上海玉佛禪寺修繕與改擴建工程中的BIM技術拓展應用

趙華英 葉紅華 趙冠一 張盛程

(上海現代建筑設計集團工程建設咨詢有限公司，上海200041)

1 項目概況

玉佛禪寺，上海第一名剎。地處上海市普陀區安遠路170號，上海市優秀歷史建筑，寺院分為前院和后院兩部分，其中前院為本次工程范圍，為玉佛寺主要禮佛、參觀等對外開放區域，主要建筑有天王殿、大雄寶殿(優秀歷史建筑)、玉佛樓等，建筑面積31 566m2。

本工程是在對天王殿和大雄寶殿建筑、佛像一體化平移頂升、保護修繕的基礎上，對寺院進行改擴建以消除寺院現存的消防、交通、建筑結構、高密度人員集聚等公共安全隱患。工程將底層架空作為人流疏散、組織交通等功能的公共安全儲備空間;將寺院主體禮佛建筑架高，保留中軸線上天王殿、大雄寶殿并新建玉佛樓。東、西兩側建筑全部拆除后按照江南古典殿庭建筑風格進行新建，加建兩層地下室，滿足民眾日益增長的精神需要和寺院現代化發展的功能需要。

2 項目特點

2.1 古建筑修繕

上海玉佛寺作為區級文物保護單位、優秀歷史保護建筑、古建筑，在原有位置將山門、主殿整體抬高5m并向北平移8m，部分房屋需要拆除重建。結構加固與建筑翻新的設計與施工是本次改建工程的重要內容(圖1、圖2)。與新建建筑不同的是歷史建筑的修繕過程必須保證過程中的可識別性和可逆性，必須保護好建筑的歷史痕跡。

圖1 上海玉佛禪寺現狀鳥瞰照片

圖2 上海玉佛禪寺修繕后鳥瞰效果圖

2.2 BIM技術應用于古建筑

對于這樣一個復雜的古建筑群，古建筑的構架本身就具有非常高的專業性，所以該項目的實施要求BIM工程師有一定古建筑修繕、設計、施工、管理專業知識。BIM技術應用于古建筑修繕的難點包括:

(1)復雜性

古建筑的復雜性和構件的多樣性使得BIM軟件平臺在該方面的應用有非常高的難度，這也是對BIM工程師與BIM軟件工作平臺的一大考驗。

(2)古建筑構架

中國古代建筑慣用木構架作房屋的承重結構。結構是沿房屋進深在柱礎上立柱，柱上架梁，梁上重疊數層瓜柱和梁，再于最上層梁上立脊瓜柱，組成一組屋架。檁間架椽子，構成屋頂的骨架。斗栱是中國木構架建筑中最特殊的構件，它們逐層縱橫交錯疊加成一組上大下小的托架，安置在柱頭上用以承托梁架的荷載和向外挑出的屋檐。復雜的古建筑架構對BIM軟件的空間建模能力要求比一般建筑要高得多，對BIM工程師的建模能力也是一種挑戰。

(3)古建筑的族文件

古建筑的裝飾使屋頂的輪廓形象更加優美。如屋脊的張口吞脊，四條垂脊的檐角部位各飾有琉璃小獸。天花用木支條在梁架間搭制方格網，格內裝木板，繪以彩畫。佛壇的上方正中的藻井它結構復雜，下方上圓，由三層木架交構組成一個向上隆起如井狀的天花板。古建筑諸如此類的細節使得Revit軟件在“族”的應用上變化多端類型繁多。

3 BIM+3D激光掃描+3D GIS在古建筑修繕改造中的應用

3.1 3D激光掃描技術應用

三維激光掃描技術自問世以來被廣泛應用于古建筑保護、工業管道安裝和船舶機械等方面。它通過高速激光掃描測量的方法獲取被測對象表面的三維坐標數據，可以快速、大量的采集空間點位信息，而且具有很高的分辨率，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。三維激光掃描技術采用的掃描儀器提供每秒100萬點的速度，整體精度可達1～2 mm。

由于三維激光掃描的成果可以說是建筑物真實狀態的體現，其數據格式兼容性也很好，易存儲。可以直接用于數據存檔、工程應用、展示匯報、文物復建等方面。

玉佛寺屬于歷史保護建筑，項目開動之前，利用其精確，快速，完整的特點，在盡可能不影響項目周期的前提下，對玉佛寺所有殿堂內外進行三維激光掃描測繪。然后將掃描的數據處理、拼接、附上色彩，形成現狀點云模型。該點云模型能夠把整個寺院現在的面貌完全記錄，并在其中進行測量，瀏覽等信息獲取。依據高精度的掃描點云進行建模，生成的三維模型最大程度上接近真實。不僅是構件尺寸、定位，甚至連變形、缺損都可以表現出來。在今后需要查閱，修繕，復建的時候隨時調閱，無需再次現場測量，一勞永逸，這些工作方法傳統手段無法實現(圖3、圖4)。

圖3 大雄寶殿3D激光掃描點云模型(測量)

圖4 3D激光掃描點云模型(破損查找)

采用傳統的測量方法在該項目中的工作量是不可想象的，并且也不能生成三維空間可視化模型，3D激光掃描技術在玉佛寺修繕改造項目中的應用解決了這一不可能完成的任務。三維點云數據可以導入到AutoCAD、Autodesk Revit等軟件中，進行后續的處理與加工，并且可以在Autodesk Revit中通過捕捉點直接繪制生成幾何體。3D激光掃描點云模型是數據化模型，結合BIM模型的使用，可以在模型中直接測量工程師關心的建筑尺度、位置等信息，不需再次人工測量，大大方便了既有建筑修繕改造設計的工作(圖5、圖6)。

圖5 3D激光掃描點云模型(柱偏差檢驗)

圖6 根據三維點云數據還原的大雄寶殿BIM模型

3D激光掃描技術代替傳統測繪方式，具有高精度、高效率、多方位、多元化等優點，文物建筑在測量過程中的損壞情況可降至為零，且采用非接觸式測量的方式，人員自身的安全也得到了保障。在古建筑修繕中，現狀測繪圖能大大減少人力和物力的損耗，避免了設計人員因現場勘測條件限制所造成的疏忽，減少了修繕方案重復設計的次數[1]。

3.2 3D GIS 技術應用

玉佛寺周邊環境與玉佛寺有著密切的關系，周邊的路網情況、建筑布局、地勢起伏、匯水范圍、視線遮擋、人員流線分布均是玉佛寺修繕設計必須考慮的因素。項目過程中、完成后與周邊環境的關系及可能對周邊環境帶來的影響也是項目重點考慮的因素。設計階段的建筑、規劃方案比選，施工階段的車輛流線組織、基坑開挖支護、施工場地管理，運營階段的消防施救方案、積極情況下的人員疏散方案、大型集會的組織管理等都是該項目的重點及需要有明確解決方案。對于傳統設計方法，周邊環境情況多為二維文件甚至有些是文字描述，項目對周邊環境的關系也僅體現在效果圖層面，周邊環境也只是概念性的表達，且表達的范圍也相當有限。為了解決上面相互關聯的問題，傳統方法可能會采用多種工具、方法分別解決。在玉佛寺項目中我們采用網絡3D GIS技術將BIM模型、3D激光掃描點云模型結合在一起，真實反映項目在三維數字城市中的情況，為項目全過程解決方案提供了三維可視化展示、數據可實時提取、多解決方案比選等提供了強大的三維可視化數據支持。基于GIS和3D激光掃描技術的古建筑數字化應用，就是采用已建立的古建筑數據庫，結合GIS技術、虛擬現實技術、3D建模技術、多媒體技術以及網絡環境以及設計開發的綜合應用[2]。

圖7 數字城市管理系統中的玉佛寺現狀

圖8 BIM模型插入數字化城市(局部)

3.3 Autodesk Revit在古建筑造型中的應用

上海玉佛禪寺修繕與改擴建工程含有大量的古建筑及造型節點，古建筑造型節點有著種類多、構成復雜的特點。借助Autodesk Revit進行古建筑建模可以還原真實的歷史。

圖11 Rhino+Grasshopper組件建立參數化瓦片

Revit建模時嚴格依古建筑的構架，按層次搭建Revit模型，以達到真實還原建筑原貌的要求。建模的過程需要自定義大量的族文件，這也是該項目的一個挑戰(圖9、圖10)。屋面瓦片采用Rhinoceros+Grasshopper參數化編程生成瓦片幾何模型，并附著在建筑屋面上，然后導入到 Revit中。采用參數化模型建立屋面瓦片，使模型具有真實感，但使得模型文件比較大，所以同時在該項目中我們也采用了Revit“幕墻嵌板”功能以及貼圖的方法進行屋頂瓦片的建模(圖11、圖12)。總體來說古建筑的Revit建模還有很多需要探索的地方。完成后的Revit模型可以作為結合3DGIS和3D激光掃描點云模型的BIM數據平臺，在該平臺上整合多渠道數據，進一步開展設計沖突檢查、管線綜合、設計評審、施工管理、進度模擬、增強型虛擬現實以及建成后的運營維護等工作。

圖12 導入Revit完成屋頂瓦片

4 結束語

上海玉佛禪寺修繕與改擴建工程具有較高的復雜性、專業性，包含修繕、新建等內容，及建筑方案、規劃、消防、消除公共安全隱患和環境整治等各個方面，基于Autodesk Revit軟件的通用性以及便捷性，結合先進的3D激光掃描和3D GIS數字化城市技術，以確保工程在各個階段良好的實用性，同時保持與各專業之間緊密的聯系及反饋機制。項目致力于在建筑設計階段運用BIM技術為各專業提供精準的可視化模型，并將BIM技術拓展到與建設工程全過程相關的各個領域(施工、管理、運營維護等)，在同一個平臺下構建綜合信息模型，這是在BIM技術平臺上結合3D激光掃描和3D GIS數字化城市技術對古建筑修繕與改擴建全過程服務的一次創新性嘗試。

[1]周立，李明，等.三維激光掃描技術在古建筑修繕測繪中的應用[J].上海建設科技，2011(4):47-50.

[2]邢昱，范張偉，等.基于GIS與三維激光掃描的古建筑保護研究[J].地理空間信息，2009，7(1):88-91.

[3]王其亨.古建筑測繪[M].北京:中國建筑工業出版社，2008.

[4]柏慕中國，美國Autodesk.Inc公司.Autodesk Revit Architecture 2012官方標準教程[M].北京:電子工業出版社，2012.