BIM+三維掃描技術在歷史建筑保護修繕中的探索研究

沈源 SHEN Yuan

（上海久事北外灘建設發展有限公司，上海 200080）

0 引言

歷史建筑的保護和合理利用體現了一個國家對歷史文化的關注，在現代化的發展中，社會越來越注重對這些具有重大價值的歷史建筑在“修舊如舊”的基礎上予以修繕，更多地根據歷史考證，結合城市發展特征或歷史文化街區特色進行修復保護，使之與城市發展有機、和諧共存。但是，歷史建筑由于長時間使用、保護未受到重視，使得很多歷史建筑存在年久失修、隨意改造、破損嚴重等情況。以往我們歷史建筑修繕主要依據為圖片、文字及平面圖等，信息承載量少、不易保存。進入21世紀，建筑工程學科和計算機仿真技術的發展，基于激光掃描和BIM等技術應用有了長足的進步，BIM+三維激光掃描技術也成為了歷史建筑后期修繕復原的重要支撐技術之一，其在紋理再現、細節表達、多維度重建等方面有很大的優勢，可有效記錄建筑紋路、肌理、色澤等原始風貌，使歷史建筑的保護修繕更加精細化、智能化、系統化。

1 關鍵技術

1.1 激光掃描技術

三維激光掃描技術（terrestrial laser scanning，TLS），又稱實景復制技術，是一種全自動、非接觸的高精度立體掃描技術。通過云測量技術采集大量被測物表面的點云數據，能有效記錄被測目標點的空間信息和色彩灰度信息。其具有獨特的優勢：①非接觸性測量，降低對歷史建筑的二次破壞；②數據采集效率高，掃描速率可達每秒百萬個點，實時性強；③精細度高，誤差達到毫米級，能詳細描繪物體的細節；④全數字特征化，自動化程度高，信息傳輸、加工、表達容易，方便操作。

1.2 BIM技術

BIM（Building Information Modeling）技術通過建立一個虛擬的三維信息模型可以將工程項目全生命周期的各種信息資源整合在一個數據庫。將BIM技術引入到歷史建筑保護中，通過建立參數化的模型模擬歷史建筑的建成信息，為歷史建筑修繕保護提供了依據，也是修繕工作的信息基礎。其具有以下優勢：①實現歷史建筑信息的三維可視化，提高工作的直觀性；②實現以模型為載體的歷史建筑修繕協同，提高工作的準確性；③實現歷史建筑信息的參數化模型實時記錄共享，提高信息管理與共享能力。

2 項目背景

2.1 項目概況

紅樓保護修繕工程，處于全國重點文物保護單位外灘近代建筑群的建設控制地帶和上海市外灘歷史風貌區內。該建筑于1911年建造，磚木結構，外立面為清水紅磚墻?？偨ㄖ娣e2676m2，建筑層數為4層，屋頂為穹頂。紅樓為優秀歷史建筑，保護類別為二類，為了延續城市文脈，需要使用數字化技術最大程度、精細化地保留歷史建筑風貌和完整性。

2.2 現狀分析

紅樓房屋坐北朝南，入口面向黃浦江，平面形式為矩形，東西向總長約37.8m，南北向總寬約23.6m，底層層高4.9m，二層層高4.7m，三層層高4.5m，局部四層層高約3.6m。建筑物南、東、北立面為外部重點保護部位，體現建筑特色的裝飾細部等為內部重點保護部位。根據建筑歷史圖紙和各時期歷史照片、文獻記載等資料，結合數字化技術分析等措施，本項目主要內容為歷史建筑外立面、屋面等按照原歷史風貌進行保護修繕。

3 主要技術路線

本歷史建筑外立面修繕，主要是以模型為載體，采用三維重建的方式進行模擬分析。一般建模分為正向建模和逆向建模。前一種是基于文獻記錄的尺寸、參數、特征，通過建立圖形與幾何、尺寸之間對應的關系，并調用參數值來控制建模的幾何形狀的建模方法。另一種是利用三維激光掃描技術進行數據采集，獲得點云數據和三維特征后再一次進行逆向重構的建模方法。

點云逆向建模得到的模型更具現實性，能很好地表達外立面墻體的紋理細節，而參數正向建模更加完整，能詳實反應建成后的狀態，包括已被改建的部分以及掃描不到的內部結構部分。為了更好服務建筑后續的保護、修繕以及評估監測等工作，本文使用正逆向結合的方式，一個是通過三維激光掃描技術實現建筑信息逆向獲取從而建立現實模型，另一個是通過Revit軟件和歷史圖紙資料來建立標準模型，最終以模型為基礎，實現數字化對比、分析、存檔等用途，為歷史建筑修繕提供依據。具體實施主要分為三部分：數字化信息收集、數字化模型重構、數字化管理（實施路線詳見圖1）。

圖1 主要實施路線圖

4 主要實施方案

4.1 數字化信息收集

在保護修繕工程開始之前，除了通過歷史圖紙資料的調查外，需要進行三維掃描工作，通過數據采集，來準確、詳細地表述現有建筑狀態。（具體流程如圖2）

圖2 三維激光掃描流程示意圖

在掃描過程中，選用FOCUS3D掃描設備，內置7000萬像素相機，測距范圍在1至5米之間。通過6個設置站點，調整入射角度，對歷史建筑3層以下的外立面進行數據采集，重疊率為60%至80%，連續對同一位置進行三次以上多角度拍攝，保證不遺漏細節。由于被測物位于市中心區域，四周有其它建筑物相鄰，對于屋頂等無法掃描的區域，采用無人機采集補充。設置無人機巡航對歷史建筑的3層至屋頂進行環繞飛行拍照，最終將采集的照片資料輸出點云數據。

4.2 數字化模型重構

①逆向建模。

將不同視角采集的點云數據導入專業軟件（Cyclone、RISCAN PRO等軟件），進行數據處理，構建出整體點云模型。（具體流程如圖3）

圖3 逆向建模流程示意圖

首先進行點云數據預處理，對掃描獲得點云數據進行簡化處理，刪除相關影響因素，保留可用的點云數據。預處理避免了由于儀器誤差、被掃描物體反射特性、環境溫濕度等因素造成的點云沉余，從而有效提高運算、存儲和操作過程的效率，確保掃描數據的質量和可靠性。然后進行點云配準，通過控制軟件中的ICP算法，完成自動精確配準，統一坐標系，將整個視圖中的多個點云合并為一個整體點云數據。點云數據包含紅樓立面的三維點云、紋理、反射強度等信息，再行導入建模軟件中，建立實景現實模型和輸出相關二維圖紙。

②正向建模。

在原有二維存檔圖紙的基礎上進行正向參數化建模。根據記錄的建筑數據，再結合歷史圖紙和照片，運用幾何重建、轉換等方式真實反映構件的情況，還原紅樓建筑標準模型。該階段的主要工作為通過之前記錄的歷史建筑所有不同的屋面山花、柱頭花飾、拱券、檐口線條的參數創建族庫，并且完善內部建筑結構、布局模型（詳見圖4），方便現場加工定制，裝配式安裝。

圖4 構建族模型示意圖

在Revit中的大部分建筑構件創建完畢后就可以進行渲染，對各個構件賦予材質。通過外業采集過程中掃描儀采集的圖片數據，導入自定義的材質庫或新建材質，對照現場實際位置，進行紋理貼圖，使模型更符合實際場景。從而實現動畫漫游，實時查看標準模型和平立剖面圖輸出。

4.3 數字化管理

①損傷分析。

利用已完成的模型數據分析歷史建筑的損傷的方法是將兩種不同建模的方式獲得的標準建成模型與現實模型進行數據格式的統一，然后進行兩種模型數據的位置配準，生成高程偏差分析圖。使用軟件（Geomagic）對比兩個模型的偏差，將現實模型作為對比方，建成模型作為參考方，得出結論。針對南立面現狀，繪制破損分析圖（詳見圖5）。統計目前外立面主要劣化問題有54項，主要如下：清水磚墻存在墻面開洞、泛堿、水漬、污垢、外加附著物等；石材線腳、柱頭花飾、寶瓶欄桿等構件存在局部涂刷、開裂、破損、污垢等；門窗、欄桿存在滅失、損壞、油漆不當等；部分結構存在加建等。據此在圖紙上標識出紅樓立面損傷部位并加以分析，為后續精細化修繕提供依據。

圖5 模型對比及損傷部位分析圖

②結構復核。

根據現實模型，采用建筑結構設計軟件（YJK）對房屋上部結構進行計算（詳見圖6），結構計算結果表明部分墻體和木結構梁受壓承載力不足。具體驗算參數取值如下：木擱柵截面75mm×300mm（慣性矩I=1.69×108mm4），樓面恒載0.7kN/m2，活載2.0kN/m2，木擱柵跨度6.8m，間距400mm。受彎≤Fm。受剪：τ=≤Fv。簡支梁均布荷載作用下跨中撓度公式：f=。木擱柵截面最大正應力σ=8.03MPa<材料的抗彎強度8.8MPa。截面最大剪應力τ=0.35<材料的抗剪強度0.96MPa。跨中最大撓度f=19.8mm<撓度限值6800×1/250=27.2mm。因此，根據核算更有針對性地采取其它可靠措施加固、補強房屋整體抗震性能，消除結構安全隱患。

圖6 結構計算模型簡圖

③數字存檔。

建立電子檔案，涵蓋歷史人文、重點保護部位、歷次修繕工藝和材料等數據。在對紅樓三維激光掃描數字測繪、正逆向模型的基礎上，為歷史建筑數字模型整合、歷史信息集成，從而搭建一個虛擬數據庫，實現協同查詢、虛擬漫游、交互操作等功能。

5 總結

歷史建筑保護修繕自數字化技術介入之后，大大提高了修繕的科學性和精準度，遵循了建筑修繕的原真性、最小干預和可逆原則。依托三維激光掃描和BIM技術進行的測量、重構等數字化管理工作，確保測繪數據的真實性和完整性，將建筑物的比例、結構精準的反饋出來，全面準確地反應歷史建筑物的狀態，為保護和修繕提供了有力的技術支持。未來借助數字化的理念，進行傳統保護思維和管理模式的轉變，更多地將歷史風貌建筑的保護與智能化、云計算、大數據、物聯網等信息技術相集成，推進風貌建筑保護數字化、網絡化、智能化突破性進展。