基于多源数据的古建筑数字化建模技术研究与应用*

孙晓阳,张润东,严光芒,李越宇,唐丹丹

(中建八局文旅博览投资发展有限公司,江苏 南京 211100)

0 引言

古建筑是我国物质文化遗产的重要组成部分,蕴含着深厚的文化底蕴,所展现的建造技艺极具研究价值。然而随着历史的不断演进,现代化进程的加速推进,这些瑰宝也持续遭受着自然和人为的破坏。为了在社会的发展变革中有效保护民族的文化命脉,建立古建筑数据体系显得尤为重要。通过集成的数字模型对古建筑进行存档、保护和拓展延续。本文以南京溧水城隍庙的宋式仿古建筑徽恩阁为研究对象,从古建筑构件关系分析、形式表达与信息交互等方面,探讨数字化建模技术在古建筑保护中的应用,总结一般方法以推广运用。整体技术路线如图1所示。

图1 整体技术路线Fig.1 Overall technology route

1 古建筑原始数据归集

古建筑由于年限久远,本体资料多有缺失,通过翻阅地方志等资源不足以获得完整的建筑构造数据。此时,可根据建筑年代参考相应典籍和同时期建筑构造探寻细部做法。诸如宋的《营造法式》(以下简称《法式》)、清的《工程做法则例》等均对古建筑的制度、做法及相应的图样名词进行了详细描述。为搜集详实的数据信息,需拓展多种渠道,在参照历史文献的同时还需辅以当代先进技术。为获得古建筑实体数据,传统测量方法多采用人工拉尺和利用全站仪、激光测距仪等工具对古建筑点位进行采集顺推,但由于构造复杂,准确度受测绘人员的技术水平所干扰,测绘效率低下。而随着三维扫描技术和无人机近景测量技术的不断成熟,两者技术配合使用,优势互补,在古建筑中的应用也越来越广泛。本文主要采用大疆无人机设备和Trimble三维扫描仪收集古建筑的现场数据信息。

1.1 数据获取

由于古建筑的复杂性,为获得较完整数据,扫描前还需对现场踏勘结合已有资料根据扫描设备性能进行测试后,编制扫描测绘方案。针对建筑特点,采用无人机RTK设备获取古建筑屋面等远景数据,Trimble TX8扫描近景空间,手持扫描仪扫描角落及部分细节,通过组合试验明确站点排布位置、无人机航线和相关参数设置。扫描过程中应避开树木等障碍物,保证点云影像连续、完整。

1.2 数据处理

三维激光扫描技术与无人机摄影技术可相互发扬优势弥补不足,点云作为基础媒介为2种技术的融合创造了有利条件。将采集到的点云与影像数据通过Trimble RealWorks,ContextCapture进行拼接、滤波、降噪和编辑等预处理。利用设定好的控制点与软件的全自动拼接功能进行快速拼接,经过去除冗余和抽稀简化后,实现了多平台的影像点云与激光点云的高精度融合,形成数据较完整、轻量的徽恩阁点云模型,如图2所示。

图2 徽恩阁点云模型Fig.2 Hui’en Pavilion point cloud model

1.3 数据规整

在古建点云数据处理归集过程中,由于扫描、摄影技术的局限性和古建结构特点,无法全面准确获取一些复杂构造及隐蔽部位的数据。为弥补构件遮挡等问题造成的数据缺陷,还需根据建筑形制特点,参照《法式》等典籍补全构件的几何数据,形成较完整的基础数据库。

2 古建筑数字化建模技术

按照模型形成的方式和用途,古建筑建模成果可分为修正型和纪实型。修正型主要按照归集数据推算原有构造,复原古建筑,该建模能得到标准的构件模型,但缺少古建筑构件表面的现实形态。纪实型又分为表皮模型和完整构件纪实模型,表皮模型多由点云数据直接生成网格模型,只有表皮特征,构件完整度缺失,难以赋予构件信息;完整构件纪实模型既有古建筑完整构造,又能反映现实状态,准确记录古建筑由于时空积淀出现的缺陷、倾斜等现状信息。

中国古建筑的特征主要体现在建筑和部件的形制化集成。其中《法式》突出“以材为祖”,而又把“材”分为八等,一系列关于模数制的规定,增加了古建筑构件的通用性与互换性,能提前协调加工构件,大大加快了古建筑的建造速度,提高了经济效益。由此,基于《法式》等文献和已有数据分析整理,总结宋式建筑的组成体系、模数制及构件构成特点,作为宋式建筑参数化建模的依据。

目前,诸如Geomagic Studio等软件虽能根据点云自动化一键式创建曲面,快速生成建筑表皮模型,但在古建筑内部构造、构件分类、信息维护上均存在很大缺陷。因此,还需寻找一套完善的建模体系,以根据不同需求创建完整的构件模型。

在收集整理数据的基础上,采用Revit与Rhino软件进行古建筑建模,比较建模方式的优劣,探讨标准构件与现实特征结合的可能性。依据《法式》中模数制的几何数据,编译了一组基于Grasshopper的参数化营造模块,并根据徽恩阁自身特点补充Revit构件族库。

2.1 徽恩阁基础数据分析

从文献记载及点云影像数据来看,徽恩阁整体采用宋式风格构造,局部按现代仿古建筑通用做法优化,整体尺寸关系主要有构件模数、屋顶举折、殿身分槽。根据柱网分布可知,1,2层间有夹层,面阔五间,进深四间,身内单槽。经测算,徽恩阁梁枋宽度为140mm,高宽比为3∶2,与模数制相对应,可用此模数推算获取斗栱等完整构件信息。为明确徽恩阁内部构造,梳理各部分构成要素,将徽恩阁以大木作、小木作、瓦作、石作、墙与砖作等进行分类,其细部构件分类如图3所示。经拆解分析,多数构件可从点云数据中直接获取,如斗栱等可由点云与模数制结合完善构件形态,而平棋以上屋架部位如屋顶举折、梁架组成方式则需根据已知构造推算,具体如表1所示。为获得徽恩阁主体架构特征,根据点云数据绘制已知部位构架简图(见图4),结合宋式殿阁梁架做法,由身内单槽可知其为抬梁式屋架,推算绘制其屋架部位大致做法(见图5),具体尺寸定位还需在建模时计算确定。

表1 徽恩阁构件获取方式分类Table 1 Classification of acquisition methods for Hui’en Pavilion components

图3 徽恩阁构件分解Fig.3 Component decomposition of Hui’en Pavilion

图4 基本构架简图Fig.4 Basic architecture

图5 梁架完善简图Fig.5 Beam frame improvement

2.2 基于Revit创建标准构件模型

Revit软件主要以构件族的形式拼装组合成整体建筑模型,其生成逻辑由整体到局部,逐步细化,与正向过程类似。在Revit中建模,要求构件独立完整,而扫描获取的点云仅有表面数据,若作为构件尺寸参照,还需分析建筑形制,依据相应典籍补充完善,因此建立的模型为标准构件的修正模型。标准构件模型创建流程如图6所示。

图6 标准构件模型创建流程Fig.6 Standard component model creation process

将简化处理后的徽恩阁点云数据(las格式)导入Autodesk Recap中,生成rcp格式导入到Revit中,也可在其中进行查看浏览、量测操作。在Revit中有多种基于点云的建模方法,如利用AS-built for Revit插件,可直接对点云进行分割编辑处理,利用切片提取特征点建模。这里主要描述根据点云尺寸结合宋式建筑典籍进行徽恩阁模型创建的过程。

首先通过点云分析徽恩阁的建筑形制、空间布局、结构组成、几何关系等数据。由于徽恩阁为两层厦两头造形式,以中轴线左右对称,中部有夹层,构件层次较多,因此以2层楼板底部斗栱为界,分为上、下两部分。依据徽恩阁间广与间深定“地盘”,一般以柱中心位置为轴线交点确定柱网。以1层楼面为基准,创建各楼面、柱顶、檐椽下口、屋脊高度相对标高。基准轴网、标高确定后,则需分析构件形式与参数,创建各构件族。古建筑构成中以大木作为主,而大木作中尤以斗栱最复杂,因此以斗栱为例,创建相应参数族。其余如柱、梁等通用构件均可先建立标准参数族,再随建筑点云尺寸进行调整。

斗栱由斗、栱、昂、耍头等构成。斗又分为栌斗、交互斗、散斗、齐心斗;栱又分为华栱、瓜子栱、泥道栱、慢栱、令栱;由各构件组合形成不同类型铺作。此处以相对关系约束创建栌斗、华栱等参数化构件,后期可根据建筑形制调节材料参数以适应构件要求。在栌斗创建前,需理清斗的耳、平、欹之间的尺寸关系,然后在Revit中通过标注约束、设置参数,利用拉伸、放样、空心形状剪切操作完成栌斗参数化族的创建工作。栱等构件也可利用类似方法,对设置各参数及各尺寸间的连接进行参数化。斗栱所含各构件建立完成后,需组合测试,实现其余斗栱构件随斗口宽度的改变而变化。

各标准构件建立完成后,导入原项目中,从柱基础与柱开始,依据轴线位置参照点云调节柱径参数进行放置,根据剖面用阑额与梁将各檐柱相连。斗栱则需根据铺作位置和出跳形式对斗、栱、昂进行组合。徽恩阁斗栱按位置分为柱头铺作、补间铺作、转角铺作和身槽内铺作。1层柱头与补间均为两抄五铺作,转角为两抄一昂六铺作;2层楼板下方均为两抄五铺作,但形式与1层五铺作略有区别;2层上部柱头与补间均为两抄一昂六铺作,转角为两抄两昂七铺作。根据点云尺寸调节斗、栱、昂的参数以适应铺作形式,组合完成后放置到相应位置。栱眼壁板与柱头枋根据已完成的斗栱进行建模。

主体屋架结构由于平棋等遮挡严重,其内部构造仅凭点云数据无法测定尺寸关系,此时需根据典籍描述和构造类比来定“侧样”,通过架深、檐出、举折计算所需参数。屋架举折如图7所示,L为前后橑檐枋间距,H为橑檐枋背至脊槫背之高,而殿阁楼台整体举折比H/L为1/3,由点云可知橑檐枋中心高度,可求得脊槫背高度。而牛脊槫中心线即檐柱中心线,由此可知橑檐枋与牛脊槫间的水平距离L1。根据屋面走势及形制要求可推算出牛脊槫与脊槫之间设2道平槫等分,即L2=(L/2-L1)/3,由此槫的水平布置均可确定。为确保槫的相对高度准确,运用举折法的同时还需结合屋面构造,由筒瓦规格、石灰层、胶泥层、板栈层等逐步推算到椽子,与点云特征相互印证,确保准确度。求出主体屋架构造尺寸后,可由上向下与由下向上结合递推其余结构,即由槫、襻间到蜀柱、平梁、剳牵向下,由斗栱、月梁到平棋向上,结合点云数据与《法式》形制要求,逐步完善主体架构模型。

图7 屋架举折示意Fig.7 Roof truss lifting and folding

瓦面、椽子数量较多,而翼角飞檐部位生出、翘起更复杂,由此引入dynamo对飞椽和瓦面进行参数化快速生成。此处以瓦片生成为例,椽子生成方法类似。先在Revit中运用自适应公制常规模型创建筒瓦、板瓦族,明确筒瓦与板瓦的相对位置关系,赋予相应参数,能基于两点生成瓦片并能调节角度,载入项目中。根据点云定位檐口边界与生出起翘点,按屋面坡度描绘轮廓,在dynamo空间中拾取生成檐口边界与瓦面坡度线,用surface.bysweep节点生成曲面,再用geometry.split节点对厦两头造部位进行切割,生成原始屋面表皮。由檐口边界中点向两侧以筒瓦与板瓦的叠合模数固定距离等分,并与向量结合得出瓦面纵向分隔,再以每个分隔檐口端点为起点结合瓦的自适应族定位点进行等分。根据生成的定位点,结合导入的自适应族使用adaptive component.by points节点生成瓦面,再替换对应的檐口瓦。此过程中需注意筒瓦与板瓦、板瓦与板瓦之间的相搭重叠关系。

整体模型建好后,还需结合点云与勘测数据比对,对整体架构推导,查漏补缺,多次调整后,使其与徽恩阁建筑点云基本契合。而鸱尾、兽头等异形构件还需配合Rhino进行构件补充导入。

2.3 基于Rhino的融合建模方法

以上采用Revit进行了正逆结合的标准构件建模,但在Revit中难以调节构件形态满足纪实模型的要求。因此,要表现建筑构件现实形态,还需引入一种融合建模方式。Rhino具有强大的曲面调节功能及轻量化的优势,在建模过程中,能根据点云调节曲面造型,使模型更贴合原始建筑。在Rhino中的古建筑整体建模思路与Revit大致类似,均需依据建筑形制即间广、间深、架深、檐出、举折等参数,推算内部构造,生成完整的建筑模型。为充分利用Rhino参数化功能,提升建模效率,同步编译了一组基于grasshopper的参数化营造模块。该模块参考营造法式图样,分析各式构件特点,以足材为基本尺度,结合当下度量习惯,还原《法式》所描述的常用构件模型,形成标准模块单元。各类构件能根据建筑形制的不同,对屋架的类型、间广、间深及举折等做出选择,赋予调值参数改变相应尺度,即可生成相应建筑的标准模型。融合建模流程如图8所示。

图8 融合建模流程Fig.8 Fusion modeling process

在Rhino中导入处理好的点云数据,运用切片工具提取点云特征线、多种轮廓拟合求解获得古建构件的几何特征。运用营造模块调整参数依次创建各构件,结合RhinoResurf插件辅助建立复杂构件模型。此过程中,应做好各构件分组分层工作,以便后续隔离编辑。整体标准模型建立后可使用Rhino自带的SubD等工具,以点云为目标,对已有标准构件模型进行配准变形编辑。相对于网格模型,nurbs曲面建模能更好地控制物体表面曲线度,创建出更平滑逼真的模型,并有利于赋予材质。变形处理后的模型具有完整的建筑构件体系,能表现建筑的目前状态和构件细节。

鉴于目前Rhino在数据信息管理方面还存在缺陷,还需由Revit对构件进行统筹赋予信息参数,因此使用Rhinoinside.Revit与Revit进行格式转换与信息交互。通过Grasshopper中的New compoment family模块将Rhino中的构件在Revit中重新生成族,重新编辑并赋予构件参数信息。也可用Graphical Element模块拾取Revit中的构件Bake至Rhino中进行编辑重构,弥补Revit在构件变形方面的不足。将两者结合开发,实现古建筑构件纪实形态与信息数据的无损融合。徽恩阁完整构件模型如图9所示。

图9 徽恩阁完整构件模型Fig.9 Complete component model of Hui’en Pavilion

3 结语

本文结合点云数据与相关典籍数据,分析宋式建筑的整体构造,运用正逆向建模思路,发挥Revit的信息承载作用及Rhino的异形重构能力,对古建筑构件进行数字化三维重建,为存档监测及信息维护提供基础数据。以Revit标准构件族建立的模型旨在复原建筑原始构造,为结构监测、修缮提供参考。基于Rhino的融合建模方式具有轻量化优势的同时,更贴合建筑目前状态,能为古建筑修缮和维护提供精准数据。利用Rhinoinside.Revit将两者相结合,优劣互补,能完美呈现古建模型。此外,轻量化的数字模型可结合虚拟现实技术通过网络形象、逼真地展示古建筑构造细节,从而使古建筑脱离地域限制,实现文化遗产共享。