三维激光扫描与BIM技术结合的古建筑建模应用

2019-09-02曹智翔王艺浩

科技视界 2019年10期

关键词：三维激光扫描

曹智翔　王艺浩

【摘要】本文通过采集古建筑三维激光点云数据，根据古建筑的特点结合BIM（建筑信息模型）建立三维模型并提取二维图形，研究点云点位精度，计算工程量，为古建筑保护和应用方面提供思路和方法。

【关键词】三维激光扫描;BIM模型;古建筑建模

中图分类号： TU17;TU198 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）10-0075-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.030

Ancient Building Modeling Application Combining 3D Laser Scanning and BIM Technology

CAO Zhi-xiang WANG Yi-hao

（College of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

【Abstract】This paper collects 3D laser point cloud data of ancient buildings，combines BIM（Building Information Model） to build 3D models and extract 2D graphics according to the characteristics of ancient buildings，study point cloud point precision，and calculate engineering quantity.Provide ideas and methods for the protection and application of ancient buildings.

【Key words】3D laser scanning;BIM model;Ancient building modeling

0 引言

中國古代建筑是中华民族悠久历史的见证和文化命脉的传承，但随着城市化的发展，古代建筑没有得到保护反而受到破坏，其修复工作因缺乏图纸数据变得极其困难，因此古建筑测绘和数据采集成为一项必不可少的工作。古建筑专题图件要求完整精确的描绘古建筑的形状，色彩等特性。三维激光扫描技术作为一项高新技术能海量获取完整古建筑点云数据，每个点且具有坐标信息、反射率和色彩信息，与传统测绘方法相比三维激光扫描获取的信息更加详细和丰富[1]，经处理后可实现数据精准分析，研究并建立三维模型。

1 古建筑的内容与要求

古建筑测绘内容主要包括以下几个方面：古建筑总平面图;古建筑单体各层平面图;古建筑单体立面图、剖面图、俯视图、节点详图的测绘。依据相关规范及资料测量精度指标[2-3]的要求如下：

1）总平面图的成图参考比例尺为1：500—1：200，测量中图根平面控制测量点位中误差在图上应小于0.1mm，碎部点在图上的点位中误差应小于0.3mm。

2）古建筑单体各层平面图的参考比例尺为1：100—1：50测量中控制点在图上的点位中误差应小于0.1mm，碎部点在图上的点位中误差应小于0.3mm。

3）现场进行钢尺测量、三维激光扫描仪测量获取被测物体的点云实测模型需注意，量取相关建筑物和建筑构件的尺寸时，同一尺寸测量读数误差不超过（3+0.001D）mm（D为被测距离的长度），同一尺寸在模型多次测得的平均距离与现场用钢尺多次测得的平均尺寸的相对误差不超过1/200[4]。

2 数据采集及处理

2.1 外业数据采集

以重庆市某寺庙作为实验对象，使用徕卡三维激光扫描仪及全站仪，钢尺等测量工具对其数据采集。将采集的点云数据进行内业处理，具体为点云配准、去噪和滤波、点云分类分割、点云简化、点云拟合、特征线提取、三维建模等步骤。因上述步骤使用的是成熟算法，在此不作过多赘述。

2.2 点云精度

古建筑的构件多是由圆柱、长方体、球体等组成，为了得到精确的圆柱半径、高度、长方体长宽高、球体半径等信息，通过基准面拟合提高特征线获取和尺寸量取的效率。基准面拟合是指确定扫描点云所属表面的数学形式，在高斯映射数据条件下，基准面的拟合可分为两个步骤：高斯映射数据的形状类型识别和特征提取[5]。通过Imageware软件可在点云基准面拟合过程中可求取拟合后的中心点、半径、高度、最大偏差值以及参与拟合的点云数。设置不同的公差值，量取圆柱的半径和高，通过半径计算出周长，现场用钢尺量取圆柱的周长和高，两者数据比较，满足1/200的相对精度的《古建筑测绘规范》要求，且通过Image ware软件的“测量|面积|边界区域平面面积”功能可计算构件的面积和体积，为绘制古建筑图纸中的尺寸标定和工程量统计提供重要保障。

3 BIM与三维激光扫描技术

3.1 BIM在古建筑保护中的作用

BIM在古建保护中的应用中可以记录古建筑生命周期的信息，分别为全息几何模型、整体建筑信息模型、局部构件信息模型和古建筑生命周期管理、分析提供数据支持[6]。在古建筑的维修、保护的工程实际应用中一般需要标准样板文件设计、概算工程量清单汇总、工程验收变更内容、深化模型形成竣工图纸、三维信息模型的建立等几个阶段。

建筑信息模型为古建筑修缮设计的方法提供了强有力的技术支持，它使得古建筑的构件信息，结构信息，材料信息，残损信息、修缮做法都可以被整合在一个相互关联的逻辑系统中，在建立大木、小木、瓦石、装修模型的时已同步载入年代、价值、残损等主要特征信息，最终的图纸是一个信息模型在不同维度上的表达。

3.2 “族”的建立

BIM模型的建立分为确定标高和轴网、创建“族”、结构布置等步骤，标准构件“族”是用于创建建筑构件和一些注释图元的“族”。古建筑构件檐柱、额枋、趴梁、顺梁、山花板、角梁等[7]不同于普通建筑构件需要单独创建。在Revit Architecture中建立构件“族”模型需要完成以下四步：①由点云数据进行几何图形的绘制，确定“族”模型的几何尺寸。②赋予三维模型建筑信息，根据需要添加相应的文本建筑信息（名称、材质、颜色、年代等）。③设置“族”的可见性，即该“族”模型在项目中显示的详细程度，其详细程度取决于视图的比例关系。④保存新定义的“族”，然后将其载入到项目中进行测试[8]。图1为根据真实点云数据创建的柱子“族”和梯子“族”：

3.3 模型的绘制

绘制模型主要分为如下几个步骤：①由绘制二维CAD图确定的标高和轴网关系建立三维模型的标高和轴网，开始搭建模型。②创建楼板作为基础，楼板是石板，搭建楼板时设置楼板的长宽高。③以楼板为参照平面，在此基础上搭建柱子，本文用到自己创建的柱子“族”，根据要求设置相关尺寸，搭建时还需考虑其构造方式、立面显示、柱子的分布等因素，并在柱子搭建完毕后设置其相关属性参数。④创建内部结构，建筑物内部有梁等结构，根据已知的尺寸和材质创建内部模型。⑤创建屋脊和屋顶，根据标高与轴网，将梁、屋脊和屋顶放置到模型中，并设置相关参数信息;完成长椅、栏杆和窗花附着，屋顶建立完毕后，进行长椅、栏杆和窗花对柱子的附着安装;上述过程完成后便得到下面的模型结构，图2为三维真彩色展示：

3.4 绘制剖面图

现今设计施工主要以二维CAD图纸为主，为和设计施工相结合，通过三维激光点云获取的真实尺寸模型剖切可得到二维CAD图，其中亭廊局部立面图如图3、大样圖如图4所示。

由实验可知，根据三维BIM模型进行剖切、编辑裁剪完成后，可以导出CAD格式，在CAD中进行编辑，从而实现从三维模型到二维线性图的转换，为获取二维线性图提供了方便。通过现有古建筑模型即可绘制出平面图、立面图、大样图等图纸，将图纸保存或数字化导入数据库为后续古代建筑复建、修复提供保障。

4 总结

本文针对古建筑测绘的内容和要求，通过三维激光点云拟合、特征线提取等处理步骤，能获取满足古建筑测绘精度的点云数据。通过点云数据建立古建筑构件的“族”文件和提取的信息绘制古建筑BIM模型，完成1：1的还原，在BIM模型剖切功能下实现了二维图形提取，便于古建筑的维护和施工。

研究成果表明三维激光扫描技术与BIM结合对具有历史文化价值的古建筑测绘、二维施工图纸的生成和古建筑维修、保护等信息化管理应用具有广阔发展前景。未来三维激光扫描、BIM、三维GIS技术的发展和融合将推动三维数据向更深层次方向发展。

【参考文献】

[1]周曦冰.古文物测绘的三维激光扫描技术应用研究[D].昆明理工大学，2016.

[2]林源.古建筑测绘学[M].中国建筑工业出版社，2003.

[3]王其亨，吴葱，白成军.古建筑测绘[M].中国建筑工业出版社，2006.

[4]李宝瑞.地面三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究[D].长安大学，2012.

[5]郑德华.三维激光扫描数据处理的理论与方法.上海：同济大学博士学位论文，2005.