孫方婷，許志堅(jiān)，楊遠(yuǎn)豐

引言

在中國(guó)經(jīng)濟(jì)步入新常態(tài)的大背景下,數(shù)字信息技術(shù)的加速創(chuàng)新和深度應(yīng)用成為了經(jīng)濟(jì)社會(huì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的巨大內(nèi)生動(dòng)力[1]。隨著社會(huì)發(fā)展與進(jìn)步，建筑文化遺產(chǎn)的還原保護(hù)與傳承利用愈加受到人們的重視。目前，在建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)中出現(xiàn)了很多心技術(shù)，其中建筑信息模型（BIM）技術(shù)最受關(guān)注[2]。建筑信息模型（BIM）技術(shù)是新興的數(shù)字化、信息化技術(shù)，通過(guò)包含建筑各種信息的三維模型，可完整記錄建筑物的空間與構(gòu)件信息，是嶺南傳統(tǒng)民居建筑記錄與保護(hù)的數(shù)字化建設(shè)理想的技術(shù)手段[3]。同時(shí)，可以進(jìn)一步對(duì)嶺南傳統(tǒng)民居建筑的三維數(shù)字化信息模型的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，開(kāi)展必要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，如對(duì)嶺南傳統(tǒng)民居建筑通風(fēng)、采光的實(shí)驗(yàn)分析等；還可以進(jìn)一步將數(shù)字化信息模型置于互聯(lián)網(wǎng)虛擬模擬技術(shù)的云平臺(tái)，提供給人們進(jìn)行虛擬的現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

1 嶺南傳統(tǒng)民居的數(shù)字化構(gòu)建

嶺南傳統(tǒng)民居建筑的發(fā)展歷史悠長(zhǎng)，具有獨(dú)特的建筑風(fēng)格與裝飾藝術(shù)，體現(xiàn)著強(qiáng)烈的嶺南文化特色，其豐富的歷史、藝術(shù)、科學(xué)價(jià)值是我國(guó)重要的建筑遺產(chǎn)。隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，對(duì)于嶺南傳統(tǒng)民居建筑的保護(hù)與傳承得到日益重視，相比于現(xiàn)代建筑其復(fù)雜形體的具體信息難以基于少量二維信息進(jìn)行全面描述,這使得古建保護(hù)工程中基于古建筑圖紙重建三維模型面臨著重大難度[4]。嶺南傳統(tǒng)民居建筑資源的數(shù)字化構(gòu)建正當(dāng)其時(shí)。

嶺南傳統(tǒng)民居建筑數(shù)字化技術(shù)的構(gòu)建和應(yīng)用，是當(dāng)前文物保護(hù)及文物環(huán)境保護(hù)的一個(gè)新課題，非常有研究的價(jià)值。

不言而喻，用BIM技術(shù)建立嶺南傳統(tǒng)民居建筑的三維數(shù)字化信息模型，記錄建筑外部與內(nèi)部的空間信息及構(gòu)件信息，其所承載的信息量是以往二維影像或圖紙所無(wú)法比擬的。

圖1 薛岳故居三維掃描數(shù)據(jù)模型

圖2 薛岳故居BIM數(shù)字化信息模型

圖3 薛岳故居CAD二維圖紙

BIM技術(shù)建立起來(lái)的嶺南傳統(tǒng)民居建筑的三維數(shù)字化信息模型，與其他三維建筑繪圖軟件如3D Studio 或Sketch Up 草圖設(shè)計(jì)大師等建立起來(lái)的三維模型的區(qū)別在于三維數(shù)字化信息模型內(nèi)可蘊(yùn)涵的大量建筑信息。用BIM技術(shù)常用繪圖軟件Revit建立起來(lái)的三維數(shù)字化信息模型，可以進(jìn)一步在模型上注入嶺南傳統(tǒng)民居建筑詳細(xì)信息，如點(diǎn)擊民居模型的墻體，可獲得墻體的寬度、高度和厚度三維尺寸，甚至可獲得墻體的砌筑方式、墻體所用材料和用量等詳細(xì)信息。

用BIM技術(shù)整理形成的嶺南傳統(tǒng)民居建筑數(shù)字化信息模型的資源，可為科研、教學(xué)及公眾傳播提供便利，為嶺南傳統(tǒng)民居建筑保護(hù)與傳承提供基礎(chǔ)支持[5]。

2 BIM數(shù)字化構(gòu)建技術(shù)研究

2.1 數(shù)字化構(gòu)建的技術(shù)路線

BIM技術(shù)以軟件、硬件、系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)為一體，承載了鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)的數(shù)據(jù)和資源[6]，為了對(duì)建筑遺產(chǎn)進(jìn)行保護(hù)和傳承，需要獲得現(xiàn)存嶺南傳統(tǒng)民居建筑的基礎(chǔ)資料，這是BIM數(shù)字化構(gòu)建技術(shù)的第一步。

以往獲取嶺南傳統(tǒng)民居建筑的基礎(chǔ)資料的方式是采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和拍照記錄，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)和照片繪制測(cè)繪圖紙。這種方式效率低，人工戶外工作量大，不精確，不全面，容易造成信息的錯(cuò)漏[7]。

隨著三維掃描技術(shù)的成熟，傳統(tǒng)的人工測(cè)繪和拍照記錄等方法已逐漸向三維掃描、傾斜攝影、照片建模等新技術(shù)為代表的建筑逆向（RE，Reverse Engineering）技術(shù)過(guò)渡[8]。RE技術(shù)擁有快速、精確、人工操作少，記錄全面等優(yōu)勢(shì)，因此是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

基于上述獲取既有建筑數(shù)字化信息途徑的分析，形成兩條數(shù)字化構(gòu)建的技術(shù)路線，并應(yīng)用于嶺南傳統(tǒng)民居數(shù)字化應(yīng)用。

第一條數(shù)字化構(gòu)建的技術(shù)路線：CAD技術(shù)將歷時(shí)建筑保護(hù)從傳統(tǒng)的手工繪圖中解放出來(lái)，伴隨著計(jì)算機(jī)虛擬等技術(shù)的普及，可以說(shuō)是歷史建筑保護(hù)領(lǐng)域的第一次數(shù)字技術(shù)飛躍[9]。第一條技術(shù)路線正是采用這種方式進(jìn)行，通過(guò)人工實(shí)測(cè)傳統(tǒng)民居；整理獲得二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；繪制CAD傳統(tǒng)民居二維圖紙；建立傳統(tǒng)民居BIM數(shù)字化信息模型。

第二條數(shù)字化構(gòu)建的技術(shù)路線：采用全息影像測(cè)繪儀實(shí)測(cè)傳統(tǒng)民居；整理獲得三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；將全息影像測(cè)繪儀實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件Revit；建立傳統(tǒng)民居BIM數(shù)字化信息模型；自動(dòng)生成傳統(tǒng)民居CAD二維圖紙。

2.2 數(shù)字化構(gòu)建技術(shù)的研究實(shí)例

依據(jù)上述兩條不同的嶺南傳統(tǒng)民居建筑數(shù)字化構(gòu)建的技術(shù)路線，分別選用一個(gè)研究實(shí)例，對(duì)嶺南傳統(tǒng)民居建筑的數(shù)字化構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行分析和研究。

以深圳大鵬所城的鄭氏司馬第傳統(tǒng)民居為例，遵循第一條數(shù)字化構(gòu)建的技術(shù)路線，建立該傳統(tǒng)民居的BIM數(shù)字化信息模型。

首先對(duì)該傳統(tǒng)民居進(jìn)行實(shí)測(cè)，獲得深圳大鵬所城鄭氏司馬第平面、剖面和各個(gè)立面以及包括屋面、房屋細(xì)部在內(nèi)的二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后整理獲得的二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用CAD二維軟件繪制鄭氏司馬第傳統(tǒng)民居的CAD二維圖紙（圖1），再將CAD二維信息連接到BIM軟件Revit，建立鄭氏司馬第傳統(tǒng)民居BIM數(shù)字化信息模型（圖2），最終將形成的CAD二維圖紙與BIM數(shù)字化信息模型歸檔。

選擇薛岳故居作為第二條數(shù)字化構(gòu)建技術(shù)路線的研究對(duì)象, 該技術(shù)路線是通過(guò)三維掃描技術(shù)構(gòu)建傳統(tǒng)民居BIM模型的方法。

圖4 民居BIM數(shù)字化信息模型例

薛岳故居的三維掃描數(shù)據(jù)由室外、室內(nèi)兩部分構(gòu)成。室外通過(guò)大疆無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影，采集到220個(gè)網(wǎng)站數(shù)據(jù)；室內(nèi)通過(guò)德國(guó)施緯達(dá)三維掃描儀，采集到63個(gè)網(wǎng)站資料；再通過(guò)施偉達(dá)云資產(chǎn)可視化管理平臺(tái)，進(jìn)行后期處理，利用云集群大資料CUDA計(jì)算技術(shù)，根據(jù)多視覺(jué)圖像擬合技術(shù)，整合于一體，形成完整的采集數(shù)據(jù)（圖3）。

為了將全息影像測(cè)繪儀實(shí)測(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件Revit中進(jìn)行BIM建模，整理薛岳故居完整的三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，再經(jīng)過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云坐標(biāo)調(diào)整及校正、設(shè)定軸網(wǎng)及樓層標(biāo)高等一系列步驟，建立起薛岳故居的BIM數(shù)字化信息模型（圖4）。

從資料保存的完整性角度考慮，仍需要二維的繪圖作為數(shù)字化建設(shè)的一個(gè)重要內(nèi)容。從BIM模型中，可以很方便地生成平面、立面、剖面等建筑圖紙，只需在Revit軟件中設(shè)置所需視圖，簡(jiǎn)單標(biāo)注即可。最后的步驟是將薛岳故居的BIM數(shù)字化信息模型在Revit軟件中進(jìn)行操作，自動(dòng)生成CAD二維圖紙（圖5），最終將形成的建筑CAD二維圖紙與BIM數(shù)字化信息模型歸檔。

2.3 對(duì)研究實(shí)例的分析

第一條數(shù)字化構(gòu)建的技術(shù)路線，即通過(guò)人工實(shí)測(cè)傳統(tǒng)民居，整理獲得二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，繪制CAD傳統(tǒng)民居二維圖紙，再建立傳統(tǒng)民居BIM數(shù)字化信息模型的技術(shù)路線，實(shí)質(zhì)上是一條建立在傳統(tǒng)測(cè)量方式基礎(chǔ)上，從二維數(shù)據(jù)到三維數(shù)據(jù)的技術(shù)路線。

作為一種構(gòu)建BIM數(shù)字化信息模型的逆向建模方式，第二條數(shù)字化構(gòu)建的技術(shù)路線，即采用全息影像測(cè)繪儀實(shí)測(cè)傳統(tǒng)民居，整理獲得三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再將全息影像測(cè)繪儀實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件，建立傳統(tǒng)民居BIM數(shù)字化信息模型，最后自動(dòng)生成傳統(tǒng)民居CAD二維圖紙的技術(shù)路線，實(shí)質(zhì)上是一條采用全息影像測(cè)繪儀實(shí)測(cè)傳統(tǒng)民居先進(jìn)技術(shù)，從三維數(shù)據(jù)到二維數(shù)據(jù)的技術(shù)路線。

無(wú)論選用哪一種獲取現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)建筑的數(shù)字化信息途徑，最終都可以通過(guò)數(shù)字化構(gòu)建技術(shù)，建立起嶺南傳統(tǒng)民居建筑數(shù)據(jù)信息化模型。但是，通過(guò)第一條數(shù)字化構(gòu)建的技術(shù)路線，即用人工的測(cè)量方式建立嶺南傳統(tǒng)民居建筑數(shù)據(jù)信息化模型的方式，在獲取現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)建筑的數(shù)字化信息途徑方面顯然是落后的。而通過(guò)第二條數(shù)字化構(gòu)建的技術(shù)路線，即用全息影像測(cè)繪儀實(shí)測(cè)傳統(tǒng)民居建立嶺南傳統(tǒng)民居建筑數(shù)據(jù)信息化模型的方式，才是有推廣價(jià)值的。

顯然，與傳統(tǒng)的測(cè)量方式相比，全息影像測(cè)繪儀實(shí)測(cè)的傾斜攝影及三維掃描數(shù)據(jù)具有采集速度快、采樣頻率高等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于古建筑、傳統(tǒng)民居、保護(hù)建筑等類型的建筑數(shù)字化構(gòu)建有明顯的優(yōu)勢(shì)[10]。

但是，全息影像測(cè)繪儀實(shí)測(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有高冗余、誤差分布非線性、隱蔽部位難以采集等特點(diǎn)，給海量三維點(diǎn)云的智慧化處理帶來(lái)了很大的困難：一是多視角、多平臺(tái)、多源的點(diǎn)云數(shù)據(jù)難以有效整合[11]，限制了數(shù)據(jù)間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，導(dǎo)致復(fù)雜場(chǎng)景描述不完整；二是復(fù)雜對(duì)象模型結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義特征表達(dá)困難，模型可用性嚴(yán)重受限，極大地限制了復(fù)雜場(chǎng)景的準(zhǔn)確感知與認(rèn)知。

根據(jù)點(diǎn)云及影像數(shù)據(jù)建立BIM總體模型, 再根據(jù)點(diǎn)云及影像數(shù)據(jù)對(duì)模型的細(xì)部進(jìn)行補(bǔ)充完善，包括內(nèi)部的框架梁及桁架，房間的頂棚等其余構(gòu)件及細(xì)部。

這種方式建立的BIM模型可以實(shí)現(xiàn)較高的還原度，尤其在整體定位尺寸方面，可以做到較為精準(zhǔn)，對(duì)于傳統(tǒng)民居及古建筑的研究均有較高的價(jià)值。

盡管測(cè)繪行業(yè)已經(jīng)有對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模的研究，但仍停留在將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為三維面片模型的階段，目前尚未有自動(dòng)、批量將點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化BIM模型的技術(shù)。

3 構(gòu)建技術(shù)的拓展應(yīng)用

在建立的嶺南傳統(tǒng)民居BIM模型數(shù)字化資源的基礎(chǔ)上，同時(shí)可建立基于互聯(lián)網(wǎng)虛擬模擬技術(shù)的云平臺(tái)，將各傳統(tǒng)民居類型的BIM模型導(dǎo)入，讀者可直接用手機(jī)掃二維碼，進(jìn)入云平臺(tái)瀏覽相應(yīng)的傳統(tǒng)民居BIM模型，即可通過(guò)指端觸摸、虛擬漫游的方式對(duì)嶺南傳統(tǒng)民居進(jìn)行身歷其境的瀏覽體驗(yàn)。

將BIM技術(shù)、虛擬模擬技術(shù)、網(wǎng)頁(yè)3D模型瀏覽技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽BIM模型，使研究人員或公眾可以在虛擬的三維空間以人的視角直觀、生動(dòng)地觀察嶺南傳統(tǒng)民居的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，瀏覽、體驗(yàn)建筑空間。

原生的BIM模型需要專門(mén)的軟件來(lái)瀏覽。為了更方便地進(jìn)行模型的瀏覽、分享，一般通過(guò)將BIM模型發(fā)送到云端的分享平臺(tái)來(lái)進(jìn)行。這些平臺(tái)會(huì)對(duì)BIM模型進(jìn)行輕量化的格式轉(zhuǎn)換，再在網(wǎng)頁(yè)端顯示。其主要用途除了用于BIM模型展示，往往還用于多方基于BIM模型進(jìn)行工程協(xié)作，因此一般稱為“BIM協(xié)同平臺(tái)”。目前行業(yè)內(nèi)有多種BIM協(xié)同平臺(tái)，其底層技術(shù)主要為通過(guò)WebGL技術(shù)將模型顯示在網(wǎng)頁(yè)端,解決用戶在Web端的模型瀏覽和信息管理問(wèn)題，而且目前WebGL技術(shù)在模型分析，動(dòng)畫(huà)處理，信息化等方面具備了足夠的穩(wěn)定性和實(shí)用性，能很好應(yīng)用于建筑領(lǐng)域[12]。

隨著大數(shù)據(jù)與云計(jì)算的發(fā)展，建筑數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用使嶺南傳統(tǒng)民居BIM模型數(shù)字化構(gòu)建成為現(xiàn)實(shí)，而在數(shù)字化構(gòu)建技術(shù)的拓展應(yīng)用方面更是在迅速發(fā)展（圖6）。大眾可以隨時(shí)登陸網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)移動(dòng)端看到古建筑和傳統(tǒng)民居的形態(tài)、數(shù)據(jù)與發(fā)生在其中的動(dòng)人故事。由其針對(duì)偏遠(yuǎn)的傳統(tǒng)聚落空間其擁有的語(yǔ)匯語(yǔ)素，通過(guò)建筑數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)，傳統(tǒng)聚落空間的基本要素如營(yíng)建材料、工藝和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的傳承都能很好的展現(xiàn)在用戶的面前[13]。古建專家也不需要再受舟車(chē)勞頓之苦，通過(guò)云端數(shù)字庫(kù)便可以進(jìn)行實(shí)景現(xiàn)場(chǎng)勘探與修繕?lè)桨改M、設(shè)計(jì)、造價(jià)評(píng)估等，大大縮短了嶺南傳統(tǒng)民居的修繕流程，節(jié)省了寶貴時(shí)間與提升了效率。

在建筑信息資料歸檔和合理使用方面，建筑數(shù)據(jù)信息化模型解決了二維圖紙歸檔、檢索、呈現(xiàn)、資料整理一體化的難題，使建筑信息資料得到更廣泛地使用。

結(jié)語(yǔ)

將BIM技術(shù)應(yīng)用于嶺南傳統(tǒng)民居建筑數(shù)字化建設(shè)是一項(xiàng)保護(hù)和傳承嶺南傳統(tǒng)民居文化的創(chuàng)新方式。用全息影像測(cè)繪儀實(shí)測(cè)傳統(tǒng)民居獲取民居數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建BIM數(shù)字化信息模型的逆向建模方式是有研究?jī)r(jià)值的，有必要進(jìn)行更深入的研究，特別是在自動(dòng)、批量將點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化BIM模型技術(shù)的研究。

基于BIM技術(shù)的嶺南傳統(tǒng)民居數(shù)字化建設(shè)的重要內(nèi)容，除了建立起總體的三維BIM模型外，還要進(jìn)一步在BIM模型上注入嶺南傳統(tǒng)民居大量的建筑技藝數(shù)據(jù)信息，還要進(jìn)一步使BIM模型精細(xì)化，在建模過(guò)程中建立起嶺南傳統(tǒng)民居裝飾構(gòu)件庫(kù)。

目前針對(duì)全息影像測(cè)繪儀實(shí)測(cè)傳統(tǒng)民居建立嶺南傳統(tǒng)民居建筑數(shù)據(jù)信息化模型和拓展應(yīng)用的各項(xiàng)技術(shù)都取得了初步成效，如傾斜攝影、3D激光掃描、3D打印、創(chuàng)建BIM模型、點(diǎn)云數(shù)據(jù)與虛擬BIM模型的對(duì)比、三維模型導(dǎo)出二維圖紙、屬性的賦予、材質(zhì)的記錄、云端數(shù)字庫(kù)建立、二維碼技術(shù)、移動(dòng)端實(shí)時(shí)呈現(xiàn)等等，隨著建筑數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，上述各項(xiàng)技術(shù)將得到不斷提高。

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