基于多种测量手段与BIM技术的古建筑虚拟重建

荆地 王瑞芳

（河南测绘职业学院 河南新乡 450000）

随着我国城市现代化的发展，城市建筑规模越来越大，而古建筑作为人们最直接接触到的部分，也成为了大家非常关注和乐于研究的话题。在城市化不断加快建设的进程中，不确定性因素增多且变得复杂多样，在诸多不利影响下，使得传统方法无法准确、快速地还原历史事件原貌。目前，大多数建筑物都已经采用了模拟复原重建或者几何重构技术来进行重建建筑，但是，由于这些手段造价昂贵、维护困难，并且存在安全隐患，导致很多古建筑难以使用和改造。所以，在现代化城市中，采用多种测量手段对古建筑进行重建是非常有必要的。

一些新兴的测量技术的出现为解决这些问题提供了全新的思路，然而这些技术虽然有其优势，但也存在着一定的局限性。无人机的航拍测量可以有效地获取大场景的三维数据，但是却没有办法获取建筑的室内数据和建筑屋檐下的影像；三维的激光扫描技术可以开展室外和室内的相关数据的采集，但是其在数据量上是非常大的，所以测绘的成本也比较高；近景摄影的测量方式在技术上比较简单，在精度上也比无人机高，但是却不能获得古建筑屋顶之上的数据。

20世纪90年代，BIM 技术开始进入人们的视野，BIM 技术发展得比较迅速，其显著地提升了测量数据的实际处理能力和利用能力，并逐渐形成了一套从信息采集到信息库建立的完整的流程。而且，该数据库在建立之后，还在不断地进行扩充和优化，这就使得其不仅可以实现针对古建筑的虚拟演示和数字化的管理，还可以和其他的软件较好地对接，并直接地指导实际施工。

1 基于BIM技术的古建筑三维重建方法

1.1 基于BIM技术的古建筑三维重建原理

古建筑三维重建技术是一种以计算机为主的新方法，通过模拟古建筑的建筑施工现场，在传统建造过程中，对建筑物进行三维立体实体建模。在传统的建造过程中，建筑物主要是通过二维平面图。利用现有技术对建筑进行三维重建，利用计算机模拟古建筑施工现场时，采用了多种多样的虚拟复原方法，在古建筑施工过程中，采用了多种虚拟重建技术，并对建筑进行三维重构，从而使建筑物的整体构造更加合理。BIM 可以将空间、时间和人等信息有效地整合起来，通过虚拟重建模型，能够快速、准确地反映出原始数据信息，并及时更新这些数据参数的变化趋势及位置关系，还能直观地表现出整个城市或区域的特征性、规律性及合理化程度，为后续建筑施工提供参考依据，同时也对后期的设计与管理水平提出更高标准的要求。

1.2 基于BIM技术的古建筑三维重建实例

对古建筑的三维重建工作中，采用了多种手段，例如，利用建筑构件进行建模，通过模型转换功能，实现古建筑空间信息与时间、层数等数据量之间的相互转化。

在传统建造方式下进行建筑物平面设计时，往往需要将各个楼层间的空间和标高参数设置为一个独立体，这样就使得建筑物的不同部位存在一定的差异性影响，而造成不协调的现象严重。而且随着高层建设规模不断增大及城市环境复杂程度越来越高，传统的建造方式已经无法满足人们对于建筑质量和空间层次的需求，所以，就需要采用多种测量手段来进行古建筑的内部构造。

本文主要研究了利用BIM技术对城市中各个楼层间、标高信息进行三维重建，并得到所需数据。通过分析不同方法下建筑物结构和尺寸变化规律及计算结果，得出各层建筑面积与总高度之间的差值大小，从而为设计人员提供参考依据；然后，根据已有的建筑模型，对其空间位置及高程参数重新建立坐标系统，并给出三维重建流程图，以方便后续工作，同时也为相关工作人员提供一种新的空间重建方式［1］。

2 虚拟重建技术在古建筑三维建模中的应用

2.1 古建筑三维建模

古建筑的三维重建主要是对其空间位置进行测量，在建筑模型中，需要把各个构件及建筑物之间连接起来，通过二维平面图，将各部分元素直观展示出来。在传统的方法中，利用二维平面图进行建筑模型重建，需要大量人力和物力等资源投入。而虚拟技术则是采用了计算机模拟、计算与仿真相结合的方式，对古建筑空间位置及内部构件之间的关系加以构建，通过虚拟重建的手段，可以有效提高古建筑空间位置及内部构件之间的关系，使建筑模型更加直观、形象地展现出来。

2.2 虚拟重建参数确定

在进行古建筑的三维重建过程中，参数的确定是最基础也是最重要的一个环节，确定好了参数之后，就可以用恰当及合理科学的方法来设计出更完美、更精确的模型。

通过查阅大量资料，发现关于古建筑建筑构件及其空间分布等方面信息，有很大一部分需要参考实物数据进行研究，进而才能得到准确的结论，所以，在研究过程中，需要采用多种手段来进行。通过对古建筑建筑构件和构造的分析，虽然可以得到许多有价值的信息，但是这些信息并不全面，例如，很多建筑存在着一些安全问题，这些都需要利用现代化技术与计算机等工具去解决。现如今，人们对于使用虚拟软件所建设的空间关注度越来越高，也使用了许多的测量方式来建立这样的虚拟空间。例如，利用多种测量手段，对古建筑建筑构件进行三维重建，并且可以将这些方法应用到实际的施工过程中来［2］。

2.3 古建筑三维模型的建立与计算

古建筑模型的建立是一个比较复杂、漫长且繁琐的过程，在建造之前，要对建筑进行全方位的了解和熟悉。首先，从整体上把握整个城市中各部分建筑物及其周围环境；其次，根据建筑物自身特点，确定每个部位的具体位置及功能区域划分，并以此为依据来选择合适的材料、尺寸等参数；最后，按照建筑结构设计图纸的要求，将各个楼层联系起来，形成一个三维模型（CAD）系统。在进行建筑模型建立时，要对建筑物的实际情况进行充分考虑，根据具体数据来确定其空间位置、高度、方位等参数。

2.4 古建筑的表达

在城市景观中，建筑的表达方式多种多样，包括静态、动态和混合等。古建筑本身就是一个三维空间体，其主要表现形式为点与线相结合的形态结构特征形成具有一定立体感的物体，并且能够满足人们需求功能上要求所呈现出的不同形状或者尺寸关系等，同时还包括建筑物内部各构件之间通过相互连接方式实现协调性功能，从而使建筑更加具有观赏价值、表达效果和艺术效果。传统的古建筑建筑模型建立过程中，一般会采用二维或者三维重建技术，而在虚拟模拟计算方法下，对各个构件进行建模之后就能够实现整个建造。

3 基于多种测量手段的古建筑虚拟重建

古建筑的三维重建是对建筑物进行全方位的几何量测量，通过对建筑模型中各个构件进行重新定义，从而建立起完整而准确真实的模型，且可直观反映其结构、空间特性等方面的信息［3］。

在传统方法下，利用多种数据化手段来完成古建筑虚拟重建，主要有以下几种：点线面法、坐标变换法、投影转换法则。这3种方法都是以三维实体为基础的较为简单易行且方便操作的方法。但这些方法还是存在着一定的缺陷，这些方法只可以利用二维平面的方式来为人们展示古建筑的相关信息，但不可以转化为三维空间中的模型，其虽然可以传递出古建筑的部分信息，但是其在计算量上非常大，不能满足对古建筑研究在效率和精度上的要求。

3.1 BIM的基本流程

BIM的基本流程是将建筑物本身和周围环境进行有效的整合，并且对建筑模型中涉及的信息内容、数据处理等方面做出合理而全面的分析与解释。

在古建筑空间内建立一个可以提供各种功能的模块，方便使用者操作、使用、管理和维护所需软件。通过该系统，能够使工作人员更加快速便捷地了解古建筑内部结构。

3.2 基于BIM的古建筑虚拟重建技术

古建筑重建主要是对原始空间中各构件进行建模，再通过模拟建筑物在不同位置上所呈现出的立体图形来完成。而BIM 技术则可以实现建筑信息与施工、管理等方面有效的结合，为建筑施工提供一个更加全面的信息处理平台，同时也能够提高工作人员的工作效率和质量。因此，本文主要就基于多种测量手段与BIM技术，进行古建筑模拟模型重建及分析。

首先，要把设计图纸打印出来，然后将三维实体建立起来，并根据实际情况添加相应元素。其次，就是模型构建和修改工作量，以及数据采集过程需要用软件自动创建。最后，对古建筑进行重建处理后，就开始了构件建模工作。在这个过程中，要对古建筑进行快速的建模，并且还要根据实际情况添加相应元素，这样能够方便后续工作开展。在整个过程中，也要对古建筑进行保护，并且还要保证其安全，这样才能更好地体现出城市形象，让人们更加满意［4］。

4 基于BIM的古建筑虚拟重建

古建筑的虚拟重建主要是针对建筑结构进行模拟。在这个过程中，首先要对原始模型参数进行优化；其次就是将各个楼层之间的标高数据与实际情况对比分析，通过分析，得出各楼层间不同位置上的标高信息，然后再利用BIM技术建立三维实体建筑物，通过三维重建技术建立的模型，可以直观地展示古建筑结构，并且还能将建筑主体与周边环境相融合，为城市景观和历史文化增添色彩，同时也能够提高工作人员工作效率。由于古建筑本身存在着许多不确定性因素和不可预见性，因此，可以采用基于多源的方式来重建古建筑，例如，在原有基础上，对模型进行模拟，设置建筑物高度及间距时，就可直接使用传统方法，利用多种测量手段来对古建筑进行重建，这样不仅可以提高建造效率，还能保证建筑的质量，从而达到保护和增加价值与功能性的目的［5］。

4.1 BIM原理

BIM技术的核心在于建筑信息模型。在构建一个完整而又精确的建筑物时，需要对整个建筑物进行全方位、全角度及多层次的建模。利用计算机软件和相关硬件设备，将这些三维空间数据转换成可直观展示出来的信息，通过二维图纸，可以清晰地表达古建筑各个细节部位，不仅能够很好地解决复杂问题，并且还能有效提高设计效率。BIM 技术是一种高效、实用的建筑信息模型建立与分析系统，它具有高强度的计算功能、灵活性大等特点，通过三维重建功能，可以对古建筑进行全方位的实体性分析，并能够很好地解决传统模型重建所带来的问题，从而提高建筑质量和建造效率。

4.2 虚拟古建筑的主要步骤

4.2.1 古建筑的三维重建

将建筑平面和立面进行虚拟处理，把建筑物主体结构模型构建构件，然后利用BIM 技术对这些实体进行立体几何图形分析。在这个过程中，需要大量数据信息，首先要建立一个三维模型；其次是确定建筑红线并设置好边界条件；最后，在对所研究的古建筑的模型建模完成之后，才可以真正进入到古建筑的三维重建阶段。在这个过程中，需要对建筑红线、构造构件等进行重新定义，并将其转换成几何模型，这样的一个三维重建流程可以减少人工操作时间和人力成本，提高工作效率。

4.2.2 古建筑虚拟复原

将建筑物主体结构和构筑物的平面位置、立面视图进行三维重建，可以将空间信息转换为可视化形象的动画效果。在现代建筑中，应用虚拟技术是一种新的方法，利用计算机等工具对古建筑建筑物和构筑物进行模拟，这种方式不仅能够使工作人员直观地了解到建筑设计图纸上所表示出的古建筑结构，而且还能让建筑师了解到大量不同种类、不同时间段展现出的三维空间信息，并为其提供丰富多彩的立体造型形式及灵活多变的建筑形态［5-6］。

4.3 基于BIM的古建筑三维重建效果

在对古建筑进行重建时，通过BIM技术，可以实现对建筑信息、结构和空间等方面的三维全方位展示，并且能够很好地将建筑物本身与其他外部物体之间所存在的联系清晰地展现出来。基于多种测量手段的古建筑建筑，可以很好地对其进行空间定位、三维立体建模和数据采集等工作。

BIM 主要是利用计算机模拟软件，提供生成施工过程环境模型及构件数据，然后再把这些建模文件转化为可视化模型图纸，以方便直观显示重建结果，同时，在建筑实体上建立各种不同位置信息和功能模块等的三维立体图像，以达到对整个建筑的全方位感知。BIM技术在城市古建筑和三维空间分析方面具有很大优势，它可以有效地减少人工操作，提高工作效率，节省大量人力、物力资源等，被广泛应用到各个领域。

5 结语

通过以上的分析可以看出，使用BIM 技术可以较好地完成从古建筑相关信息的采集、古建筑相关数据的处理到古建筑信息模型建立的一整套的工作流程。BIM 技术所独有的整合能力、管理能力及扩充和优化能力在针对古建筑复杂的测绘问题时越发显得有价值，其有着优秀的数据处理能力、精细建模能力和出图能力等，能够满足古建筑研究的不同需求，其行业发展潜力非常大。