基于BIM的历史建筑信息采集与数据处理——以翟雅各健身所为例

■ 中信建筑设计研究总院有限公司 李杰 许颖

信息采集与数据处理是历史建筑保护与修缮工程必须进行的基础工作。历史建筑的信息采集包括对其历史、本体、环境及使用情况等项目采集与记录，其实施手段和获取到的数据类型均较为多元。《威尼斯宪章》第十六条指出：“一切保护、修复或发掘工作永远应有用配以插图和照片的分析及评论报告这一形式所做的准确的记录。清理、加固、重新整理与组合的每一阶段，以及工作过程中所确认的技术及形态特征均应包括在内。”据此，国际古迹遗址理事会于1996年通过了《古迹、建筑群及遗址的记录工作原则》，其中，对“记录工作”有如下定义：“记录工作是指在不同时间对古迹、建筑群及遗址的物理构造、状况以及使用的信息予以记录，它是保护程序中重要的基础步骤”。

如今，高科技手段正在让记录工作的方式变得更加多元，本研究整合传统测量、无人机航拍、三维激光扫描及摄影测量技术，结合BIM技术及理念，以武汉市优秀历史建筑——翟雅各健身所为例进行信息采集，并对数据进行深度处理，研究构建三维模型及信息系统，以期对成果进行统一管理与集成输出，为历史建筑的保护修缮提供可靠的依据，并成为历史建筑的数字化永久档案。

历史建筑的信息采集

翟雅各健身所建筑基本情况

翟雅各健身所建成于1921年，由美国传教士建筑师柏嘉敏（J.Van Wie Bergamini）设计，是一座典型的“中西合璧”建筑，其跨度为17米的钢木桁架结构，在当时达到了世界先进水平。自建成以来，翟雅各健身所一直作为文华大学、华中大学、华中师范大学和湖北中医药大学的体育馆，供师生及周边社区居民使用。建筑将中式庑殿顶的造型与西式钢木、砖石结构体系相结合，是我国现存为数不多的基督教本土文化运动的产物实证。其设计建造远早于“中国固有形式”运动，是对中西文化融合的大胆探索与尝试，对后来中国建筑民族主义风格流派的形成具有启迪、引领作用。

建筑中式屋面之下的西式钢木桁架结构，形成了独具特色、高大空间的二层室内运动场，与二层之上的看台共同构成了极具震撼的内部空间。建筑的柱础、额枋、梁头、雀替、栏杆等细部均采用中国传统元素，与窗框、拱门、楼梯、圈梁一同采用当时最为先进的建筑材料、钢筋混凝土进行建造。因年久失修，建筑修缮前，由于屋面瓦件缺失等原因，漏水严重，桁架的木质杆件糟朽腐蚀、钢制杆件及连接构件锈蚀，受力性能受到严重影响。混凝土梁、柱也出现裂缝，内部钢筋外露，碳化锈蚀严重。墙面由于雨水侵蚀、地下水毛细作用、植物孳生、自然老化及人为损坏等原因，出现不同程度的风化、剥落和泛碱。门窗、室内空间及场地环节也都存在较多问题，影响了建筑的使用，存在一定安全隐患。2015年—2016年，由中信建筑设计研究总院有限公司负责修缮设计，2016年底修缮工程完成。修缮后的建筑更名为“翟雅阁博物馆”，成为“武汉设计之都客厅”，通过举办主题活动、展览、讲座等活动，成为推动片区乃至整个武汉市文化发展的中心。

对翟雅各健身所的建筑信息采集

本研究通过传统测量、无人机航拍、三维激光扫描和摄影测量等方法，对翟雅各健身所的建筑信息进行了采集，包括历史资料、建筑信息、运维信息三个部分，以获取包括建筑尺寸、全景、带有地理坐标的几何尺寸与纹理信息和细部色彩纹理信息等数据。历史资料，包括建筑基本信息、历史图纸、民国老照片、修缮前资料照片等；建筑信息，包括基础测绘数据、无人机倾斜摄影数据、点云数据、细部数据、结构资料、材料资料、修缮工艺、施工记录等；运维信息，包括设备信息、管件信息、运营信息、展陈方案等。

（1）历史资料的采集

通过对历史档案、相关书籍资料的整理，获取了翟雅各健身所的原始图纸、设计人员信息、使用过程信息、民国老照片、修缮前的资料照片等历史资料，还原了翟雅各健身所的历史发展过程。

（2）建筑信息资料的采集

其主要包括基础测绘、无人机倾斜摄影、三维激光扫描、结构及材料资料的收集、修缮资料的收集等方面的工作内容。

基础测绘。基础测绘采用全站仪、测距仪、卷尺、摄影测量等传统测量设备，获取了基础尺寸数据和图像纹理信息，为后续的数据采集与建模提供了定位基准、基础数据支撑和数据拼接连接点。

无人机倾斜摄影。无人机倾斜摄影技术在传统航拍技术取得正射影像的基础上，对整个场地进行多角度倾斜拍摄，可为历史建筑BIM建模提供参考数据支持。针对修缮后的翟雅阁博物馆，本研究采用了大疆无人机“御”Mavic 2专业版，配备全向感知系统，采用QcuSync 2.0全高清数字图传技术，支持1080p高清图传。摄影选取了翟雅各健身所鸟瞰视角，各立面近景、远景等不同角度进行环绕飞行，全方位对建筑外立面进行信息采集，获得了6.82G的照片和视频数据。

三维激光扫描。三维激光扫描技术是一种无损无接触式快速信息采集技术，精度高、速度快，且有颜色信息，还可以根据该点云数据直接生成高精度模型，并可在模型上叠加颜色信息，生成精确的三维数字模型。该模型可以直接用作展示，也可根据模型运用3D打印直接生成该构件的三维实体。该项目利用天宝SX-10三维扫描仪生成的点云数据进行拼接，生成完整的点云数据模型，并在相关软件中对建筑进行制图与建模。

结构及材料资料的收集。请专业机构对翟雅各健身所进行了综合性的结构检测，得到了包括构件砼强度、混凝土强度、砼构件碳化深度、砌体砖强度、砌体砂浆强度、基础形式、钢筋砼梁挠度、砼构件及墙体损坏情况、承重墙体圈梁、砼构件箍筋间距、砼构件钢筋配置、房屋倾斜情况、屋架挠度、木屋架构件损坏情况、屋架间支撑构件损坏情况、钢木屋架墙内支承长度、二层木楼枕损坏情况、看台木构件损坏情况、一至二层墙体结构、木屋架及支承结构等在内的结构检测报告。

修缮资料的收集。通过联系修缮设计单位、施工单位、监理单位，本研究获取了翟雅各健身所的修缮方案、过程图片及视频、施工图、施工记录、修缮前后对比图等信息。

（3）运维信息的采集

本研究通过实地考察和图纸、资料收集，采集到了设备、管件、门禁系统、监控系统、消防系统等现行运维系统的相关信息。

基于BIM的历史建筑信息处理

基于BIM理念，本研究采集到来自不同时代的建筑信息、结构信息、材料信息、特殊构件、水电暖通管件信息、运维管理信息和建筑的完损程度、修缮手段，都能够整合在同一个既可进行三维观测又可进行时空回溯，甚至能够对未来进行精确预测的“四维”模型内。但由于软件平台的局限性和数据整合的复杂性，历史建筑的信息处理面临着软件功能不匹配、数据冗余、数据丢失、数据误差等问题。

BIM信息处理特点

本研究使用Autodesk Revit及3D smax、Navisworks、Unity、Fuzor等软件和平台，结合橄榄山等相关插件，对收集到的历史建筑信息进行处理。在建模之前，需要对相关数据尤其是点云数据进行初步加工，以便于后续建模。目前，经常使用的技术是需要把点云数据降为二维信息，容易造成数据信息的浪费，也容易导致建模中的重复工作和不准确性。通过BIM处理点云数据，实现完整的点云信息三维传递，能够减少建模中的信息损失，有利于提高建模的经度。

点云数据的处理

将点云数据整合到BIM中，需要对点云数据进行坐标转换，从而将数据纳入建筑模型的坐标系之中。在三维激光扫描过程中，偶尔会有不属于建筑本体的数据点也被记录在点云数据之中。在使用数据之前，需先检查每站点云数据是否有效完整，再对噪点、无效、重叠部分进行删减处理。

数据丢失问题的处理

在数据整合的过程中，由于软件、插件直接不完全兼容，容易产生数据丢失的问题。基于实测数据，需要判断模型中显著不合理的地方，再在BIM软件中进行局部补充、调整与修改。

基于BIM的翟雅各健身所模型构建信息整合

建筑主体模型构建

本研究根据处理后的数据，构建翟雅各健身所的模型，总体流程为：创建项目基准文件—场地建模、建筑建模—场地、建筑模型初步整合—模型调整。

首先，将场地CAD文件通过链接的方式置入Revit软件中，按照CAD中翟雅各健身所主体的轴网和标高，以室外地坪的标高（-0.200）为基准在Revit软件中进行绘制参照文件，并在此基础上开始场地模型的创建。

场地平面的建立，主要有以下两种方法：一是按照CAD中的高程点在Revit软件中拾取高程点来建立场地；二是依据场地地坪的标高，采用分块绘制楼板，并对其进行拼接的方式来代替场地平面存在有高差的部分，通过绘制斜楼板来处理。

两种方法相比较，第一种能够更真实地反映场地的实际情况；第二种则能更直观地表现地形的高差变化情况。考虑到建筑主体所处地形较为平整，周边道路的高程点较为复杂多变，故此次采用第二种方法来建立场地。

场地中的挡土墙可分为两类：一类为普通的挡土墙。绘制该类型时，确定挡土墙的底部约束和无连接高度可完成绘制；另一类为随地形高差变化而产生的倾斜挡土墙。对于该类型，先在对应的平面视图中绘制普通的挡土墙，后在立面视图中对其轮廓进行编辑，确定斜向挡土墙起止位置的对应高度并将其连接完成绘制。

目前，在Revit软件中构建建筑墙体有五种方式：使用幕墙命令、使用窗族方法、基于体量的填充图案、基于线的常规模型、使用橄榄山插件。最终，翟雅各健身所使用了“窗族”的排砖方法，对建筑外墙进行了较为精确的构建。

这一方式的主要步骤为：确定砌筑方式—利用“窗族”建立基本砖块—对砖块进行排列。这一方式的优点是理解简单，500mm厚砖块的砌筑方式能够表现，门窗洞口都可以按照实际创建；其缺点是速度较慢，需要进行多次手动调整。

历史建筑墙体样式丰富多样，根据砌筑方法不同，常见的有实心墙、灌斗墙和花式砌法墙；根据灰缝形式不同，有平缝、凹缝、斜缝和凸缝（凸矩形缝、凸圆缝又称“元宝缝”）。同类型墙体又可以细分为多种建造方式，以实心墙为例，又包括全顺、全丁、一顺一丁（十字缝、骑马缝）、梅花丁、多顺一丁、两平一侧等不同建造逻辑。

考虑到BIM传统排砖插件无法满足历史建筑的个性化需求，研究拟开发专门性的历史建筑排砖软件，以实现实际工程的精细建模和准确算量。插件能够提供常见砌法和灰缝样式的选择，提供不同共享参数（如设置砖的平面形状、边长、厚度等参数）的定义路径，并能够统计砌体数量，导出清单表。

特色部位建模

翟雅各健身所的屋顶，是其最有突出价值的特色部位。此次建模使用了Revit软件中基于体量填充图案的方式建构，具体分为以下四个步骤：建构屋面体量；拉成三层（分别为檩条、望板、瓦屋面）；檩条由幕墙生成，望板由面墙、瓦屋面基于体量贴自制填充图案族形成；建构屋脊。

结合点云数据，模型还实现了历史信息真实性的有效表达。翟雅各健身所使用的“阜成”清水红砖、饰以龙纹的现浇栏杆和入口处的石质门匾等历史肌理，都在模型中做到了原样还原。

多元信息整合

在信息整合阶段，本研究将翟雅各健身所各阶段的建筑信息融合在同一个BIM模型中，建筑修缮前的状态、修缮措施、结构加固信息、修缮前后的对比、机电信息等一目了然。结合传感器，利用物联网技术，还能够实现对历史构件倾斜、偏移、受力等状态的实时监控、风险报警和消防疏散的引导。

综上所述，多样化的历史建筑信息，需要通过多元化的手段进行采集，而对采集到的海量数据进行记录、使用，是历史建筑测绘、建模的一项重点工作。当前，无人机、三维激光扫描等技术在建筑信息采集中已经有了较好的应用，结合BIM技术进行信息深度处理，能够以集约化的手段，将各类信息整合，为历史建筑的保护与修缮提供可靠的依据。