基于BIM 的古橋數字化保護應用
——以寧波望春橋為例

浙江大學寧波理工學院土木工程與建筑學院，浙江 寧波 315000

寧波古橋風格獨特，每一座古橋都是一部反映古代建筑工匠的建筑技藝的發展史［1］。由于歷史、經濟等諸多原因，許多古橋都受到了不同程度的破壞。傳統測繪多以圖紙、文字、表格、圖片、影像等電子文件的形式，由于不同類型的數據信息不關聯，信息表達易出錯、遺漏和矛盾［2］，無法得到精確的尺寸信息，導致古橋修復工作困難，所以維護和管理利用好這些歷史文化遺產這些問題亟待解決。BIM 技術與三維掃描技術結合，能更全面地數字化保護古建筑信息［3］。通過三維掃描技術，能夠短時間內獲得目標對象的三維點云數據［4］，不僅克服了傳統單點測量的局限性，還提高了數據采集的效率。和傳統的采集模式相比，古建筑信息能夠得到更為全面、完善的留存。三維激光掃描技術得到的古橋建筑的點云數據格式與BIM 技術存在成熟接口，實現了數據的高效轉換。BIM 技術的應用非常廣泛，BIM 是建筑業信息化的產物，BIM 技術在古建筑領域的廣泛應用也得益于它強大的三維重建、可視化、參數化等特點。古橋的三維信息在形成的過程中以BIM 為載體，將信息參數化，由于信息查詢存在著許許多多的問題，比如傳輸速度慢，數據量大等，BIM 的應用恰恰解決了這些問題。所以在現在的信息技術條件下，對古橋進行保護，是這個時代下刻不容緩的任務。

1 望春古橋點云數據采集以及點云數據處理

首先利用三維掃描儀（圖1 所示）獲取的寧波望春古橋建筑三維激光掃描點云數據，針對不同角度掃描圖像，進行控制數據點的拼接，多視角點云數據統一化，進步對網格缺陷補充及網格平滑處理，構建古橋建筑模型三角格網；其次，利用構造柵格和擬合曲面生成三維模型，構建望春橋建筑全景精細化數字模型；鑒于望春橋古橋建筑全景模型體量大，面向網絡化應用存在傳輸量大、渲染時間長的問題，需對大體量模型進行點云數據降噪、減面處理；最后，通過古橋全景網格模型切片，將古橋建筑實體與周邊實景網格區分，分別進行不同層面的模型輕量化處理，望春橋點云模型如圖2 所示。

圖1 三維激光掃描儀

圖2 望春古橋輕量化點云成果

2 基于BIM 的古橋建筑逆向建模及局部構件參數化

將古橋實體點云數據導入相關BIM 三維軟件建模平臺，逆向建立古橋建筑三維高精度模型，利用掃描儀軟件自帶的測量功能，測出各部分的尺寸，為建模做準備，對古橋建筑中梁、柱、等規則的結構構件以及欄桿、扶手、階梯等規則的構件進行參數化族建模，建立古橋建筑構件“族”模型庫，將復雜古橋建筑三維結構的建模轉換成基于語義和少量參數數據的自動化建模過程，同時采用實體模型如圖3 所示代替復雜的點云模型，達到模型輕量化目的。

圖3 望春古橋Revit 實體模型

3 古建筑全生命周期屬性信息關聯BIM 古橋建筑模型

對文物進行保護，我們需要得到BIM 古橋建筑模型的全生命周期屬性信息，比如一些構件的年代、破損的情況和材質等等。然后在虛擬的模型里面盡完善地導入相關的照片、現保存狀況報告、相關具體數字數據等有關的資料，形成完整的信息數據系統。這些信息與模型空間位置以及構件尺寸的信息共同存儲在同一三維模型中，如圖4 所示，打開模型的同時，我們就可以直觀地得到模型的空間和屬性信息，并且所有信息都是相互關聯的，實現了屬性信息的同步更新，實現了BIM 對古橋建筑本體信息的全面覆蓋。

圖4 古橋BIM 模型數字信息管理

4 AR 技術與古橋建筑數字模型結合實現虛擬現實

為了獲取古橋建筑外圍地理環境信息如周邊環境等數字信息，對古橋周圍環境進行無人機航拍，并獲得航拍數據。將航拍數據導入軟件中，讓軟件進行計算。其原理是通過無人機照片的高度及路面的反射，來判斷各個面的距離從而建立模型。畫面上的點是經過初步計算，軟件中認為的關鍵點，工作原理與點云文件比較類似，也是用點生成面的方式來創建模型。

古橋建筑外圍地理環境信息如周邊環境、山川河流等，信息量龐大，無法在BIM 數字實體模型中顯示，同時古橋建筑數字BIM 模型對于硬件設備的要求非常高，對于電腦的CPU處理能力，GPU 顯現能力還有內存顯卡都有非常高的要求，變相提高了設備的成本，不利于展示在公眾面前。增強現實（Augmented Reality，簡稱 AR）它將攝影機的位置、角度和圖像相互關聯，使虛擬和現實結合，實現互動。可以利用數字攝影測量技術，也可以通過CAD 的模型來了解古橋，古建筑的周邊復雜的環境，再加上紋理和渲染，就可以通過虛擬現實的AR反映給大眾。

但是AR 實景的三維模型只是一個表面模型，缺少了古橋和古建筑的建筑相關信息，但是BIM 技術可以建立古橋和古建筑的三維模型，通過這個技術可以更完善地記錄古橋和古建筑的建筑相關信息，比如構件的尺寸，墻體的材料和種類顏色等。AR 技術可以將實景和虛擬模型結合起來，

真實模擬設計內容與街道、河流等現狀周邊環境的準確關系，對于BIM 模型可以進一步加工生成漫游動畫或效果最終予以在移動端展示。

圖5 望春橋實景模型網頁查看

5 結論

為了古橋建筑全生命周期的數字化管理，將三維掃描技術、圖像處理技術、BIM 軟件建模等信息數字化技術運用到了古橋建筑數字化保護，建立寧波望春橋全生命周期信息模型，該三維模型，不僅保留了古建筑的工程結構關系，也使得附屬在建筑物上的各種屬性信息為古橋和古建筑等文物的修復工作提供了更精確，更完善，更工程化的基礎數據，古橋建筑的全景虛擬移動端展示以及虛擬漫游，便于其古橋文化宣傳與知名度的提高。