基于点云数据与BIM的古建筑三维信息表达方法研究

石力文，侯妙乐，胡云岗，李爱群，解琳琳

（1. 北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；2. 北京市建筑遗产精细重构与健康监测重点实验室，北京 100044；3. 代表性建筑与古建筑数据库教育部工程中心，北京 100044）

古建筑承载着悠久的历史和灿烂的文明，是人类智慧与勤劳的结晶和共同财富。作为物质文化遗产的重要一部分，古建筑具有不可再生性，一旦遭到破坏，将会成为永远的遗憾。由于受战争、地震等自然因素和旅游开发等人为因素的影响，这些历史悠久的建筑文化遗产随着岁月的流逝正遭到不同程度地损坏。以阿富汗最古老，最高的立式佛像之一的巴米扬大佛为例，阿富汗战争爆发以来，文化遗产遭受破坏的情况非常严重，佛像在2001年3月被炸毁，因此在不损伤文物的前提下实现遗产信息留取与保护修复迫在眉睫，对中国古建筑进行三维数字化保护是对中国建筑精髓传承的重要手段，不仅有利于记录古建筑的构造形式和历史、文化和科学价值，更能对古建筑修缮保护提供精准的数据支撑。

由于建筑遗产数量庞大，年份久远，记录档案与历史资料难免出现缺失，传统的文物三维信息采集主要依赖皮尺等简易的工具、手工绘图和记录，测绘成果因人而异，详略不一，成图精度也较低[1]。近年来，伴随着现代技术的快速发展，全球定位系统（GPS）、数字摄影测量、三维激光扫描等技术以无损、高效、高精度等优势成为当下建筑遗产数字化留取的有效手段；而CAD二维线划图、点云模型、建筑信息模型（BIM）、正射影像等成果表达方式也为古建筑数字化保护中存在问题提供了有效的解决方法。李舒静[2]针对GIS技术展开重点研究，从服务文物保护工作层面出发，肯定了BIM技术可以弥补GIS技术在建筑单体、建筑构件层次的不足，提出了“类型树+结构树”的新型信息采集方法。王茹[3]团队侧重于BIM技术在文物建筑复原工作中的应用，在基于BIM技术的文物建筑模型的参数化研究方面取得了一定的成果，上述两种方法都未考虑将点云数据与BIM技术相结合的应用。刘茂华[4]基于点云数据，利用Revit软件，通过IFC标准连接，将BIM数据与三维GIS数据融合，实现了室内、外三维一体化模型的构建，主要侧重于现代建筑室内、外环境的融合，针对建筑本体细节的研究较少。上海玉佛禅寺修缮与改扩建工程中采用了Revit建模方法，这是在BIM技术平台上结合三维激光扫描和3D GIS数字化城市技术对古建筑修缮与改扩建全过程服务的一次创新性尝试[5]，但缺少针对古建筑构建“族”模型库的完善，未考虑古建筑系统化管理的问题。

面向古建筑信息留取、表达和管理的迫切需求，针对目前古建筑数字化保护工作中存在的信息缺失、信息共享性差、缺乏科学化管理等关键难题，本研究结合现代数字化技术在古建筑保护中的优势，提出了一种基于三维激光扫描技术和建筑信息模型（BIM）技术的古建筑信息有效表达方法，并通过进一步的实例验证了本文方法的可行性与有效性。本文的研究成果可为古建筑遗产的历史数据数字化留取和三维信息表达提供重要参考。

1 古建筑数字化保护技术分析

在传统的古建筑测绘中，通常利用标杆、钢尺和水准仪手工量取建筑物平、立、剖面特征点的位置以及相应的特征线的距离，测量方法为“以点概面”，靠肉眼判读记录，进而利用古建筑设计和现状的几何关系绘出线性特征图[6]。一方面，针对复杂异构的古建筑，空间特征描绘不准确，往往没有实际依据，仅凭观测；另一方面，对于较高的建筑，测量难度高，不可避免存在人为踩踏等行为对古建筑造成破坏，测量的效率和精度也显著降低。传统测绘由于测量和表达方式的限制，很难确切地记录古建筑的现状，随着近年来科学技术的不断发展，各种数字化技术相继出现，这些技术发展并完善了古建筑信息留取手段（图1）。

图1 古建筑数字化及三维建模关键技术（来源：作者自绘）

1.1 三维激光扫描技术在古建筑保护中应用的优势

对于古建筑数字化几何模型的构建，目前比较成熟的是三维激光扫描技术，它是一种利用激光脉冲对物体表面进行扫描从而获取其表面特征信息的技术。该技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，具有安全性高、精密度高、效率高、应用前景广等特点[1]，而且经济高效。此外值得注意的是，其输出文件与CAD、三维建模等软件存在成熟接口，可实现数据的高效转换，相比传统的采集模式，古建筑信息能够得到更为全面、详尽的留存[7]，同时也降低了工作人员的工作强度和难度。因此，三维激光扫描技术被广泛应用于古建筑数字化保护领域，尤其是它非接触式的测量的手段，遵循最小干预原则，满足了古建筑保护的核心需求[8]。它的出现使古建筑测绘数据的获取实现了从传统的单点获取方式向快速的、大规模的自动化获取方式的转变。

利用三维激光扫描仪对物体进行数字化，得到的物体表面大量点的三维坐标的集合称为点云数据[9]。点云数据经过去噪、平滑、配准等预处理，可以重构古建筑的三维模型。将三维激光扫描技术应用于古建筑信息留存保护，凭借扫描仪毫米级的点间距以及每秒百万点级的采集速度，使古建筑信息的数字化建档工作更加精确和高效，信息可视化成果也更加生动具体。

1.2 建筑信息模型技术在古建筑保护中应用的优势

建筑的信息化是行业发展的趋势，以建筑信息模型（building information modeling, BIM）技术为代表的空间信息技术的应用已成为关注的热点，其特征就是运用信息技术，创建和使用信息模型，从信息维度对建筑全生命周期实现映射、控制和管理[10]，目前已经成熟应用在建筑设计和建筑管理等领域。在过去的文化遗产保护中，CAD技术的普及和推广改变了传统的手工绘图的方式，可以说是遗产保护领域的第一次数字革命。而现在，BIM模型的出现将引发第二次数字革命[11]。在这样的背景下，如何使其更好地为建筑遗产保护提供可能，是BIM技术本身，也是建筑遗产保护领域需要积极探讨的问题。

古建筑的建筑整体是以各个建筑构件组合起来的形式搭建的特点与BIM技术中以“族”模型相搭建的形式建立模型高度契合[12]，BIM中的“建筑生命周期管理”思想与遗产保护实践需求高度契合，将BIM技术应用于古建筑数字化保护可以说具有多方面的优势。

(1)在数据记录方面。传统的CAD制图常用来记录古建筑的二维信息，二维图纸信息缺少直观性、系统性与可继承性；常用的三维模型手段，如3ds Max、Sketch Up模型，具有强大的效果展示和模型渲染能力，但是针对古建筑的信息留取，其只具备“形”，而没有可服务于应用的“信息”；在BIM建模过程中，根据平面、立面上的一些简单操作可直接建立三维模型，这与二维数据记录相比，省去了繁琐的步骤，也更加全面和规范化。在某种程度上，BIM可以看作是文物建筑的数字化、信息化过程，能够将建筑遗产的隐含信息，包括历史信息、人文信息等表达出来。

(2)在数据共享方面。BIM模型可说是各种“族”模型的组合体，在相同形制的古建筑构建过程中，创建一类相对固定的古建筑样式，如斗拱、梁、柱、屋顶，甚至整个梁架结构体系，通过调用固定样式的族文件，修改属性中预先设定的族参数就可以形成不同尺寸的构件。这样的模型数据共享，不仅节省了建模时间，还有助于对古建筑不同的构件进行整理分类，使这些族可以像“基因”一样存入古建的“基因库”中，并不断被丰富与完善。

(3)在数据统计方面。BIM建模过程中，可以对一个族或者实例定义相关的属性，如结构类型、材料、体积等，通过建立一个相关种类的明细表，可以系统地得到某一个类型下的所有族或者实例的属性信息。将BIM技术引入古建筑保护的领域，为解决目前古建筑保护工作中缺乏科学化管理等问题打开了一条创新之路。

总得来说，BIM技术的应用对于实现古建筑保护系统化管理，提高古建筑数字化保护的科学技术水平，促进古建筑保护全面信息化和现代化，具有巨大的应用价值和广阔的应用前景[13-14]。

1.3 BIM结合三维激光扫描技术在古建筑保护中应用的优势

根据原始数据的获取来源，BIM模型构建主要有两种方式，第一种针对建筑设计与施工，即在建筑的设计阶段根据设计图纸建立BIM模型；第二种针对现有建筑的“实景复制”，采集现有建筑的数据，并进行三维建模[15]。本文所面向的古建筑数字化保护需求，常常因图纸缺失或常年累月的变形无法获取准确数据信息，主要采用第二种方式开展。

BIM技术建模能够清晰地表达建筑物内部结构以及各部分的衔接关系，结合三维激光扫描技术，基于点云数据创建BIM模型，避免了在缺失图纸情况下过多的人为干预造成二次精度损失的问题，高精度的点云数据也能够确保构件位置和尺寸信息的准确性，解决如何利用BIM技术实现建筑物现状信息表达的问题。综上所述，三维激光扫描技术和BIM技术相结合是一种全新有效的古建筑数字化保护方法。

2 模型与模型化表达方法

我国建筑遗产种类繁多，材质和构造形式多样，对各类建筑遗产的信息进行全面的数字化表达面临着严峻的挑战，借助现代科学研究方法中的模型作为一个“中介”来承载古建筑的内在信息可以作为一种行之有效的解决手段。

精确全面的三维数字化信息留取是模型表达的前提，对于古建筑模型来说，模型的精细程度越高，所需获取的数据量越大，对硬件的要求较高，同时也增加了文保工作者的信息管理难度。近年来“模型化”概念的提出为上述矛盾提供了解决方法，其基本思想是通过建立以及研究模型的方法去把握了解事物[13]。如今随着现代科学研究中需要广泛运用各种模型，“模型化”已经成为现代科学认识中的一种极为重要的认知和思维方式。构建古建筑的信息模型，也可以说是一个“模型化”的过程，将古建筑看作原型客体，根据研究、展示、维护、管理等具体需求，来构建符合需要，能反映建筑本质特征和建构逻辑的信息模型[16-17]，而不是一味追求表面特征，将所有的信息都通过同一种固定的方式表达。

2.1 点云模型表达古建筑细节

为了表现古建筑模型真实的现状模型，通过处理三维激光扫描技术获取的高精度点云数据而构成的点云模型（图2）具有不可替代的优势，但点云模型主要解决了建筑物的空间信息，建筑遗产还存在材质构造、年代、变形、残损、特殊痕迹、干预过程等属性信息，需通过其他技术方法和手段分析和表达。

图2 古建筑细节点云模型（来源：作者自绘）

2.2 BIM模型化表达古建筑信息

针对一些复杂异构的古建筑，内部一般存在着涉及不同构造形式与作用的构件，包括我国所特有的通过榫卯结构结合的部位，这些细节通过点云数据表达往往需要耗费大量的人力与时间。而从模型化的角度，不仅可显著提高建模效率，也便于规范化、系统化地管理一类具有相同特性的构件，当遇到相同形式的构件时，只需直接调用古建筑构件库中的已有模型，修改属性即可完成，如图3所示为清式斗拱库，图4为宋式斗拱库。

图3 清式斗拱库（来源：作者自绘）

图4 宋式斗拱库（来源：作者自绘）

值得注意的是，在以往的研究工作中，通常以二维图纸为基础进行记录和管理，构件信息的记录大多停留在纸质文档或电子文件的形式，文件之间缺少联动性，缺少与构件几何信息相关联的非几何信息的记录，往往无法对各构件信息进行海量检索等[2]。通过BIM平台，可以实现模型参数化，实现模型可视化与信息储存的统一（图5）。因此利用BIM技术构建三维模型，通过参数化形式实现构件具尺寸、材质等属性信息的表达，可为古建筑的构造方式与内在价值研究提供重要的参考依据。

图5 构件模型参数化的实现（来源：作者自绘、自摄）

3 实例与分析

3.1 点云数据获取与处理

本文以某仿古亭子为例，采用Faro focus 3D相位式三维激光扫描仪采集其表面的三维点云数据，经过数据处理，基于亭子的点云数据在Autodesk Revit软件平台建立BIM模型，实现该仿古亭子的三维信息留取与表达。仪器主要参数指标如表1所示。

表1 三维扫描仪器主要参数指标

本实验通过对亭子的内部和外部多测站扫描，共获取了6站点云数据，包含其全方位的细节信息，然后对点云数据进行去噪、配准、重采样等处理（图6），即可建立亭子完整的点云模型，如图7所示。进一步可通过直接将点云模型进行三角网封装，经过补洞与优化等处理，最终得到可用于精确展示细节的不规则三角网模型。

图6 点云数据处理流程（来源：作者自绘）

图7 亭子点云模型（来源：作者自绘）

3.2 BIM模型的建立

基于点云数据的BIM模型建立过程主要包括链接点云数据、建立“族”模型、建立注释符号图元、建立完整模型以及添加属性信息（图8）。

图8 基于点云数据的BIM模型建立流程（来源：作者自绘）

(1)链接点云数据。点云数据经处理以后，首先利用Revit Recap软件将点云模型转换为后缀名为＊.rcp或者＊. rcs的点云项目或点云项目索引格式；然后将点云数据作为参照链接插入到Revit项目中，为“族”库以及最终完整模型的建立提供科学的参照依据。

(2)建立“族”模型。“族”是针对建筑构件来说的，它的建立能够使我们从宏观的角度认识某一特定类型的建筑构件全貌，并更直观地展现某种构件的各种分类形式。由于古建筑的各个构件与现代建筑不同，如图9所示的斗拱，Revit族库中的基本样式大多不适用于古建筑中，因此，这些特殊的构件都需要我们自己创建“族”来实现（图10），进而构成规范化的古建筑族库，服务于后续古建筑模型的建立。

图9 斗拱“族”模型（来源：作者自绘）

图10 古建筑“族”模型建立流程（来源：作者自绘）

(3)建立标高与轴网。标高主要是用来确定建筑本身高度的信息，如层高、室内外高差等，用作屋顶、楼板和天花板等以标高为主体的图元的参照。轴网是建筑制图的主体框架，建筑物的主要构件按照轴网定位排列。如图11为基于亭子点云模型建立的标高与轴网，它们是BIM整体模型构建的基础。

(4)利用scan to BIM插件识别平面。在所需识别的平面内选择3个以上像素较好的点，通过改变Shape Tolerance和Closeness Tolerance值来调整生成的平面至其与点云完全吻合。

(5)建立完整模型。把族模型加进项目中之后，就可以根据点云信息以及标高轴网的约束，将构件放置在墙上，通过创建类似实例以及偏移、镜像等功能，可以复制多个构件满足要求。最终将各个构件连接，实现完整的BIM模型建立（图12）。

图11 建立标高与轴网（单位：mm）（来源：作者自绘）

图12 亭子完整BIM模型（来源：作者自绘）

(6)添加属性信息。构建属性索引，将古建筑模型与古建筑全生命周期信息相关联（图13）。属性信息是BIM模型所特有的，也是将BIM技术应用于古建筑数字化保护的重要一步。

图13 古建筑全生命周期属性信息（来源：作者自绘）

3.3 分析结果

通过上述实验, 可以分析出以下结果：

(1)通过三维激光扫描技术，处理得到的高精度点云模型可以表达古建筑的真实现状信息，对于古建筑三维信息留取与展示、整体监测起着举足轻重的作用。通过BIM技术构建的三维模型可以记录与统计属性信息，便于古建筑三维信息管理与信息共享。

(2)基于点云数据的BIM模型构建具有可行性，尤其是在建筑遗产保护领域，点云数据可弥补古建筑BIM模型构建中图纸缺失的不足，BIM模型为属性信息管理提供重要手段。

(3)三维激光扫描技术和BIM技术相结合的古建筑信息表达方法，可以实现古建筑整体和构件的系统化、规范化和科学化管理。

4 结论

本文面向古建筑数字化保护中的关键难点问题——系统、科学地对古建筑三维信息进行留取与表达，分析并结合现代数字化保护技术在古建筑保护领域的应用优势，提出了一种基于三维激光扫描技术和建筑信息模型（BIM）技术的古建筑信息有效表达方法，并通过仿古亭子的实例，实现了基于点云数据建立BIM模型表达古建筑全生命周期信息，验证了该方法的可行性。本文方法可为建筑遗产的数字化留取、系统化表达和科学化管理提供重要参考。