基于真實(shí)建筑環(huán)境創(chuàng)作＊——點(diǎn)云技術(shù)在BIM 正向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

曾旭東 耿藝曼

重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院

設(shè)計(jì)場(chǎng)地作為物理空間和人類活動(dòng)的載體，是人類活動(dòng)與物理空間之間的互動(dòng)媒介，具有自然和人文雙重屬性。這種獨(dú)特性形成了建筑當(dāng)下本真的氛圍，設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)尊重場(chǎng)地屬性，認(rèn)識(shí)場(chǎng)所特征。然而，許多設(shè)計(jì)師在做設(shè)計(jì)時(shí)往往凌駕于場(chǎng)所之上，無(wú)法充分認(rèn)知、甚至?xí)我飧淖儓?chǎng)所的特質(zhì)[1-3]。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，環(huán)境信息是通過(guò)拍照和全站儀測(cè)量等方式獲得的碎片化的、需要二次處理的二維信息，信息的收集和二次處理造成了信息缺失，導(dǎo)致最終建筑設(shè)計(jì)在非原始信息指導(dǎo)下完成。

運(yùn)用BIM軟件進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，將點(diǎn)云導(dǎo)入其中還原和重現(xiàn)場(chǎng)地場(chǎng)景（圖1），使建筑設(shè)計(jì)全周期在真實(shí)建筑氛圍中進(jìn)行。本文將對(duì)三維環(huán)境模型信息的獲取及其與BIM的結(jié)合方法進(jìn)行研究，通過(guò)比較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，分析其局限性和點(diǎn)云技術(shù)設(shè)計(jì)思路的優(yōu)勢(shì)，并提出運(yùn)用點(diǎn)云技術(shù)還原建筑真實(shí)氛圍的BIM建筑設(shè)計(jì)方法，這對(duì)于推動(dòng)BIM正向設(shè)計(jì)具有重大意義。

1 BIM 設(shè)計(jì)界面中場(chǎng)地的信息模型重現(xiàn)

1 BIM實(shí)現(xiàn)在三維真實(shí)環(huán)境中設(shè)計(jì)建筑

BIM模型的創(chuàng)建伴隨設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意開(kāi)始，依據(jù)設(shè)計(jì)意圖而非成品或半成品的二維圖紙，在三維空間里面做設(shè)計(jì)。BIM系統(tǒng)中正向設(shè)計(jì)在三維環(huán)境中進(jìn)行，而激光掃描獲得的點(diǎn)云模型為BIM正向設(shè)計(jì)提供了真實(shí)環(huán)境和設(shè)計(jì)氛圍。所以，BIM系統(tǒng)是點(diǎn)云技術(shù)輔助正向設(shè)計(jì)的必要條件。

2 點(diǎn)云真實(shí)環(huán)境模型為BIM三維設(shè)計(jì)思維打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

三維激光掃描儀除了能測(cè)得點(diǎn)X、Y、Z的坐標(biāo)信息，還可以測(cè)得RGB顏色信息和反射率信息等[4-9]。物體在數(shù)據(jù)信息建模軟件里完整真實(shí)地重現(xiàn)，相當(dāng)于把建筑真實(shí)環(huán)境搬到了電腦顯示屏中。通過(guò)與三維激光掃描儀的對(duì)比（表1），從測(cè)量方式來(lái)看，全站儀測(cè)量?jī)?nèi)容單一，工作人數(shù)多，由于放置、校準(zhǔn)、水平、測(cè)回等復(fù)雜的人工操作，其誤差也因人而異。三維激光掃描儀只需在安置的時(shí)候水平校準(zhǔn)一次，便可一鍵掃描，等待掃描結(jié)束即可。從測(cè)量速度來(lái)看，全站儀采用“外業(yè)測(cè)點(diǎn)+內(nèi)業(yè)連線”的方式，連線過(guò)程數(shù)據(jù)信息缺失嚴(yán)重。而三維掃描儀則可以每秒測(cè)得一百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的信息，并自動(dòng)生成模型，單次掃描僅需3～5min。

表1 三維激光掃描儀與全站儀的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比

由于三維激光掃描技術(shù)具有快速性、高精度性、高密度性、完整性等特點(diǎn)[10]，因而成為BIM正向三維設(shè)計(jì)體系在數(shù)字化時(shí)代的絕配技術(shù)。

3 點(diǎn)云技術(shù)還原真實(shí)建筑設(shè)計(jì)氛圍的應(yīng)用研究——以磁器口掃描數(shù)據(jù)為例

現(xiàn)擬在重慶市磁器口傳統(tǒng)街區(qū)（圖2）進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，本節(jié)從場(chǎng)地信息提取與重建、真實(shí)建筑氛圍實(shí)現(xiàn)三維思維設(shè)計(jì)環(huán)境、設(shè)計(jì)成果結(jié)合點(diǎn)云實(shí)景的表達(dá)三個(gè)階段進(jìn)行深入分析，提出三維激光掃描儀輔助建筑設(shè)計(jì)回歸三維思維的重要意義。

2 磁器口某街區(qū)實(shí)景

3.1 場(chǎng)地信息提取與重建

為重現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)區(qū)域周邊真實(shí)環(huán)境，在擬建建筑附近選擇間隔10～20m的三個(gè)掃描位置點(diǎn)，盡可能地覆蓋重疊可見(jiàn)建筑物，將FOCUS s350三維激光掃描儀[11]支在預(yù)設(shè)點(diǎn)上（圖3），使用Faro Scan軟件導(dǎo)入三組數(shù)據(jù)，得到周邊環(huán)境的完整點(diǎn)云模型（圖4），數(shù)據(jù)處理大約半小時(shí)。將完整的點(diǎn)云模型導(dǎo)入ArchiCAD[12]，形成BIM設(shè)計(jì)界面的三維設(shè)計(jì)真實(shí)建筑環(huán)境。

3 使用三維激光掃描儀在磁器口勘測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)

4 磁器口點(diǎn)云拼接模型

3.2 真實(shí)建筑氛圍實(shí)現(xiàn)三維思維設(shè)計(jì)環(huán)境

設(shè)計(jì)師直接在真實(shí)的三維環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)和多方案比較，在真實(shí)建筑氛圍中把握建筑與環(huán)境的融合度，進(jìn)行方案的優(yōu)化，有助于做出更理性的設(shè)計(jì)決策。

通過(guò)點(diǎn)云模型可以直觀地把握磁器口歷史街區(qū)不同區(qū)域的氛圍和建筑現(xiàn)狀。例如，通過(guò)在點(diǎn)云模型中漫游截取的兩個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行比較（圖5），發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)區(qū)域雖然同在磁器口，但在建筑風(fēng)貌上存在差異。根據(jù)微環(huán)境的不同，在BIM界面點(diǎn)云環(huán)境信息模型中采用不同的設(shè)計(jì)手法來(lái)提高新老建筑的融合度（圖6）。利用點(diǎn)云模型還原真實(shí)建筑氛圍，不僅可以快速把握周邊建筑風(fēng)貌、城市肌理、文化元素和構(gòu)件，還可以實(shí)時(shí)調(diào)整細(xì)節(jié)、逐步深化、多方案對(duì)比，最后得出最優(yōu)方案。

5 BIM 設(shè)計(jì)界面中還原的建筑氛圍

6 在BIM 軟件真實(shí)的建筑氛圍中進(jìn)行設(shè)計(jì)

3.3 設(shè)計(jì)成果結(jié)合點(diǎn)云實(shí)景的表達(dá)

傳統(tǒng)的三維效果只是展示固定的路徑或視角，難以反饋用戶的真實(shí)感覺(jué)。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)信息的遺漏，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)表達(dá)也僅能展現(xiàn)渲染的抽象環(huán)境效果，無(wú)法形成真實(shí)的體驗(yàn)感受。

BIM+VR技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。建筑模型與點(diǎn)云環(huán)境模型結(jié)合，通過(guò)佩戴VR設(shè)備，讓用戶身臨其境地感受設(shè)計(jì)方案效果，從而實(shí)現(xiàn)“以人的使用體驗(yàn)作為評(píng)價(jià)建筑的最終指標(biāo)”。

3.4 三維激光掃描輔助設(shè)計(jì)前后對(duì)比分析

研究設(shè)置了兩組人員分別采用傳統(tǒng)方式和BIM+VR方式進(jìn)行磁器口擬建項(xiàng)目的設(shè)計(jì)[13-14]，并對(duì)每個(gè)階段進(jìn)行計(jì)時(shí)和評(píng)價(jià)反饋記錄，對(duì)比數(shù)據(jù)如表2。

表2 使用三維激光掃描儀設(shè)計(jì)前后效率對(duì)比

點(diǎn)云模型可以直接導(dǎo)入BIM中，實(shí)現(xiàn)建筑在建筑環(huán)境中設(shè)計(jì)，省略了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)前期二維信息的收集和處理流程，顯著提高了設(shè)計(jì)效率（圖7），改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維。方案設(shè)計(jì)階段點(diǎn)云環(huán)境下設(shè)計(jì)擁有更高效的反饋，設(shè)計(jì)成果也更具說(shuō)服力。

7 點(diǎn)云真實(shí)模型對(duì)建筑設(shè)計(jì)的直接影響

4 結(jié)論

綜上所述，點(diǎn)云技術(shù)通過(guò)高效精準(zhǔn)的環(huán)境模型與BIM結(jié)合，可以全面提升BIM正向三維設(shè)計(jì)的效率和效果。研究證明，在基于三維激光掃描技術(shù)的建筑場(chǎng)地模型中進(jìn)行建筑方案設(shè)計(jì)，與環(huán)境更易協(xié)調(diào)、與氛圍更易融合、與場(chǎng)所更易統(tǒng)一，對(duì)于提升城市品質(zhì)起到了極大的促進(jìn)作用，同時(shí)也更能滿足人民對(duì)美好生活的更高向往。