诚信金泰建设（苏州）管理有限公司 王超
摘要：BIM技术引入我国工程建设行业后，在各类大型公建等较为复杂的工程项目中的应用已经取得了成果，然而在历史古建保护领域，BIM技术应用处于起步阶段，在研究方面存在较多空白。随着新技术的快速发展，可以利用3D激光扫描、无人机倾斜摄影等新技术，对古建筑进行三维空间信息生成点云数据的获取，对古建筑的二维图纸、三维模型进行反向还原，并导入平台系统，实现数据共享，便于后续工程的数字化汇报与沟通工作。鉴于此，本文针以环秀山庄项目既有建筑物逆向建模为例进行电子存档保护，为后续修复、更新、维护、文化传播、C I M数字孪生等提供可靠的数据支持，以供参考。
关键词： BIM技术；修缮；无人机倾斜摄影；三维激光扫描；保护途径
图（1）四扇厅测绘原理及现场照片
引 言
古建物是历史、政治、文化的凝聚物，但许多珍贵稀有的古建文物遗址，随着岁月流逝，社会发展，风雨侵蚀，已濒临灭绝。大部分古建筑结构相对复杂，依靠传统的测绘方法和照片很难恢复原貌，而且传统的古代建筑测绘直接用尺子和角尺、垂球等工具对建筑物及其构件进行尺寸测量，获取最终数据，如图纸和部分文字记录等，存在资料不准确、使用不方便、效率不高等问题。因此，如何对古建筑进行保护、修缮和复原，利用先进的技术手段，就成了我们迫切需要解决的问题。随着信息技术的发展，三维激光扫描技术通过高速激光扫描的方式，快速获取被测物体表面的三维坐标、反射率、色彩信息，采用非接触式、全息式扫描手段采集古建筑表皮面密集点云数据和纹理色彩。实现了在古建三维精细建模资料获取中广泛应用大面积、大范围、大范围的由传统点。对古建筑的成果保护、发掘、整理、利用，为古建筑提供重要数据支撑，是掌握原始建筑信息最基础的环节。
该文主要研究环秀山庄项目整体场景采用三维扫描技术非接触方式耦合BIM技术进行测绘、修缮、虚拟现实、数字化存档、文化传播、CIM数字孪生等实施目标。通过对其高清晰的肌理数据的采集，实现了由点到面测量质的跨越，外业资料的采集效率和精度明显提高，不接触方式也不会对古建造成破坏，有力地促进了古建测绘技术的发展。利用逆向工程技术，在此基础上绘制相应的二维平面信息，如平面图、立面图、剖面图等，进行高精度三维建模。
最终形成一系列能反映古建筑精密几何形态、空间结构及纹理的数字化产品，完整保存古建筑的高精度三维原貌并实现有关数据的永久存档和应用。
图（2）无人机倾斜摄影及三维激光扫描点云数据
1 数字化建模关键技术路线
利用三维激光扫描技术得到的点云数据可以作为几何信息建立模型，以环秀山庄数字化应用为例。
项目BIM建模应用的主要依据是采用架站式、手持式、无人机搭载三维激光扫描仪，快速、动态、高精度、高密度获取古建筑表面点云数据，全面测绘整体场景，为古建筑现状数据获取、原始风貌保存、数字化展示提供技术路径。
图（3）架站、无人机、手持三维扫描点云数据采集
通过数字化技术手段采集点云数据能够全面、准确地反映古建筑、假山、家具等重要文物的整体以及局部细节的几何形态和空间结构，对采集到的原始点云数据进行处理，并能够提交符合技术指标要求的点云数据模型。后期通过点云叠加纹理数据进行内部数据处理，绘制出二维矢量图，如建筑和细部节点的平面图、立面图、剖面图等，然后在BIM软件中建立三维数字模型(DigitalModel)。
图（4）四面厅室内家具三维扫描以及贴图纹理数据处理
主要建模工作分为三个部分。
（1）外业数据的采集。主要是前期准备，具体实施点云扫描。前期准备工作又分为设计扫描方案、外业踏勘和布控布点三个环节。具体实施点云扫描又分为两个步骤，即可行性分析和扫描前的小范围试运行，以及正式扫描采集点云。
（2）内业数据处理。内业资料处理工作主要包括预处理，去噪，拼接，滤波，精简激光点云的操作流程，同时也要及时检查核点云的精度。内业资料处理后的结果是数位点云的结果，而1∶1的数位点云能将现实中的古建筑完整地展现出来。
（3）三维模型创建。利用采集到的海量点云数据成果，导入相关矢量绘图软件，通过裁切相应尺寸的点云数据，绘制出一张二维现状的古建筑图纸，通过人工判读的方法，然后导入BIM建模软件(以Revit为例)，进行精细化的三维模型制作。
图（5）三维激光扫描的工作流程
2项目背景研究及意义
环秀山庄位于江苏苏州城中景德路，占地面积虽为3亩，却集建筑、园林、雕刻、诗书、灰雕等传统艺术于一体，是江苏省文物保护单位，1988年被列为全国重点文物保护单位。1997年底被联合国教科文组织遗产委员会确定为世界文化遗产。
图（6）环秀山庄项目历史背景及数字化意义
所谓古建筑数字化，是将现实古建筑的尺寸、构造、图像等资料的虚拟化和数据化，能够在电脑中进行三维立体展示。
环秀山庄数字化项目就是利用最新的数字技术如数字化扫描、摄影、三维建模、虚拟现实等技术再现、保存、传播环秀山庄园林世界文化遗产，从而让文化和基于延绵长存。
环秀山庄数字化建设不仅有利于保存其真实尺度与面貌、精确还原其空间结构关系，更可借助网络平台（如苏州道APP上传数字古建、数字园林、数字三维模型）实现苏州古典园林文化遗产资源传播与共享，让遗产更富“活”力。
图（7）数字古建文化传播参考示例
3 环秀山庄数字化建设的必要性
古建筑保护是一个综合性多方面的工作。当下BIM、大数据、云计算、人工智能等新兴技术高速发展，为古建筑保护的带来重大变革。更简便、更快捷、更全面的记录和保护，让古建保护工作逐渐走向了数字化的轨道。
环秀山庄项目数字化的优势与应用：(1)对项目各时间段信息的保存更加全面、精细；(2)对项目的修复保护工作给予帮助；(3)数字化变形监控；(4)倒灶展示更全面的项目；(5)学习教育有所帮助；(6)平立剖图的绘制，二维资料归档。
图（8）全面的项目展示
4 环秀山庄数字化建模的难点分析及解决措施
4.1三维激光扫描存在盲点
环秀山庄是苏州古典园林中较有特点的小而精的代表，其特点是宅园合一，院内各种亭台楼阁结构复杂，造型精美。此外园中丰富多样的花草树木、河流假山也会给激光扫描带来阻碍，测站点位置难以布置。在本次环秀山庄三维建模项目中，扫描站点布置多达233处。即便如此，扫描结果仍存在盲点，或被树木遮挡，或因假山丛生河流蜿蜒，无法布置测站点。
图（9）三维激光扫描布置站点
解决措施：
针对三维扫描中存在上述盲点，我们团队在项目咨询服务过程中，梳理测站盲点位置并结合传统的测绘方式进行互补，现场勘查测量后，对扫描模型进行细节补充。
图（10）测绘盲点部位数据补充
4.2构件种类多样，造型复杂
在环秀山庄项目中，共有“门厅、有穀堂、四面厅、边楼、边廊、问泉亭、补秋舫、半潭秋水”8处单体。其中每个单体的门窗、雕花、斗拱、瓦片、屋顶制式都不尽相同，对Revit建模带来了极大的不便与挑战。
图（11）现场勘察细部摄影
解决措施：
针对环秀山庄项目，我们团队结合点云模型、无人机倾斜摄影模型数据，搭建柱、梁、斗拱、门窗、瓦片等构件的参数化族。以门窗与瓦片为例，参数化族可以快速的调整相应尺寸大小及摆放位置。
图（12）如斗拱、瓦片参数化族创建
4.3屋顶等内部结构无法观测
环秀山庄建筑结构精妙绝伦，屋顶木制构架可简单分为抬梁式、穿斗式、井干式。其中，部分亭、廊的构架可以直接扫描测绘。而一些有天花的楼阁，其内部架构被顶棚所遮挡，以至于正常情况下无法观测。
图（13）屋顶构造实景
解决措施：
通过观察建筑的外部样式，参考项目中其他单体的架构形式，再通过互联网查询古建结构的相关资料，模拟出内部屋架的构造形式。
图（14）边楼BIM模型局部效果
5 环秀山庄数字化技术应用
5.1三维激光扫描技术
5.1.1扫描站点布置、路线规划
环秀山庄总建筑面积2180平方米，经过实地踏勘，制定了详细的扫描站点方案，在建筑面积为100平方米的门厅和门厅设置了56个扫描站，每个扫描站扫描10min左右。
建筑面积116平方米的四面厅，扫描38个站点数据，1个站点内外扫描，平均每个站点扫描用时在10分钟左右，并配有HDR全景照相。
建筑面积21平方米的涵云阁，扫描22个站点数据，平均每个站点在10min左右进行扫描，配有HDR全景拍照
建筑面积50平方米的边廊，扫描67个站点数据，平均每台用时扫描10min左右，配有HDR全景照相。
建筑面积48.07平方米的秋水舫和半潭水，扫描50个站点的数据，平均每台用时扫描6min左右。
图（15）三维站点布置、流程、路线规划、点云模型示意
5.1.2三维激光扫描技术路线
三维激光扫描技术是通过3D扫描仪对点云数据进行采集，导入犀牛软件进行快速点云分割图，拼接海量数据，删除碎片，清除噪点。这种技术能够快速创建复杂的建筑结构、异形曲面、古建筑雕塑等难以用二维图纸表达的建筑物。
该项目主要扫描除屋顶外的区域，完成部分区域的外业扫描站点后，进行内业点云拼接。在scene软件的中分小区域，率先进行了初步拼接，删除小区域点云中杂物。如果点云拼接精度或重叠率达不到要求，在拼接处理前，还需要现场重新扫描。所有小区域点云处理完毕后，将所有点云数据进行整合，并输出点云拼接报表，在环秀山庄园林庭院中查看整体拼接效果。并导入AutoCAD、AutodeskRevit等绘图软件，作为现况建模的参照物，可将扫描后的数据转换为参照物底模。此外，通过网格处理点云，建立多面体表面，再将其生成复杂的曲面形状，然后把需要表达的东西连成片，连成面。
图（16）三维点云数据转化成BIM模型
5.2倾斜摄影技术
倾斜摄影技术倾斜摄影主要是对屋顶进行数据采集，先对地形进行勘测，规划飞行路线，选择光照度强、空气能见度高的天气进行航拍。数据采集后导入ContextCaptureMaster软件，检测图像文件的完整性，然后进行空三解算，导出LAS文件，重建点云模型。
图（17）无人机倾斜摄影生成数据模型
5.3逆向工程建模
逆向建模工作流程，首先收集三维激光扫描点云模型，并导入犀牛软件处理点云分割图，消除噪点，绘制平立剖二维参考图纸，导入高清摄影素材，创建BIM模型，并进行图纸输出。具体步骤如下:
图（18）逆向三维建模工作流程
5.4Revit/Dynamo参数化设计
参数化设计主要体现在设计师更高效的参数化控制设计、对接、更真实的建筑环境模拟、虚拟现实系统、历史文物修缮保护、园林文化宣传推广、CIM系统平台对接等方面。完成BIM参数化设计出图，通过参数化设计古建筑的梁、柱、斗拱、瓦当、花架椽等构件，为环秀山庄的运营维护提供数字化支撑。
图（19）重复工作参数化编辑
5.5电子文档（BIM出图）
环秀山庄项目施工图在Revit软件中进行出图。Rhino模型完成后，导出SAT文件格式，利用Dynamo获得SAT文件模型，导入Revit，细化平面、立面、剖面标注等工作，最后制作完成。
图（20）电子文档管理
5.6 BIM可视化展示系统建设
基于生产的各类数据，制作可第一人称漫游的场景三维展示系统，要求展示系统中集成三维模型数据、三维实景数据、平立剖面图数据，同时展示系统应能展现遗产全貌，主要包括建筑、假山、水池、树木等要素。主要建筑内的家具、地铺、碑刻、匾额楹联等均有明确标识。
图（21）边楼、有毂堂室外/内局部数字化展示效果
5.7 文化传播（重点文物建筑单体虚拟拆解）
环秀山庄项目数字化逆向建模完成后，为了更好的实现文化传播，全方位挖掘三维数据资产，后续园林运营管理单位会将相关成果上传至苏州到APP数字园林、数字古建功能模块上以及对接融入市数字孪生CIM系统。充分利用数字化手段，为园林运营过程中更好服务旅客，便于理解古典园林的历史文化、建筑构造等，项目咨询数字化服务实施中对四面厅、海棠亭重点文物单体进行虚拟拆解。
图（22）海棠亭虚拟拆解示意
5.8 BIM智慧运维管理平台
CIM数字孪生运维管理平台主要包括利用大数据、云计算、BIM、CIM、物联网等技术，构建CIM数据中心和工程数字化移交系统，将苏州目前的各种现状、规划、建设数据进行整合，并与相关业务系统进行整合对接，实现全产业链、接入城市运营大数据，打造集数据展示与控制、辅助决策分析等功能于一体的苏州古建筑CIM平台。
BIM运维管理平台是CIM运维管理平台分支，利用BIM模型的可视化3D空间展现能力，在结合互联网技术，将BIM静态属性与互联网动态属性相结合的同时，创造出基于BIM模型的建筑空间与设备运维管理，进一步拓展平台应用能力。
图（23）CIM数字孪生大屏驾驶舱系统搭建
6 结 论
本项目采用三维激光扫描、倾斜摄影、BIM等关键技术，全程无接触测量，高精度数据采集，快速创建复杂建筑三维点云模型，构建参数键入，创建BIM模型，对环秀山庄进行数字化复原。
合理的利用数字化BIM技术，将我们环秀山庄项目中每一个构件的信息和特点准确的注入模型中，让不懂古建筑的人都能准确的认识到每个构件的建造意义。
图（24）苏州到数字园林模块已上架示例
数字化技术可为苏州古建筑保护与更新探索出一条新路径，将智慧古建、智慧文博、文物档案存档、修复、场景交互模拟、多种数据云平台实时管理等，实践信息多元化维护管理、数字化传承理念，从而探索出苏州市古建筑保护与更新新路径。
图（25）探索苏州古建筑保护与更新新路径
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