黃善明

BIM技術(shù)又稱建筑信息模型，是現(xiàn)代建筑工程領(lǐng)域與信息技術(shù)融合的全新產(chǎn)物。BIM技術(shù)體系內(nèi)部，建筑工程項目相關(guān)的各項數(shù)據(jù)信息是模型搭建的基礎(chǔ)，借助相關(guān)軟件，工程人員可完成建筑模型的初始搭配，并在隨后的數(shù)據(jù)補充與調(diào)整過程中，利用數(shù)據(jù)信息仿真模擬功能，真實反饋與建筑物整體相關(guān)的各項內(nèi)容。近些年，伴隨著建筑工程領(lǐng)域的飛速發(fā)展，BIM技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用愈發(fā)頻繁，從業(yè)工作者也針對BIM技術(shù)特性，在建筑設(shè)計、施工、檢測等諸多環(huán)節(jié)開始全面加深BIM技術(shù)的使用，而在激光點云數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合，更是讓BIM技術(shù)的機(jī)制得到進(jìn)一步發(fā)揮?，F(xiàn)階段，古建筑保護(hù)領(lǐng)域中，建筑結(jié)構(gòu)分析以及建筑信息記錄一直都是工作難點，如何將古建筑的整體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完整記錄下來，也是從業(yè)人員不斷追求的方向，因此，激光點云數(shù)據(jù)的古建筑BIM三維重建與信息化管理已成為支持古建筑保護(hù)工作發(fā)展的關(guān)鍵策略。

一、激光點云數(shù)據(jù)與BIM三維幾何模型在古建筑保護(hù)工作中的結(jié)合

三維激光掃描技術(shù)是一項較為成熟的建筑信息獲取技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，從業(yè)工作者應(yīng)在建筑的特定位置安裝激光掃描設(shè)備，借助激光掃描原理獲取到建筑不同構(gòu)件與位置的點云數(shù)據(jù)。工作人員在獲取到建筑點云數(shù)據(jù)信息后，需要將這些數(shù)據(jù)信息傳入相應(yīng)的處理軟件，并進(jìn)行降噪、平滑、配準(zhǔn)等處理工作，最終完成古建筑三維幾何模型的構(gòu)建。

以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)搭建的三維幾何模型可進(jìn)一步優(yōu)化BIM技術(shù)體系，讓數(shù)據(jù)信息變得更為精準(zhǔn)有效，而這其中，部分是以點擬合參數(shù)為主的參數(shù)模型，部分則是以密集點為基礎(chǔ)的三角網(wǎng)模型。與前者相比，三角網(wǎng)模型體系下，數(shù)據(jù)信息量十分龐大，這對于后續(xù)開展模型的管理與可視化處理十分不利，但是，這種模型由古建筑表面密集點云構(gòu)成，數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)度非常高。以點擬合參數(shù)為主的參數(shù)模型是由點云最佳擬合出的模型，其數(shù)據(jù)量與三角網(wǎng)模型相比要少上很多，管理、應(yīng)用以及可視化處理過程相對便捷，數(shù)據(jù)精度雖低于三角網(wǎng)模型，但在激光掃描點云技術(shù)策略支持下，以擬合對象參數(shù)方法實施古建筑BIM三維模型構(gòu)建，是當(dāng)前技術(shù)條件下最為理想的實施方式。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，BIM技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)深入，大量高效率軟件工具開始在BIM幾何模型構(gòu)建中得到應(yīng)用，如Cyclone，Geomagic，Realworks等等。分析不同軟件之間的優(yōu)缺點以及應(yīng)用限制，古建筑BIM三維重建與信息化管理工程實施環(huán)節(jié)，工程技術(shù)人員通常會使用基于CAD的插件CloudWorx軟件，并借助相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息獲取策略，完成建筑模型的創(chuàng)建。CloudWorx軟件可有效完成古建筑各個結(jié)構(gòu)的建模工作，隨后將這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，形成古建筑整體BIM三維模型。與其他軟件工具相比，CloudWorx的操作難度很低，建模過程中的數(shù)據(jù)處理效率較高，管理、操作以及可視化處理難度很低，實施過程不會出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象，數(shù)據(jù)整合能力強(qiáng)。

圖1 古建筑三維模型信息化管理內(nèi)容

二、CloudWorx軟件的建模機(jī)制

點云數(shù)據(jù)在CloudWorx軟件中的建模流程可劃分為以下幾個環(huán)節(jié)：

（1）激光掃描儀負(fù)責(zé)讀取古建筑的各項資料信息，并隨后進(jìn)行降噪、平滑與配準(zhǔn)等處理工作，而處理后的數(shù)據(jù)信息將被用于生成古建筑整體的點云模型。

（2）依照古建筑構(gòu)件類別的不同，將初始搭建的點云模型進(jìn)行切割，而分割后得到的各類數(shù)據(jù)信息將會保存在Cyclone數(shù)據(jù)庫內(nèi)部。

（3）CloudWorx軟件在AutoCAD的幫助下，與Cyclone數(shù)據(jù)庫連接，并讀取各個構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)信息將會被應(yīng)用在三維幾何模型構(gòu)建環(huán)節(jié)。

綜上所述，多元化護(hù)理可有效提高老年糖尿病患者治療依從性，減少不良情緒產(chǎn)生，有效改善血糖水平，降低并發(fā)癥發(fā)生率。

（4）三維幾何模型的重建過程需利用到CloudWorx軟件中的新建UCS功能完成三維坐標(biāo)的定位，并隨后在輔助繪圖工具的幫助下，捕捉點云數(shù)據(jù)，并實施三維點云模型的重建、編輯與修改等環(huán)節(jié)。

（5）當(dāng)所有構(gòu)件擬合生成幾何模型后，工作人員可在CloudWorx軟件內(nèi)部，對其進(jìn)行合并處理，并最終生成古建筑整體幾何模型。

三、古建筑幾何模型的構(gòu)建

1.點云數(shù)據(jù)的精簡與分割環(huán)節(jié)的合理實施

工程人員借助激光掃描儀，并按照相應(yīng)的作業(yè)實施規(guī)范，獲取到古建筑不夠構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)可在軟件內(nèi)部自動完成去噪、平滑與配準(zhǔn)。掃描激光掃描儀使用過程中，受到掃描對象復(fù)雜性以及掃描范圍限制的影響，單站模式獲取的到掃描數(shù)據(jù)在完整性層面存在缺陷，因此，工程人員需要從多角度對古建筑進(jìn)行掃描作業(yè)，而不同角度得到的點云在經(jīng)過配準(zhǔn)處理后，將安置在統(tǒng)一的坐標(biāo)系之下，而此過程也會出現(xiàn)很多的冗余數(shù)據(jù)。所以，配準(zhǔn)操作完成后也要進(jìn)行精簡，從而保證最終模型的質(zhì)量與處理效率。點云數(shù)據(jù)精簡環(huán)節(jié)可使用Cyclone軟件手動進(jìn)行操作，亦可借助Geomagic自動完成作業(yè)。

AutoCAD軟件單次可讀取的數(shù)據(jù)量相對有限，因此，技術(shù)工作者也要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)拆解，并分多次進(jìn)行讀取傳輸，最終完成整合。當(dāng)工作人員獲取到三維模型后，可對試驗對象的具體構(gòu)造進(jìn)行分析，從而找到古建筑的結(jié)構(gòu)特征。依照我國古建筑建筑風(fēng)格與材料特性，其構(gòu)件類別可大致分為：瓦、梁柱、石欄桿、墻體等部分，經(jīng)過特殊處理后，工作人員可將云數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分割，而這些數(shù)據(jù)信息可保存在模型數(shù)據(jù)庫內(nèi)部。

圖2 測繪建模流程圖

2.古建筑構(gòu)件的模型構(gòu)建環(huán)節(jié)

古建筑類別與結(jié)構(gòu)外觀的不同，直接決定其構(gòu)件建模方法存在差異，古建筑的每一個結(jié)構(gòu)都有著其獨特的工藝特性與搭建方式。因此，工作人員建模環(huán)節(jié)應(yīng)注重各類構(gòu)件之間的差異與特殊性。

（1）瓦片結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建

我國古建筑的瓦片結(jié)構(gòu)多呈現(xiàn)圓柱體，而工程人員在激光掃描儀的幫助下建立的模型，這一掃描軸線并不是完整的直線，因此需以動態(tài)觀察的方式，精準(zhǔn)記錄瓦片點云數(shù)據(jù)的整體特性，最終獲取到掃描對象的各項信息。

（2）梁柱模型的構(gòu)建

我國古建筑具有獨特的藝術(shù)魅力與風(fēng)格，為保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗震能力，柱子與彩畫梁通常會組成整體。激光掃描儀作業(yè)過程中，柱子與彩畫梁存在很大的作業(yè)差異，前者可通過激光掃描的形式快速建立，而彩畫梁則需要對具體的面進(jìn)行分析，并同時關(guān)注柱子與彩畫梁之間的交叉及合并問題，以及彩畫梁不同面在建模時的銜接問題。

（3）墻體模型的構(gòu)建

墻體模型構(gòu)建過程相對簡單很多，工程技術(shù)人員利用CloudWorx軟件可直接使用激光掃描后獲取到的墻體點云數(shù)據(jù)。依照墻體點云數(shù)據(jù)，墻體面結(jié)構(gòu)的建模工作將十分方便。針對那些因遮擋而無法獲取點云數(shù)據(jù)的部位，可依照整個墻體的所有點云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合作業(yè)，若遮擋面積很小，則擬合作業(yè)后形成三維模型在質(zhì)量與精度層面亦可得到保障。建模工作完成后，工作人員需要對模型進(jìn)行分析處理，若發(fā)現(xiàn)點云與模型貼合存在問題，則要對擬合作業(yè)環(huán)節(jié)獲取到的墻面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行編輯修改，從而讓點云與模型之間的差異最小化，并隨后對模型內(nèi)部相交結(jié)構(gòu)實施切割與合并。

（4）圍欄模型的構(gòu)建

古建筑圍欄結(jié)構(gòu)復(fù)雜度非常高，因此為保證建模質(zhì)量，工作人員應(yīng)根據(jù)圍欄形狀的不同，科學(xué)開展建模與合并作業(yè)。例如，針對石圍欄實施建模作業(yè)時，整個工作可分為掃描建模、BOX建模與平面建模三個階段。掃描建模環(huán)節(jié)，作業(yè)重點應(yīng)放在圍欄的主體部分，結(jié)合掃描對象的特征，建立相應(yīng)的封閉曲線，隨后再拾取軸線，最終在激光掃描儀的幫助下獲取到實體的點云數(shù)據(jù)。至于其他結(jié)構(gòu)，可依照BOX建模與平面建模的方式實施構(gòu)建工作，而這些結(jié)構(gòu)將共同組合成石圍欄的三維模型。

CloudWorx軟件在對點云數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，應(yīng)對獲取到的欄桿數(shù)據(jù)模型進(jìn)行圓角、拉抻面、旋轉(zhuǎn)、移動等優(yōu)化作業(yè)，從而讓點云數(shù)據(jù)與模型之間變得更為貼合。此外，工作人員在借助拉抻面實施實體作業(yè)時，應(yīng)注重角度的調(diào)節(jié)，合理選擇將要操作的面，并同時控制面選擇的正確性，不能因為角度的改變而誤選到其他的面。

（5）古建筑整體模型的構(gòu)建環(huán)節(jié)

工作人員在CloudWorx軟件以及點云模型的幫助下，借助以上各類方法與建模策略，對古建筑各個不同結(jié)構(gòu)與構(gòu)件實施模型重構(gòu)，當(dāng)這些點云數(shù)據(jù)完成全部整合與精簡處理后，將會形成古建筑整體三維模型，從而為后續(xù)建筑結(jié)構(gòu)分析以及保護(hù)工作的開展創(chuàng)造有利條件。

四、結(jié)語

綜上所述，古建筑三維幾何模型構(gòu)建過程中，激光掃描儀可以獲取到精準(zhǔn)可靠的點云數(shù)據(jù)，而工作人員將借助相應(yīng)的軟件與工具，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行再次處理，從而獲取到古建筑每一個構(gòu)件的具體模型。現(xiàn)階段，因點云數(shù)據(jù)在量級層面存在先天劣勢，數(shù)據(jù)量過于龐大讓很多建模軟件難以適用，因此，CloudWorx軟件應(yīng)用的研究，對于我國激光點云數(shù)據(jù)的古建筑BIM三維重建與信息化管理具有極高的發(fā)展價值，伴隨著硬件資源與軟件工具的發(fā)展，未來古建筑幾何模型構(gòu)建機(jī)制也將變得更為高效、精準(zhǔn)與便捷。