基于真实建筑环境创作＊——点云技术在BIM 正向设计中的应用研究

曾旭东 耿艺曼

重庆大学建筑城规学院

设计场地作为物理空间和人类活动的载体，是人类活动与物理空间之间的互动媒介，具有自然和人文双重属性。这种独特性形成了建筑当下本真的氛围，设计师应当尊重场地属性，认识场所特征。然而，许多设计师在做设计时往往凌驾于场所之上，无法充分认知、甚至会任意改变场所的特质[1-3]。

在传统设计环节，环境信息是通过拍照和全站仪测量等方式获得的碎片化的、需要二次处理的二维信息，信息的收集和二次处理造成了信息缺失，导致最终建筑设计在非原始信息指导下完成。

运用BIM软件进行建筑设计，将点云导入其中还原和重现场地场景（图1），使建筑设计全周期在真实建筑氛围中进行。本文将对三维环境模型信息的获取及其与BIM的结合方法进行研究，通过比较传统设计方法，分析其局限性和点云技术设计思路的优势，并提出运用点云技术还原建筑真实氛围的BIM建筑设计方法，这对于推动BIM正向设计具有重大意义。

1 BIM 设计界面中场地的信息模型重现

1 BIM实现在三维真实环境中设计建筑

BIM模型的创建伴随设计师的创意开始，依据设计意图而非成品或半成品的二维图纸，在三维空间里面做设计。BIM系统中正向设计在三维环境中进行，而激光扫描获得的点云模型为BIM正向设计提供了真实环境和设计氛围。所以，BIM系统是点云技术辅助正向设计的必要条件。

2 点云真实环境模型为BIM三维设计思维打下坚实基础

三维激光扫描仪除了能测得点X、Y、Z的坐标信息，还可以测得RGB颜色信息和反射率信息等[4-9]。物体在数据信息建模软件里完整真实地重现，相当于把建筑真实环境搬到了电脑显示屏中。通过与三维激光扫描仪的对比（表1），从测量方式来看，全站仪测量内容单一，工作人数多，由于放置、校准、水平、测回等复杂的人工操作，其误差也因人而异。三维激光扫描仪只需在安置的时候水平校准一次，便可一键扫描，等待扫描结束即可。从测量速度来看，全站仪采用“外业测点+内业连线”的方式，连线过程数据信息缺失严重。而三维扫描仪则可以每秒测得一百万个点的信息，并自动生成模型，单次扫描仅需3～5min。

表1 三维激光扫描仪与全站仪的关键技术对比

由于三维激光扫描技术具有快速性、高精度性、高密度性、完整性等特点[10]，因而成为BIM正向三维设计体系在数字化时代的绝配技术。

3 点云技术还原真实建筑设计氛围的应用研究——以磁器口扫描数据为例

现拟在重庆市磁器口传统街区（图2）进行建筑设计，本节从场地信息提取与重建、真实建筑氛围实现三维思维设计环境、设计成果结合点云实景的表达三个阶段进行深入分析，提出三维激光扫描仪辅助建筑设计回归三维思维的重要意义。

2 磁器口某街区实景

3.1 场地信息提取与重建

为重现设计目标区域周边真实环境，在拟建建筑附近选择间隔10～20m的三个扫描位置点，尽可能地覆盖重叠可见建筑物，将FOCUS s350三维激光扫描仪[11]支在预设点上（图3），使用Faro Scan软件导入三组数据，得到周边环境的完整点云模型（图4），数据处理大约半小时。将完整的点云模型导入ArchiCAD[12]，形成BIM设计界面的三维设计真实建筑环境。

3 使用三维激光扫描仪在磁器口勘测的现场

4 磁器口点云拼接模型

3.2 真实建筑氛围实现三维思维设计环境

设计师直接在真实的三维环境中进行设计和多方案比较，在真实建筑氛围中把握建筑与环境的融合度，进行方案的优化，有助于做出更理性的设计决策。

通过点云模型可以直观地把握磁器口历史街区不同区域的氛围和建筑现状。例如，通过在点云模型中漫游截取的两个场景进行比较（图5），发现这两个区域虽然同在磁器口，但在建筑风貌上存在差异。根据微环境的不同，在BIM界面点云环境信息模型中采用不同的设计手法来提高新老建筑的融合度（图6）。利用点云模型还原真实建筑氛围，不仅可以快速把握周边建筑风貌、城市肌理、文化元素和构件，还可以实时调整细节、逐步深化、多方案对比，最后得出最优方案。

5 BIM 设计界面中还原的建筑氛围

6 在BIM 软件真实的建筑氛围中进行设计

3.3 设计成果结合点云实景的表达

传统的三维效果只是展示固定的路径或视角，难以反馈用户的真实感觉。同时，由于设计信息的遗漏，传统的建筑设计表达也仅能展现渲染的抽象环境效果，无法形成真实的体验感受。

BIM+VR技术可以解决这个问题。建筑模型与点云环境模型结合，通过佩戴VR设备，让用户身临其境地感受设计方案效果，从而实现“以人的使用体验作为评价建筑的最终指标”。

3.4 三维激光扫描辅助设计前后对比分析

研究设置了两组人员分别采用传统方式和BIM+VR方式进行磁器口拟建项目的设计[13-14]，并对每个阶段进行计时和评价反馈记录，对比数据如表2。

表2 使用三维激光扫描仪设计前后效率对比

点云模型可以直接导入BIM中，实现建筑在建筑环境中设计，省略了传统设计前期二维信息的收集和处理流程，显著提高了设计效率（图7），改变了传统设计思维。方案设计阶段点云环境下设计拥有更高效的反馈，设计成果也更具说服力。

7 点云真实模型对建筑设计的直接影响

4 结论

综上所述，点云技术通过高效精准的环境模型与BIM结合，可以全面提升BIM正向三维设计的效率和效果。研究证明，在基于三维激光扫描技术的建筑场地模型中进行建筑方案设计，与环境更易协调、与氛围更易融合、与场所更易统一，对于提升城市品质起到了极大的促进作用，同时也更能满足人民对美好生活的更高向往。