BIM技術在西安歷史街區改造中的應用研究

劉 杉，魏舒樂，楊 雪

(西安培華學院，陜西 西安 710125)

0 引言

西安作為歷史文化古城，歷史街區是其承載歷史文化及獨特建筑風格的居住聚集區，其歷史底蘊厚重、留存著舊時代人類居住的痕跡，體現了特定時期的建筑技術、特征，在歷史文化傳承和研究過程中發揮著不可替代的作用。從建筑形態上看，歷史街區并非單一、獨棟的歷史建筑，其呈現出多模態的聚集性，參數數據龐大，采用傳統的人工測繪及CAD技術采集參數數據，不僅耗時、耗力，而且容易破壞建筑的原有風貌和特性，且數據精準性、保密性不可保證，因此亟待技術創新。建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術可集成建筑設計、施工及運維管理全生命周期的工程信息，并進行三維數字建模，模擬施工進度，并嵌入成本、時間信息，為歷史街區的改造提供全流程的支撐。此外，傾斜攝影技術可以通過非接觸方式，多維度采集歷史街區的海量參數，對于實現三維實景的高精準建模具有重要影響。本文將BIM技術與傾斜攝影技術[1]相融合，分析其在西安歷史街區改造中的應用。

1 西安歷史街區改造的項目概述及難點

1.1 項目概述

西安作為我國的歷史文化名城，曾是幾朝帝都，在我國歷史文化傳承發展中有著重要的地位，其歷史街區是獨特的族群社區，承載著西安社會、歷史文化、物質形態等多元價值，由不同的建筑群、街道組成，獨特的建筑風格、手法充分反映了該地區特定時期的建筑文化特色。歷史街區多位于城市的老城區，居住人口過密、環境復雜，且長期受自然環境的外力侵蝕，并且私搭亂建、超負荷使用問題嚴重，導致歷史街區內建筑大量損毀、破敗，加之街區的街道狹窄，交通通行不暢，根本上影響了歷史街區的使用性、觀覽性，使得街區整體環境和活力下降。因此，西安市歷史街區的改造迫在眉睫，亟待進行統籌規劃、設計和管理，以滿足現代人的生活需求，并依托其獨特的建筑、街道景觀和文化底蘊，發展旅游產業。

1.2 改造難點

歷史街區是居民生活的聚集區，由建筑、街道、廣場、綠化等多類元素構成，不同建筑、街道建造方法、結構的形貌特征各異，因此采集的數據不僅要包含幾何形體、物理特性、狀態屬性等建筑構件參數，還需要采集周圍環境、居民行為等非構件對象的參數信息，參數呈海量、多元化特征。BIM模型應用可還原實景，通過全景、實地的分析，給出改造方案，技術應用的關鍵在于將采集的參數錄入計算機，通過數據處理建構三維實景模型，進而基于歷史街區的實際情況進行改造設計。因為年代久遠，歷史街區的結構、分布圖紙或遺失或資料不全，嚴重阻礙了改造設計的進程。為此，必須對歷史街區進行信息測繪和數字化建模，傳統的全站儀結合CAD現場實測的方法，需要投入大量人力、物力，耗時長、測繪精度低，且容易破壞歷史街區的原貌特征，因而亟須一種高精度的測繪、建模技術。

2 BIM技術在歷史街區改造中的具體應用

2.1 數據采集

西安歷史街區的構成復雜，且無具體的圖紙可查，一切實景、結構均需要進行實地測繪，因測繪對象多、且個體之間存在較大差異，參數信息的采集量龐大，因為歷史街區尚在使用，無論民居、商鋪還是展覽館，逐一進行入戶測量難以實現。BIM技術應用下的Revit可連接點云和實測數據，建構歷史街區中各類建筑物的標高、軸網，描述進深、高度、尺寸、結構等關鍵信息，以此構建3D參數模型。Revit是BIM的核心軟件，自身擁有建筑機構子系統，并可直接對該系統下的模型及數據進行結構分析[2]，但Revit不能有效覆蓋歷史街區的全部參數對象，因此，無法實現完整數據的采集錄入。傾斜攝影技術彌補了正射影像僅可從垂直角度拍攝的缺陷，通過非接觸傳感器搭載在飛行平臺上，從垂直、傾斜等不同視角采集歷史街區各個組成部位的全貌影像，實現了完整的參數采集。因此，可在BIM技術基礎上融合傾斜攝影技術，選用搭載云臺相機的大疆Mavic Pro型號作為飛行平臺，配置高清、立體的成像系統，通過64.8 km的覆蓋范圍、18 m/s的飛行采集速度[3]，以“z”字形飛行模式，應用Altizure路徑規劃軟件，進行測繪路線、高度、傾斜角度等的設置，對西安歷史街區進行多維測繪，進而實現三維實景建模。

2.2 數據處理

采集的西安歷史街區各參數對象的測繪數據，因個體形貌、坐標系的差異，數據中存在噪點、冗余等問題，影響到BIM技術3D可視化建模的精度和效率，因而需要對采集的數據進行處理。首先，將可異質化的參數導入Smart3D Capture軟件，利用空三算法，將采集的數個影像數據導入并進行組合拼接，逆向建模，且軟件附帶OSGB，FBX，OBJ，DAE等多種數據格式，本文以OSGB格式作為輸出數據格式，方便后續多個處理軟件的應用的兼容，進而促進歷史街區3D可視化實景模型的建構。其中，點云數據拼接是將所獲取的不同坐標系的歷史街區構件拼接至同一坐標體系，結合ICP迭代最近點算法，利用誤差函數來表征點云重合區域的吻合度，而后，以最小二乘法迭代進行最優坐標轉換，以確保誤差函數值最小，進而精準拼接不同的測繪點。

同時，為滿足BIM三維實景建模的高精準性需求，需要對采集獲取的點云數據進行去噪、降維處理，以剔除非參數對象的點云數據。實際測繪中，西安歷史街區建筑、道路、植被等參數對象數量龐大，且結構、尺寸、特征等差異較大，容易導致參數誤差，且測繪設備自身及車輛、行人、飛鳥等周圍環境因素均會影響采集的點云數據的準確性。為此，可采用Geomagic軟件進行去噪處理，讓BIM模型與西安歷史街區實景數據相吻合。此外，因測繪的點云數據較為繁雜，影響了BIM三維實景建模的速度，可利用Geomagic軟件，根據BIM對西安歷史街區三維建模的實際需求進行三維抽稀。

2.3 三維建模

獲取西安歷史街區不同參數對象的數據后，要生成三維實景模型有兩種路徑。

2.3.1 點云“切片”

利用Geomagic構建帶比例的圖像，而后導入AutoCAD生成二維線劃圖，或是根據剖面圖等截割投影制圖原理，結合繪圖部位和精度，生成特定厚度的點云“切片”，將其導入AutoCAD 生成二維線劃圖。

2.3.2 將點云“切片”導入AUtodesk Revit，結合平立剖面生成3D模型

西安歷史街區的構造復雜，導致直接生成的三維實景模型精度不足。因此，可先生成二維圖，再進行建模，可以首先提取點云特征線，利用Auto Recap軟件將數據轉換為RCS格式的文件，再運用AutoCAD的插入點云功能將其導入點云，定義坐標系UCS，讓掃描坐標系可以適應CAD的世界坐標系，此時，便可通過導入的點云，依據西安歷史街區特征提取樓梯、屋頂、柱體等特征線，通過人工測繪補齊缺失的數據，生成二維圖紙。隨后，在Revit軟件中導入二維圖紙，據此建構三維實景模型，在細化分析西安歷史街區建筑、街道等內部結構的基礎上，分層、分專業地建構Revit模型。在建模開始前，可先對西安歷史街區的不同構件進行分類，根據實測的點云數據獲取復雜參數對象的尺寸并構建專屬的族，該族應包含構件的材質、形狀、結構等內容，同時，需要增添黏土、砂漿等非幾何模型，從而為后期的運維管理及改進設計提供有效支撐。

3 結語

BIM技術可集成不同建筑構件的參數信息，并利用信息整合分析、三維可視化的優勢建構三維實景模型。本文以西安歷史街區改造為例，引入非接觸式、高清成像的傾斜攝影技術進行復雜參數對象的信息采集，據此構建3D模型，通過可視化、模擬化的3D模型完成改造設計與施工，為歷史街區的改造優化提供了新的思路和方法。