貴州省松桃大灣苗寨建筑數字化保護

彭永鵬，張慶高，肖曉維，阿依丁，馬 宏

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116605)

貴州省松桃大灣苗寨建筑數字化保護

彭永鵬，張慶高，肖曉維，阿依丁，馬 宏

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116605)

為了提高苗族建筑保護的準確性和有效性，以貴州省銅仁市松桃苗族自治縣大灣苗寨吊腳樓為研究對象，利用三維激光掃描技術，采集苗寨吊腳樓三維點云數據，依據點云數據提取建筑尺寸、節點樣式等信息，并繪制其二維施工圖紙，為吊腳樓建立完整、規范的施工圖集。同時以BIM技術為支撐，以施工圖紙為參照，對吊腳樓進行參數化建模。通過可視化動態施工模擬對吊腳樓的施工工藝進行分解，直觀地展示其施工過程。以三維點云信息保存、施工圖紙逆向設計和動態施工模擬的方式對苗族吊腳樓進行數字化保護。

吊腳樓；三維激光掃描；逆向設計；BIM

大灣苗寨位于貴州省銅仁市松桃苗族自治縣，經歷數百年的風雨滄桑，至今仍保留著140余棟百年木結構的苗族風格古建筑。這一灣苗族建筑全用木板一塊塊搭建而成，匯集了苗族人的智慧與汗水，集歷史與文化于一身，具有獨特的工藝價值和藝術價值。隨著當地現代化和工業化的不斷加深，施工工藝復雜、施工周期長、施工材料獲取難等因素使得傳統建筑逐漸被現代建筑所替代，大灣內的建筑保護工作迫在眉睫。與此同時，大部分民族建筑都是由本地區的職業木匠施工完成，構件制作過程和施工工藝都是憑借經驗，沒有規范的施工圖紙可以參照。加之工匠漸趨老化，年輕人更傾向于外出打工，導致傳統的民族建筑從業繼承者不斷流失。因此，當地急需為苗寨的保護尋找新思路。本文嘗試用數字化的方法為大灣苗寨特色建筑進行保護，取得了一定的成效。

1 原始三維數據采集與內業處理

三維激光掃描技術可以對空間數據進行有效地捕獲，利用激光掃描測量的方式，對其空間信息數據進行掃描，形成專業的影像數據，從而建立起地物地貌的三維模型圖[1]。三維數據采集是實現建筑逆向設計的基礎，能夠為民族建筑的復建提供依據。文中三維數據采集應用的是美國FARO公司生產的X330三維激光掃描儀，掃描范圍和掃描精度都能夠滿足大型民族建筑三維數據采集的要求。數據采集完成后，需要對其進行進一步優化處理，如：拼接、去噪等，以達到逆向設計的要求。

1.1 數據采集

由于苗族吊腳樓尺寸較大，造型復雜，掃描儀掃描范圍又有限，很難通過一次性掃描將三維數據采集完成，因此需要通過變換測站的方式對建筑進行掃描操作，三維數據采集方案如圖1。選擇測站時，測站與測站距離根據建筑物拐角等情況確定，以保證掃描數據沒有遺漏[2]。在實地掃描的過程中，要提前觀察地形，根據實際情況選擇測站位置，盡量選擇對建筑遮擋少的點進行操作。后期內業處理時，需要將每一站的數據進行拼接，使其成為完整的三維模型。

圖1 三維數據采集方案

在外業操作過程中，盡量保證建筑的所有部分都在掃描儀的掃描范圍內，確保掃描過程中掃描儀激光光線所及處沒有遮擋，以避免后期處理時點云數據的缺失。單站掃描時，根據周圍環境及光照條件調節掃描儀參數，也應酌情考慮精細掃描與粗略掃描之間的關系，如建筑細節處需要精心掃描，站間拼接作用的測站可將掃描精度適當調低。單站建筑三維點云數據如圖2。同時，對于同時出現在多站點掃描范圍內的公共區域，也應適當降低掃描精度，避免數據重復，拼接重影或資源浪費的情況發生。

圖2 單站建筑三維點云數據

1.2 內業處理

建筑的原始三維數據采集完成后，需要對其進行優化處理。因為外業掃描均為單站測量，在后期處理過程中需要將所有單站數據進行拼接，使其構成完整的建筑模型。同時，掃描儀的工作范圍是水平方向360°，豎直方向270°，在外業操作的過程中，不可避免地會采集到單體建筑以外的場景信息，這些信息是干擾因素，需要內業處理將其進行去噪。

站點位置選擇不當、標靶遮擋不清、系統計算誤差等因素是導致拼接失敗的主要原因，在拼接過程中，如出現拼接錯誤或拼接無效的情況，需要人為干預來實現站點之間的連接。優化拼接前后效果對比如圖3。所有測站拼接完成后，對其進行“創建掃描點云”操作，去除重疊部分的點，使場景中所有測站點的密度保持一致，便于后期操作和處理。最后，對數據進行去噪處理，將整體場景中的噪點、環境等不需要的點去除，單獨留下建筑本身的點云，為圖紙繪制和模型建立提供依據。

圖3 優化拼接前后效果對比

2 二維圖紙

點云數據采集與內業處理為民族建筑的圖紙繪制提供了依據。利用已經處理好的點云圖，通過剖切的方法來獲取建筑的平面輪廓圖，同時變換視圖角度獲取不同方向的建筑立面圖，將繪制苗族建筑所需的點云數據作為底圖，以此為參照，準確繪制二維圖紙。吊腳樓平面輪廓圖如圖4。

通過已知的平面輪廓圖，可以確認建筑的平面尺寸，并且準確定位柱、門、窗等構件的位置；利用立面點云圖，可以明確建筑的層高、建筑樣式等民族性強的標志，極大地節省了外業測繪時間，同時可以減少誤差，最大程度地逆向還原吊腳樓的二維圖紙。繪制完成的平面輪廓圖如圖5。除此之外，對吊腳樓的關鍵節點進行繪制，如：梁柱間的榫卯鏈接，門窗的樣式等。通過對吊腳樓建筑進行細致的研究與繪制，最終構建出吊腳樓的施工圖紙集。吊腳樓立面圖如圖6。

圖4 吊腳樓平面輪廓圖

圖5 繪制完成的平面輪廓圖

圖6 吊腳樓立面圖

3 BIM建模與動態施工

BIM是以三維數字技術為基礎，集成建設工程項目各種相關信息的工程數據模型，同時又是一種應用于設計、建造、管理的數字化技術[3]。BIM 包含了建筑物在項目建設周期中所有相關真實信息，不僅包括幾何信息，幾何信息是指建筑模型外部和內部空間上的三維幾何表示，通常是基于參數化的三維構件模型來表達，如梁的長度、寬度等。同時還包括非幾何信息，非幾何信息是除了幾何信息以外的其他信息總和，通常是指建筑模型中的參數屬性，如建筑材料的價格、材料類型、重量、進度等信息[4]。當前，BIM 技術已成為建設領域信息技術的研究和應用熱點，BIM 的應用價值已經得到政府的高度關注和行業的普遍認可。然而，BIM技術應用在民族建筑上的案例卻相對較少，利用BIM參數化建模功能，為所有建筑構件設置參數，除了尺寸信息位置信息外，還能夠更詳細地將構件材質、功能等一系列信息添加到單個構件中，能夠實現對所有構件進行實時查詢的效果。同時，將吊腳樓模型賦予動態施工模擬的功能，使吊腳樓的建造過程實現可視化，為吊腳樓的數字化保護提供支持。

3.1 苗族建筑的BIM建模

將前期繪制好的二維施工圖紙導入到Revit軟件中，建立共同的軸網，通過“拾取線”的方法實現模型的快速建立，并將吊腳樓所有的木結構梁、板、柱等構件與參數關聯，最終實現參數化建模，以此反映該建筑的真實信息。

因建模軟件的面向對象為現代建筑，在對苗族建筑進行繪制的時候難免會因造型復雜而難于繪制的問題。例如，吊腳樓的六角花柱，每根柱子都有六個角，并且柱子不同的位置尺寸不一，出現很多倒角，而軟件中現有的柱子滿足不了六角花柱建模的需求，因此就需要對特殊的構件進行特殊建模。以繪制族的方式實現對六角花柱的繪制，以柱底為起始點，根據點云量取的尺寸，每個一定的距離繪制平面正六邊形，利用“融合”命令將不同面的正六邊形融合成一體，形成倒角，完成六角花柱的制作。六角花柱立面圖如圖7。

圖7 六角花柱立面圖

除了單體構件的建模需要特殊處理以外，苗族建筑的結構建模也十分重要。為了真實地反映苗族吊腳樓的結構形式，需將整個建筑全部拆開，了解構件與構件之間的關系，經過調研發現，木結構吊腳樓大多采用榫卯連接的結構形式，成百上千個柱與梁的榫卯形成了穩定的框架結構，然而，現代建筑卻多用鋼筋作為加固構件的紐帶，對吊腳樓在進行建模時，構件連接處的真實性合理性也需要在BIM模型當中體現出來，因此，需要將存在榫卯關系的構件進行特殊處理，以達到最終目的。梁柱榫卯連接圖如圖8。

圖8 梁柱榫卯鏈接圖

在建模過程中，單個青瓦片的繪制、瓦片群的造型、苗族特色木門窗的繪制、樓梯與樓板的搭接方式、椽片與檁條的固定等都是建模的難點。最終將苗族吊腳樓的BIM模型繪制完成，吊腳樓三維BIM模型如圖9。

圖9 吊腳樓三維BIM模型

3.2 動態施工

通過現場調研、查閱資料的方式整理吊腳樓的施工工藝，獲取一套完整的施工流程。苗族建筑施工流程圖如圖10。將吊腳樓BIM模型與Navisworks Manage鏈接,編制施工進度計劃表，在編制進度表的時候應具體到每一個構件，同時保證施工順序的準確性，以施工進度表為基礎對模型構件進行施工順序編排，并對每一項施工工藝進行說明，完成整個吊腳樓的動態施工模擬。動態施工模擬如圖11。苗族吊腳樓的動態施工能夠直觀地將其建造過程展示出來，指導現實中吊腳樓的施工，結合二維施工圖紙，形成完整的苗族吊腳樓施工工藝數字化保護。

圖10 苗族吊腳樓施工流程圖

圖11 動態施工模擬

4 結 語

民族地區的特色建筑是值得保護和再次開發利用的，本文提出的數字化保護方案能夠為民族地區的建筑遺產保護提供支持。利用三維激光掃描技術對建筑、建筑群以及場景進行原貌復制，利用BIM技術對民族建筑進行參數化建模、圖紙繪制，并通過動態施工模擬的方式實現民族建筑施工工藝的可視化保存，一系列工作成果能夠基本達到對民族建筑數字化保護的目的。在保護的同時，也應當注重科學合理地開發，將特色民族建筑作為旅游資源，通過旅游開發的方式促進民族地區的經濟發展。

[1] 王水明.地面三維激光掃描技術在工程測繪中的應用[J].裝備技術，2017(1):1．

[2] 劉鵬.三維激光掃描技術在異性建筑玻璃幕墻中的應用研究[J].科技創新與應用,2017(3)：26.

[3] 鄭華海，劉勻，李元齊. BIM技術研究與應用現狀[J].結構工程師，2015(4):233-239.

[4] 程歆琛.BIM技術在建筑工程結構設計中的應用研究[D].長春：長春工程學院，2016.

(責任編輯 王楠楠)

Digital Protection of National Architecture in Dawan Miao Village, Songtao County, Guizhou Province

PENG Yong-peng, ZHANG Qing-gao, XIAO Xiao-wei, Ayiding, MA Hong

(Shool of Civil Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

In order to improve the accuracy and effectiveness of the Miao building protection, a Miao building digital protection method is put forward in this paper. Taking the Miao Diaojiao buildings in Dawan Miao Village, Songtao Miao Autonomous County, Tongren City, Guizhou Province as the research objects, we use 3D laser scanning technology to collect the three-dimensional point cloud data of the Diaojiao buildings, and then extract the information such as size and style of node from the point cloud. Meantime, we draw the 2D construction drawings to establish the complete and standardized drawing sets. Supported by BIM and construction drawings, we parametrically model the Diaojiao buildings. By the dynamic visualized construction simulation to analyze the construction technology of Diaojiao buildings, it shows the construction process intuitively. We make Dawan Miao Village digital protection possible by the three-dimensional point cloud, construction drawings reverse design and dynamic construction simulation.

Diaojiao building; 3D laser scanning; reverse design; BIM

2017-01-19；最后

2017-03-25

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(DC201501040101)。

彭永鵬(1989-)，男，山東高密人，助理工程師，主要從事民族建筑數字化保護研究。

2096-1383(2017)03-0253-04

TV17

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