信息化技術在上海玉佛禪寺大雄寶殿平移頂升工程中的應用

谷志旺（上海建工四建集團有限公司，上海 201103 )

隨著我國經濟發展的轉型，城市建設與文物古建筑保護的矛盾開始顯現。在城市建設高質量發展的同時，如何更好地保護古建筑已成為亟待解決的重要問題。工程實踐表明，古建筑整體移位技術是解決上述問題的有效方法。將古建筑整體移位到規劃目標位置，既可以完整地保護古建筑的原始風貌，又可以滿足城市發展的總體需求。但是，建筑在整體移位過程中可能會出現材料開裂、構件或結構整體變形等影響結構安全的情況。因此，需要在建筑移位過程中對建筑物的結構狀態實施有效監測。

傳統的監測技術僅能反映建筑物局部的受力和變形狀態，缺乏對建筑物整體的直觀展示。隨著建筑信息化管理（BIM）技術的發展，可采用多種計算機建模技術對建筑建立三維模型，且能實現建筑信息的在線集中管理。在建筑移位過程中，將監測數據與 BIM 平臺進行融合，不僅可以實現對不同工況下建筑物結構狀態的實時跟蹤和展示，還有助于將局部監測數據用于結構整體的安全分析，提高管理效率。本文結合上海玉佛禪寺大雄寶殿整體移位工程，介紹了基于物聯網和 BIM 的遠程智能監控平臺及其關鍵技術。

1 工程背景

上海玉佛禪寺位于上海市普陀區安遠路 170 號。隨著城市發展，廟宇建筑群的平面規劃暴露出消防不利、交通擁堵、建筑結構損壞、人員高密度集聚等多重安全隱患，需要對平面規劃進行調整。寺院決定將大雄寶殿進行整體移位，移位實景如圖1 所示。

圖1 大雄寶殿移位實景鳥瞰圖

此舉不僅可以消除上述隱患，還可以增強建筑群的空間層次感，且有利于對大雄寶殿進一步修繕。大雄寶殿移位的要求如下：大雄寶殿水平移位 30.66 m，向上提升 0.85 m；大雄寶殿殿內佛像隨主體結構整體移位。

大雄寶殿是一座木結構建筑，有著近百年歷史，被列為上海市二類優秀歷史建筑。大殿平面呈長方形，東西向長24.00 m，南北向寬 18.34 m，殿高 18.20 m。寶殿主體結構為木框架結構，節點為榫卯連接，兩側磚墻僅起圍護分隔作用。殿內供奉佛像共 23 尊，均為泥塑佛像。

2 技術難點和主要創新點

2.1 技術難點

為提升工程管理效率，需要對大雄寶殿及其周邊環境建立三維模型，并融合施工設施和監測系統，建立模型可視性好、數據交互性強、易于管理的遠程智能監控平臺。建立智能監控平臺的主要技術難點如下。

（1）建模對象規模較大，精細化程度要求高，且原始建造圖紙缺失。為實現對大雄寶殿整體移位全過程的有效監控，需要對大雄寶殿及其周邊環境和建筑建立三維模型。大雄寶殿幾何形態較不規則，且殿內具有較多佛像、雕塑等幾何形態極為復雜的裝飾物，因此對模型精細化要求較高，建模工作量較大。同時，大雄寶殿的原始圖紙缺失，需要通過大量的現場測量完成構件空間和幾何信息的捕捉。

（2）模型數據體量較大，難以進行網絡化應用。以規模較大、形態復雜為對象建立的三維模型，通常具有較大的數據體量，難以滿足模型數據在網絡上快速傳輸的要求。

（3）監測對象較多，需要更加高效的管理模式。工程監測對象包括大雄寶殿的主體結構、內部佛像等裝飾物以及建筑移位動力系統等。傳統的監測技術不僅難以集中管理多種檢測對象的數據，并且在三維視圖中難以直觀地查看施工工況和監測數據，因此降低了管理效率。

2.2 創新點

針對以上技術難點，本文提出以下創新點。

（1）基于多源數據的古建筑建模技術。根據建模對象的結構重要性和幾何復雜性，將大雄寶殿、內部裝飾和其周邊環境分開建模，分別選取不同的測量方法獲取幾何信息。在保證模型具有足夠精度的前提下，提高建模效率，并最終將多種方法建立的模型融合為一體。

（2）面向網絡應用的模型輕量化技術。通過多種方法，有效減小模型的數據體量，達到網絡應用的要求。其中貼圖替代復雜曲面的方法非常適用于古建筑模型的輕量化。

（3）基于物聯網和 BIM 的遠程智能監控平臺。該平臺將實時監測信息與 BIM 管理系統相結合，不僅可以在四維空間中展示工程進度，還可以對監測數據智能分析。當監測數據超出預警值時，監控平臺會生成報警消息，并根據報警等級將報警信息推送給相關負責人，從而有效地提升了工程管理效率。

3 基于多源數據的古建筑建模技術

3.1 建模流程

根據大雄寶殿組成部分的結構重要程度和幾何形態復雜程度，采用不同方式獲取幾何信息，并通過不同的軟件進行建模。建模流程如圖2 所示。

幾何形態規則適合采用 BIM 軟件建模，并且大雄寶殿的木框架構件和整體移位設施對結構安全至關重要。大雄寶殿的外立面及內部佛像分別起維護和裝飾作用，其幾何形態極為復雜。為節約人力和時間成本，可以采用三維激光掃描建模。大雄寶殿的周邊環境規模較大，僅起視覺輔助作用，對模型精度要求較低，宜采用傾斜攝影建模。最后，將不同數據來源的模型融合為一體，形成完整的大雄寶殿及其周邊環境的三維模型。

3.2 建模技術

（1）BIM 軟件建模。根據工程測繪圖紙應用 BIM 軟件對大雄寶殿木框架結構進行建模，并根據施工方案建立上托換裝置、上托盤梁體系、下滑道梁體系和移位動力系統模型，如圖3 所示。

圖3 BIM 軟件建模

（2）三維激光掃描建模。大雄寶殿外立面包含大量構件，空間關系復雜；內部裝飾包含佛像、佛臺、墻壁浮雕、廊柱和屋頂壁畫等藝術作品，幾何形態復雜。對外立面和內部裝飾直接建模將耗費大量的人力和時間成本，而如果采用三維激光掃描技術可以快速獲取外立面的幾何信息，且模型精度較高。采用三維激光掃描建立的大雄寶殿外立面模型，如圖4 所示。

圖4 外立面三維激光掃描模型

（3）傾斜攝影建模。傾斜攝影技術適用于對大規模建筑群的頂部及外立面的快速建模，且可以捕捉表面紋理。相比于 BIM 軟件建模和三維激光掃描建模，傾斜攝影技術模型精度略低，但建模效率較高。采用傾斜攝影技術對大雄寶殿的周邊環境和建筑的頂部及外立面建模，如圖5 所示。

圖5 利用傾斜測量技術對大雄寶殿周邊環境建模

3.3 多源數據模型融合技術

通過以上多種建模方式，對大雄寶殿的各個組成部分及其外部環境的分離建模已經完成，但仍需將這些模型融合為一體。由于獲取幾何信息的方式不同，各模型間存在多種差異，如坐標系基點、模型比例、模型精度和文件格式等存在差異。通過坐標變換的方式可以統一模型間坐標系基點和比例。采用 MeshLab 軟件對三維激光掃描模型和傾斜攝影模型的精度進行調整，最后采用 3DS MAX 軟件對各個模型進行融合，并以 FBX 格式存儲，如圖6 所示。

圖6 多源數據融合模型

4 面向網絡應用的模型輕量化技術

為了將模型用于網絡傳輸，需要將模型輕量化。模型輕量化主要通過合并構件、減少面片和貼圖替代復雜曲面 3 種方法實現，如圖7 所示。

圖7 模型輕量化流程圖

其中，以貼圖替代復雜曲面的方法非常適用于古建筑模型的輕量化。佛像的原始模型通常具有較多面片，為保證模型在減少面片后仍具有較好的視覺效果，需借助基于物理效果渲染而成的貼圖表現原始模型的凹凸、色彩和紋理等信息。大雄寶殿牌匾貼圖前后的模型，如圖8 所示。

圖8 大雄寶殿牌匾模型

將模型輕量化技術應用于玉佛禪寺大雄寶殿整體移位工程中，可以有效縮減大雄寶殿及其周邊環境的三維模型數據體量。初始數據體量約為 1000 MB，通過上文提出的模型輕量化技術，最終將數據體量減小到 20 MB，即原始模型的1/50，從而滿足了模型網絡化應用的要求。

5 基于物聯網和 BIM 的遠程智能監控平臺

5.1 平臺架構

基于 BIM 和物聯網的遠程智能監控平臺由 2 部分組成，分別為基于物聯網的監測系統和基于 BIM 的管理系統，兩系統之間通過云端數據庫進行數據交互。

5.2 基于物聯網的監測系統

基于物聯網的監測系統由 4 個模塊組成，分別為監測傳感器模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和通信模塊。其中，監測傳感器布置在大雄寶殿的木框架結構和殿內重要文物上，實時采集結構和文物的變形、位移和傾斜等重要信息。另外監測傳感器還布置在移位動力系統中，監測移位動力系統的工作狀態。數據采集模塊用于收集傳感器傳來的信息。數據處理模塊對檢測數據進行處理和分析。通信模塊將分析后的數據發送至云端數據庫，考慮到場地布線困難，數據通過 4G 無線網絡傳輸。

5.3 基于 BIM 的管理系統

基于 BIM 的管理系統由 4 個模塊組成，分別為監測數據集成模塊、云端服務器模塊、數據驅動模塊和客戶端模塊。監測數據集成模塊是在 BIM 模型的基礎上建立監測數據與BIM 模型中監測對象的對應關系。云端服務器模塊是將監測數據與預警值進行對比，當監測數據超出預警值時，生成報警消息，并根據報警等級將報警信息推送給相關負責人。同時，BIM 模型中測點所處位置也會以閃爍的方式報警。數據驅動模塊將監測數據實時地反映在三維模型的空間位置變化上，即在四維空間中展示施工狀態。客戶端用于展示監測數據和四維施工狀態，用戶既可以漫游觀察，也可以通過瀏覽器和微信分享客戶端。

在上海玉佛禪寺大雄寶殿移位工程中應用基于物聯網和BIM 的遠程智能監控平臺，具有模型真實感強、監測數據查看方便等優點。同時，通過監測數據驅動模型實現了工程進度的四維展示。可見該平臺具有較好的網絡傳播性。

6 結 語

本文以上海玉佛禪寺大雄寶殿整體移位工程為背景，介紹了基于物聯網和 BIM 的遠程智能監控平臺及其關鍵技術。該平臺具有模型精細化、數據輕量化和管理智能化等顯著特點。根據古建筑的結構特點和幾何形態特征，采用多種方法獲取建筑的幾何信息并建立三維模型及多種模型輕量化方法，減小了模型的數據體量，使其滿足網絡應用的需求。

基于物聯網和BIM 的遠程智能監控平臺將監測系統和管理系統融合起來，實現了高真實感模型查看、監測數據驅動模型、四維工程進度展示和易于在線查看等重要功能，保證了大雄寶殿整體移位的主題結構和內部裝飾物的安全，并為管理者提高管理效率、降低管理風險提供了有力支持。