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CQADI数字化丨重庆湖广会馆古建筑数字复原技术应用
2020年重庆市住房和城乡建设委员会牵头，建设重庆市两江四岸核心区城市基础设施物联网一期建设项目，建设范围为重庆市“两江四岸”核心区，总面积约16.2平方公里，其目标实现物联网在重庆市城市基础设施领域的广泛应用，提高建设和运维信息化、智能化水平，基本形成“万物互联”的城市基础设施数字体系。重庆湖广会馆位于“两江四岸”核心区内，根据新型智慧城市建设方案规划要求，为保护古建筑，传承中国古建筑文化，弘扬中国古代工匠精湛技艺，数字化重现古代社会繁荣，因此对重庆湖广会馆建筑群进行三维数字化建设尤为重要，实现古建筑智慧运维管理，推动重庆市新型智慧城市快速发展。
古建筑数字化重要性
当前，各国城市基础设施物联网建设已上升到国家层面，欧盟通过物联网行动计划和数字化单一市场行动计划，打造欧洲物联网生态系统。日本利用物联网技术提升企业生产效率，升级革新制造模式。美国建立物联网技术标准，提升不同技术协议和产品规范的互操作性。我国在《物联网的十三五规划》中提出，到2020年，我国将基本建成具有国际竞争力的物联网产业体系。《重庆市人民政府工作报告(2019)》强调，推进智慧城市建设，制定新型智慧城市建设方案，出台大数据管理规定，加快建设市级数据中心和“数字重庆”云平台，实施一批智能化应用示范项目，开启全域感知、互联协同、智能运营、便捷高效的智慧城市发展新图景。重庆湖广会馆作为示范项目，为实现万物互联、智慧运营，进行三维模型化、信息化尤为重要。重庆湖广会馆通过三维激光扫描、倾斜摄影、GIS等关键性技术数字复原古建筑，通过点云模型，重建BIM模型，输入构建参数，实践信息化维护、科技化管理、数字化传承等理念，为重庆市古建筑保护贡献技术支撑，推动行业数字化发展。
重庆湖广会馆分为三部分:禹王宫、齐安公所、广东公所。如图1所示。
图1 项目Revit模型
古建筑测绘工艺流程分析
１、传统古建筑测绘流程与现代工艺流程对比
传统的古建测绘方法是往往要爬屋顶，以直尺和角尺等测量工具测量古建筑高程、角度、长度等信息，使用低像素相机记录二维图片信息。此方法缺点是作业辛苦且较多危险，需要就近测量，精度低，限制多，最重要的是保存的数据，信息量少。
现代工艺主要通过无人机、三维扫描、单反相机生成航空摄影测量数据、三维点云数据、高清影像，再对多源数据进行融合，生成平立剖面图，进行三维逆向建模，录入信息数据，为古建筑运维提供技术支撑。见表1所示。
表1 传统工艺流程与现代工艺流程对比
２、现代工艺优势
(1) 全面无接触测量(激光脉冲无损伤扫描测量;多角度数据采集融合;多尺寸三维信息融合)。
(2) 高精度数据采集生成(亚毫米、毫米、厘米级数据采集;厘米级三维模型构建;1:1尺寸原貌还原)。
(3) 真实性还原实景(高清影像还原浮雕;航拍摄影还原屋顶三维信息)。
(4) 成果延伸应用广泛(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)。
项目难点分析
◆ 本项目瓦片数量达到几万片，且每个屋顶造型都有差异，使用常规方法放置需要长时间和大量人力投入，故使用参数化编程进行快速创建，提升工作效率。如图2所示。
◆ 湖广会馆浮雕面积广，通过点云扫描创建参数化BIM模型工作量大，故采用高清影像贴图进BIM模型中展示效果。如图3所示。
◆ 本项目运用软件近十款，软件之间数据传递需要考虑数据丢失性，通过软件比选方案选择最佳软件进行模型处理。
◆ 古建筑构造复杂，图纸可参考性低，逆向创建BIM模型难度高，需同时参考归档图、点云图、高清摄影图。
◆ 三维扫描工作环境复杂，建模密度高，周围无制高点，扫描站点不易布置。
图2 禹王宫Revit模型
图3 禹王宫门窗模型
古建数字复原技术应用
１、三维激光扫描技术
① 扫描站点布置、路线规划
湖广会馆总建筑面积7653平方米，实地踏勘后，制定详细扫描计划，在场馆内、大门及周边共设置扫描站点256个站点，每站扫描约10min。
禹王宫，建筑面积2270平方米，扫描83站数据，对11个殿堂内外进行扫描，平均每站扫描用时约10min，带HDR全景拍照。
广东公所，外业共扫描56站数据，对5个殿堂内外进行扫描，平均每站扫描用时约10min，带HDR全景拍照。
齐安公所，建筑面积1600平方米，外业共扫描 67站数据，对8个殿堂内外进行扫描，平均每站扫描用时约10min，带HDR全景拍照。
大门及周边，外业共扫描50站数据，对5个殿堂内外，及全部外墙立面进行扫描，平均每站扫描用时约6min。
② 三维激光扫描技术路线
三维扫描主要对除屋顶外的区域进行扫描，完成部分区域的外业扫描站点后，进行内业点云拼接。在Scene软件中分小区域，率先进行初步拼接，删除小区域点云中杂物。若点云拼接精度或者重叠率达不到要求，则需现场进行重新扫描，再进行拼接处理。待所有小区域点云处理完后，整合所有点云数据，输出点云拼接报告，查看整体场馆拼接效果。见表2所示。
表2 三维激光扫描技术路线
２、倾斜摄影技术
倾斜摄影主要对屋顶进行数据采集，首先勘测地形，规划飞行路线，选择光照强度强、空气能见度高的天气进行航拍。数据采集后导入Context Capture Master软件，检测影像文件完整性，随后进行空三解算，导出LAS文件，进行重建点云模型。见表3所示。
表3 倾斜摄影技术路线
3、Arena4D软件处理整合
将所有湖广会馆点云文件，转换为VPC格式，导入Arena4D软件中查看编辑，处理杂点，并补充缺失部分点云数据。最后载入到Rhino中输出湖广会馆的平、立、剖面图，以便后续BIM逆向建模。见表4、图4所示。
表4 Arena4D软件处理整合流程
图4 重庆湖广会馆点云模型
4、逆向建模
逆向建模流程:根据犀牛输出平立剖面图及归档图纸衬底，导入高清摄影素材，创建BIM模型，并进行图纸输出。见表5所示，具体步骤:
(1)首先在Revit平面视图中导入禹王宫点云平面图，创建轴网、柱、梁、板;
(2) 在Revit立面视图中导入点云立面图，创建标高，确定柱、梁高程;
(3) 在Revit剖面视图中导入点云剖面图，确定柱高、梁宽;
(4) 与实景进行对比分析，进行屋顶细部构造深化，完成模型。如图5、图6所示。
表5 逆向建模流程
图5禹王宫BIM渲染模型
图6禹王宫实景
5、Revit/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分析，动线虚拟现实系统，防灾与逃生模拟，三维空间设计核查，更便捷的图纸生成及管理，工程算量与成本控制，进度控制，建筑全生命期的数据协同与应用等。通过对古建筑梁、柱、斗拱、瓦片、花架椽等构件进行参数化设计，提升设计效率，对Revit模型进行日照等环境分析，优化设计门窗尺寸，深化BIM模型，完成BIM参数化设计出图，为馆方运维提供数字化支撑。见表6、图7~图9所示。
表6 参数化设计流程
图7 参数化花架椽屋顶设计
图8 禹王宫局部屋顶拆分
图9 斗拱拆分
6、BIM出图
重庆湖广会馆施工图在Revit软件中进行出图。Rhino模型完成后，导出SAT文件格式，使用Dynamo获取SAT文件模型，导入进Revit，进行平面、立面、剖面标注等细化工作，最后完成出图。如图10~图12所示。
图10 禹王宫剖面图
图11禹王宫出图
图12禹王宫局部出图
BIM智慧运维管理平台
CIM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、工程数字化移交系统，集成重庆市各类现状、规划和建设数据，并与相关业务系统集成对接，接入城市运行大数据，搭建集数据展示与管控、辅助决策分析等于一体的重庆市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，创造一个基于BIM模型的建筑空间与设备运维管理，同时结合互联网技术，将BIM的静态属性与互联网的动态属性相结合，进一步拓展了平台的应用能力。
BIM智慧运维管理平台通过感知层设备识别、获取物联网信息，经网络层5G，NB-IoT等关键技术传输至平台应用层，实现智慧消防、智慧安防、资产管理、人流监管等应用。如图13~图14所示。
图13 BIM智慧运维管理平台功能介绍
图14 BIM智慧运维管理平台设计构架
结论
三维激光扫描技术通过三维扫描仪进行点云数据采集，并对海量数据进行拼接、删除杂物、去除噪点等处理，导入犀牛软件进行快速点云分割出图。此技术可快速创建建筑结构复杂、异型曲面、古建筑雕塑等难以运用二维图纸表达的建筑。
倾斜摄影技术通过垂直、倾斜等方式采集影像数据获取建筑外表皮高分辨率纹理，并进行内业数据处理，删除不合格数据，进行空三解算，并进行重建网格曲面，模型修复及矢量化。运用该技术可以真实反映古建筑屋顶造型，并且可以与三维激光扫描点云模型精准融合，生成实景模型。
本项目运用三维激光扫描、倾斜摄影、GIS等关键性技术数字复原湖广会馆，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，键入构建参数，创建BIM模型。该技术可运用于智慧古建、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。
本项目符合国家和重庆市关于推进新型基础设施建设的总体要求，项目实施将对重庆市进一步推动新型智慧城市发展形成重要支撑，同时通过本项目建设，有利于将主城区“两江四岸”建设成为与直辖市、国家中心城市、现代化大都市地位相适应的山清水秀生态带、立体城市景观带、便捷共享游憩带、人文荟萃风貌带，打造宜居宜业宜游的国际滨水空间，进而提升城市品质，对带动经济社会高质量发展具有十分重要的现实意义。
撰稿
技术质量部BIM中心 杨晓林