Real scene of Yu’s palace

4.5 Revit/Dynamo参数化设计

表6为参数化设计流程.

表6 参数化设计流程Table 6 Parametric design process

参数化设计主要体现在设计师更高效的参数化控制设计、对接,更真实的建筑环境模拟分析,动线虚拟现实系统,防灾与逃生模拟,三维空间设计核查,更便捷的图纸生成及管理,工程算量与成本控制,进度控制,建筑全生命期的数据协同与应用等[10].通过对古建筑梁、柱、斗拱、瓦片、花架椽等构件进行参数化设计,提升设计效率,对Revit模型进行日照等环境分析,优化设计门窗尺寸,深化BIM模型,完成BIM参数化设计出图,为馆方运维提供数字化支撑.见表6.

4.6 BIM出图

重庆湖广会馆施工图在Revit软件中进行出图.Rhino模型完成后,导出SAT文件格式,使用Dynamo获取SAT文件模型,导入进Revit,进行平面、立面、剖面标注等细化工作,最后完成出图.如图8所示.

图8 禹王宫剖面图Fig.8 Section map of Yu's palace

5 BIM智慧运维管理平台

CIM运维管理平台主要包括利用大数据、云计算、BIM，CIM、物联网等技术,构建CIM数据中心、工程数字化移交系统,集成重庆市各类现状、规划和建设数据,并与相关业务系统集成对接,接入城市运行大数据,搭建集数据展示与管控、辅助决策分析等于一体的重庆市CIM平台.

BIM运维管理平台是CIM运维管理平台分支,利用BIM模型的可视化3D空间展现能力,创造一个基于BIM模型的建筑空间与设备运维管理,同时结合互联网技术,将BIM的静态属性与互联网的动态属性相结合,进一步拓展了平台的应用能力[11].

BIM智慧运维管理平台通过感知层设备识别、获取物联网信息,经网络层5G，NB-IoT等关键技术传输至平台应用层,实现智慧消防、智慧安防、资产管理、人流监管等应用.如图9～图11所示.

图9 BIM智慧运维管理平台功能介绍Fig.9 Function introduction of BIM intelligent Operation and maintenance management platform

图10 BIM智慧运维管理平台设计构架Fig.10 BIM intelligent operation and maintenance management platform design framework

图11 BIM智慧运维管理平台界面Fig.11 BIM intelligent operation and maintenance management platform interface

6 结论

三维激光扫描技术通过三维扫描仪进行点云数据采集,并对海量数据进行拼接、删除杂物、去除噪点等处理,导入犀牛软件进行快速点云分割出图.该技术可快速创建建筑结构复杂、异型曲面、古建筑雕塑等难以运用二维图纸表达的建筑.

倾斜摄影技术通过垂直、倾斜等方式采集影像数据，获取建筑外表皮高分辨率纹理,并进行内业数据处理,删除不合格数据,进行空三解算,并进行重建网格曲面、模型修复及矢量化.运用该技术可以真实反映古建筑屋顶造型,并且可以与三维激光扫描点云模型精准融合,生成实景模型.

本项目运用三维激光扫描、倾斜摄影、GIS等关键性技术数字复原湖广会馆,全程无接触测量,高精度数据采集,快速创建复杂建筑三维点云模型,键入构建参数,创建BIM模型.该技术可运用于智慧古建、智慧文博、文物档案存档、修复、场景交互模拟、多种数据云平台实时管理等,实现信息多元化维护管理、数字化传承理念.

本项目符合国家和重庆市关于推进新型基础设施建设的总体要求,项目实施将对重庆市进一步推动新型智慧城市发展形成重要支撑,同时通过本项目建设,有利于将主城区“两江四岸”建设成为与直辖市、国家中心城市、现代化大都市地位相适应的山清水秀生态带、立体城市景观带、便捷共享游憩带、人文荟萃风貌带,打造宜居宜业宜游的国际滨水空间,进而提升城市品质,带动经济社会高质量发展具有十分重要的现实意义[12].