基于多源數據的古建筑數字化建模技術研究與應用*

孫曉陽,張潤東,嚴光芒,李越宇,唐丹丹

(中建八局文旅博覽投資發展有限公司,江蘇 南京 211100)

0 引言

古建筑是我國物質文化遺產的重要組成部分,蘊含著深厚的文化底蘊,所展現的建造技藝極具研究價值。然而隨著歷史的不斷演進,現代化進程的加速推進,這些瑰寶也持續遭受著自然和人為的破壞。為了在社會的發展變革中有效保護民族的文化命脈,建立古建筑數據體系顯得尤為重要。通過集成的數字模型對古建筑進行存檔、保護和拓展延續。本文以南京溧水城隍廟的宋式仿古建筑徽恩閣為研究對象,從古建筑構件關系分析、形式表達與信息交互等方面,探討數字化建模技術在古建筑保護中的應用,總結一般方法以推廣運用。整體技術路線如圖1所示。

圖1 整體技術路線Fig.1 Overall technology route

1 古建筑原始數據歸集

古建筑由于年限久遠,本體資料多有缺失,通過翻閱地方志等資源不足以獲得完整的建筑構造數據。此時,可根據建筑年代參考相應典籍和同時期建筑構造探尋細部做法。諸如宋的《營造法式》(以下簡稱《法式》)、清的《工程做法則例》等均對古建筑的制度、做法及相應的圖樣名詞進行了詳細描述。為搜集詳實的數據信息,需拓展多種渠道,在參照歷史文獻的同時還需輔以當代先進技術。為獲得古建筑實體數據,傳統測量方法多采用人工拉尺和利用全站儀、激光測距儀等工具對古建筑點位進行采集順推,但由于構造復雜,準確度受測繪人員的技術水平所干擾,測繪效率低下。而隨著三維掃描技術和無人機近景測量技術的不斷成熟,兩者技術配合使用,優勢互補,在古建筑中的應用也越來越廣泛。本文主要采用大疆無人機設備和Trimble三維掃描儀收集古建筑的現場數據信息。

1.1 數據獲取

由于古建筑的復雜性,為獲得較完整數據,掃描前還需對現場踏勘結合已有資料根據掃描設備性能進行測試后,編制掃描測繪方案。針對建筑特點,采用無人機RTK設備獲取古建筑屋面等遠景數據,Trimble TX8掃描近景空間,手持掃描儀掃描角落及部分細節,通過組合試驗明確站點排布位置、無人機航線和相關參數設置。掃描過程中應避開樹木等障礙物,保證點云影像連續、完整。

1.2 數據處理

三維激光掃描技術與無人機攝影技術可相互發揚優勢彌補不足,點云作為基礎媒介為2種技術的融合創造了有利條件。將采集到的點云與影像數據通過Trimble RealWorks,ContextCapture進行拼接、濾波、降噪和編輯等預處理。利用設定好的控制點與軟件的全自動拼接功能進行快速拼接,經過去除冗余和抽稀簡化后,實現了多平臺的影像點云與激光點云的高精度融合,形成數據較完整、輕量的徽恩閣點云模型,如圖2所示。

圖2 徽恩閣點云模型Fig.2 Hui’en Pavilion point cloud model

1.3 數據規整

在古建點云數據處理歸集過程中,由于掃描、攝影技術的局限性和古建結構特點,無法全面準確獲取一些復雜構造及隱蔽部位的數據。為彌補構件遮擋等問題造成的數據缺陷,還需根據建筑形制特點,參照《法式》等典籍補全構件的幾何數據,形成較完整的基礎數據庫。

2 古建筑數字化建模技術

按照模型形成的方式和用途,古建筑建模成果可分為修正型和紀實型。修正型主要按照歸集數據推算原有構造,復原古建筑,該建模能得到標準的構件模型,但缺少古建筑構件表面的現實形態。紀實型又分為表皮模型和完整構件紀實模型,表皮模型多由點云數據直接生成網格模型,只有表皮特征,構件完整度缺失,難以賦予構件信息;完整構件紀實模型既有古建筑完整構造,又能反映現實狀態,準確記錄古建筑由于時空積淀出現的缺陷、傾斜等現狀信息。

中國古建筑的特征主要體現在建筑和部件的形制化集成。其中《法式》突出“以材為祖”,而又把“材”分為八等,一系列關于模數制的規定,增加了古建筑構件的通用性與互換性,能提前協調加工構件,大大加快了古建筑的建造速度,提高了經濟效益。由此,基于《法式》等文獻和已有數據分析整理,總結宋式建筑的組成體系、模數制及構件構成特點,作為宋式建筑參數化建模的依據。

目前,諸如Geomagic Studio等軟件雖能根據點云自動化一鍵式創建曲面,快速生成建筑表皮模型,但在古建筑內部構造、構件分類、信息維護上均存在很大缺陷。因此,還需尋找一套完善的建模體系,以根據不同需求創建完整的構件模型。

在收集整理數據的基礎上,采用Revit與Rhino軟件進行古建筑建模,比較建模方式的優劣,探討標準構件與現實特征結合的可能性。依據《法式》中模數制的幾何數據,編譯了一組基于Grasshopper的參數化營造模塊,并根據徽恩閣自身特點補充Revit構件族庫。

2.1 徽恩閣基礎數據分析

從文獻記載及點云影像數據來看,徽恩閣整體采用宋式風格構造,局部按現代仿古建筑通用做法優化,整體尺寸關系主要有構件模數、屋頂舉折、殿身分槽。根據柱網分布可知,1,2層間有夾層,面闊五間,進深四間,身內單槽。經測算,徽恩閣梁枋寬度為140mm,高寬比為3∶2,與模數制相對應,可用此模數推算獲取斗栱等完整構件信息。為明確徽恩閣內部構造,梳理各部分構成要素,將徽恩閣以大木作、小木作、瓦作、石作、墻與磚作等進行分類,其細部構件分類如圖3所示。經拆解分析,多數構件可從點云數據中直接獲取,如斗栱等可由點云與模數制結合完善構件形態,而平棋以上屋架部位如屋頂舉折、梁架組成方式則需根據已知構造推算,具體如表1所示。為獲得徽恩閣主體架構特征,根據點云數據繪制已知部位構架簡圖(見圖4),結合宋式殿閣梁架做法,由身內單槽可知其為抬梁式屋架,推算繪制其屋架部位大致做法(見圖5),具體尺寸定位還需在建模時計算確定。

表1 徽恩閣構件獲取方式分類Table 1 Classification of acquisition methods for Hui’en Pavilion components

圖3 徽恩閣構件分解Fig.3 Component decomposition of Hui’en Pavilion

圖4 基本構架簡圖Fig.4 Basic architecture

圖5 梁架完善簡圖Fig.5 Beam frame improvement

2.2 基于Revit創建標準構件模型

Revit軟件主要以構件族的形式拼裝組合成整體建筑模型,其生成邏輯由整體到局部,逐步細化,與正向過程類似。在Revit中建模,要求構件獨立完整,而掃描獲取的點云僅有表面數據,若作為構件尺寸參照,還需分析建筑形制,依據相應典籍補充完善,因此建立的模型為標準構件的修正模型。標準構件模型創建流程如圖6所示。

圖6 標準構件模型創建流程Fig.6 Standard component model creation process

將簡化處理后的徽恩閣點云數據(las格式)導入Autodesk Recap中,生成rcp格式導入到Revit中,也可在其中進行查看瀏覽、量測操作。在Revit中有多種基于點云的建模方法,如利用AS-built for Revit插件,可直接對點云進行分割編輯處理,利用切片提取特征點建模。這里主要描述根據點云尺寸結合宋式建筑典籍進行徽恩閣模型創建的過程。

首先通過點云分析徽恩閣的建筑形制、空間布局、結構組成、幾何關系等數據。由于徽恩閣為兩層廈兩頭造形式,以中軸線左右對稱,中部有夾層,構件層次較多,因此以2層樓板底部斗栱為界,分為上、下兩部分。依據徽恩閣間廣與間深定“地盤”,一般以柱中心位置為軸線交點確定柱網。以1層樓面為基準,創建各樓面、柱頂、檐椽下口、屋脊高度相對標高。基準軸網、標高確定后,則需分析構件形式與參數,創建各構件族。古建筑構成中以大木作為主,而大木作中尤以斗栱最復雜,因此以斗栱為例,創建相應參數族。其余如柱、梁等通用構件均可先建立標準參數族,再隨建筑點云尺寸進行調整。

斗栱由斗、栱、昂、耍頭等構成。斗又分為櫨斗、交互斗、散斗、齊心斗;栱又分為華栱、瓜子栱、泥道栱、慢栱、令栱;由各構件組合形成不同類型鋪作。此處以相對關系約束創建櫨斗、華栱等參數化構件,后期可根據建筑形制調節材料參數以適應構件要求。在櫨斗創建前,需理清斗的耳、平、欹之間的尺寸關系,然后在Revit中通過標注約束、設置參數,利用拉伸、放樣、空心形狀剪切操作完成櫨斗參數化族的創建工作。栱等構件也可利用類似方法,對設置各參數及各尺寸間的連接進行參數化。斗栱所含各構件建立完成后,需組合測試,實現其余斗栱構件隨斗口寬度的改變而變化。

各標準構件建立完成后,導入原項目中,從柱基礎與柱開始,依據軸線位置參照點云調節柱徑參數進行放置,根據剖面用闌額與梁將各檐柱相連。斗栱則需根據鋪作位置和出跳形式對斗、栱、昂進行組合。徽恩閣斗栱按位置分為柱頭鋪作、補間鋪作、轉角鋪作和身槽內鋪作。1層柱頭與補間均為兩抄五鋪作,轉角為兩抄一昂六鋪作;2層樓板下方均為兩抄五鋪作,但形式與1層五鋪作略有區別;2層上部柱頭與補間均為兩抄一昂六鋪作,轉角為兩抄兩昂七鋪作。根據點云尺寸調節斗、栱、昂的參數以適應鋪作形式,組合完成后放置到相應位置。栱眼壁板與柱頭枋根據已完成的斗栱進行建模。

主體屋架結構由于平棋等遮擋嚴重,其內部構造僅憑點云數據無法測定尺寸關系,此時需根據典籍描述和構造類比來定“側樣”,通過架深、檐出、舉折計算所需參數。屋架舉折如圖7所示,L為前后橑檐枋間距,H為橑檐枋背至脊槫背之高,而殿閣樓臺整體舉折比H/L為1/3,由點云可知橑檐枋中心高度,可求得脊槫背高度。而牛脊槫中心線即檐柱中心線,由此可知橑檐枋與牛脊槫間的水平距離L1。根據屋面走勢及形制要求可推算出牛脊槫與脊槫之間設2道平槫等分,即L2=(L/2-L1)/3,由此槫的水平布置均可確定。為確保槫的相對高度準確,運用舉折法的同時還需結合屋面構造,由筒瓦規格、石灰層、膠泥層、板棧層等逐步推算到椽子,與點云特征相互印證,確保準確度。求出主體屋架構造尺寸后,可由上向下與由下向上結合遞推其余結構,即由槫、襻間到蜀柱、平梁、剳牽向下,由斗栱、月梁到平棋向上,結合點云數據與《法式》形制要求,逐步完善主體架構模型。

圖7 屋架舉折示意Fig.7 Roof truss lifting and folding

瓦面、椽子數量較多,而翼角飛檐部位生出、翹起更復雜,由此引入dynamo對飛椽和瓦面進行參數化快速生成。此處以瓦片生成為例,椽子生成方法類似。先在Revit中運用自適應公制常規模型創建筒瓦、板瓦族,明確筒瓦與板瓦的相對位置關系,賦予相應參數,能基于兩點生成瓦片并能調節角度,載入項目中。根據點云定位檐口邊界與生出起翹點,按屋面坡度描繪輪廓,在dynamo空間中拾取生成檐口邊界與瓦面坡度線,用surface.bysweep節點生成曲面,再用geometry.split節點對廈兩頭造部位進行切割,生成原始屋面表皮。由檐口邊界中點向兩側以筒瓦與板瓦的疊合模數固定距離等分,并與向量結合得出瓦面縱向分隔,再以每個分隔檐口端點為起點結合瓦的自適應族定位點進行等分。根據生成的定位點,結合導入的自適應族使用adaptive component.by points節點生成瓦面,再替換對應的檐口瓦。此過程中需注意筒瓦與板瓦、板瓦與板瓦之間的相搭重疊關系。

整體模型建好后,還需結合點云與勘測數據比對,對整體架構推導,查漏補缺,多次調整后,使其與徽恩閣建筑點云基本契合。而鴟尾、獸頭等異形構件還需配合Rhino進行構件補充導入。

2.3 基于Rhino的融合建模方法

以上采用Revit進行了正逆結合的標準構件建模,但在Revit中難以調節構件形態滿足紀實模型的要求。因此,要表現建筑構件現實形態,還需引入一種融合建模方式。Rhino具有強大的曲面調節功能及輕量化的優勢,在建模過程中,能根據點云調節曲面造型,使模型更貼合原始建筑。在Rhino中的古建筑整體建模思路與Revit大致類似,均需依據建筑形制即間廣、間深、架深、檐出、舉折等參數,推算內部構造,生成完整的建筑模型。為充分利用Rhino參數化功能,提升建模效率,同步編譯了一組基于grasshopper的參數化營造模塊。該模塊參考營造法式圖樣,分析各式構件特點,以足材為基本尺度,結合當下度量習慣,還原《法式》所描述的常用構件模型,形成標準模塊單元。各類構件能根據建筑形制的不同,對屋架的類型、間廣、間深及舉折等做出選擇,賦予調值參數改變相應尺度,即可生成相應建筑的標準模型。融合建模流程如圖8所示。

圖8 融合建模流程Fig.8 Fusion modeling process

在Rhino中導入處理好的點云數據,運用切片工具提取點云特征線、多種輪廓擬合求解獲得古建構件的幾何特征。運用營造模塊調整參數依次創建各構件,結合RhinoResurf插件輔助建立復雜構件模型。此過程中,應做好各構件分組分層工作,以便后續隔離編輯。整體標準模型建立后可使用Rhino自帶的SubD等工具,以點云為目標,對已有標準構件模型進行配準變形編輯。相對于網格模型,nurbs曲面建模能更好地控制物體表面曲線度,創建出更平滑逼真的模型,并有利于賦予材質。變形處理后的模型具有完整的建筑構件體系,能表現建筑的目前狀態和構件細節。

鑒于目前Rhino在數據信息管理方面還存在缺陷,還需由Revit對構件進行統籌賦予信息參數,因此使用Rhinoinside.Revit與Revit進行格式轉換與信息交互。通過Grasshopper中的New compoment family模塊將Rhino中的構件在Revit中重新生成族,重新編輯并賦予構件參數信息。也可用Graphical Element模塊拾取Revit中的構件Bake至Rhino中進行編輯重構,彌補Revit在構件變形方面的不足。將兩者結合開發,實現古建筑構件紀實形態與信息數據的無損融合。徽恩閣完整構件模型如圖9所示。

圖9 徽恩閣完整構件模型Fig.9 Complete component model of Hui’en Pavilion

3 結語

本文結合點云數據與相關典籍數據,分析宋式建筑的整體構造,運用正逆向建模思路,發揮Revit的信息承載作用及Rhino的異形重構能力,對古建筑構件進行數字化三維重建,為存檔監測及信息維護提供基礎數據。以Revit標準構件族建立的模型旨在復原建筑原始構造,為結構監測、修繕提供參考。基于Rhino的融合建模方式具有輕量化優勢的同時,更貼合建筑目前狀態,能為古建筑修繕和維護提供精準數據。利用Rhinoinside.Revit將兩者相結合,優劣互補,能完美呈現古建模型。此外,輕量化的數字模型可結合虛擬現實技術通過網絡形象、逼真地展示古建筑構造細節,從而使古建筑脫離地域限制,實現文化遺產共享。