信息化技术在上海玉佛禅寺大雄宝殿平移顶升工程中的应用

谷志旺（上海建工四建集团有限公司，上海 201103 )

随着我国经济发展的转型，城市建设与文物古建筑保护的矛盾开始显现。在城市建设高质量发展的同时，如何更好地保护古建筑已成为亟待解决的重要问题。工程实践表明，古建筑整体移位技术是解决上述问题的有效方法。将古建筑整体移位到规划目标位置，既可以完整地保护古建筑的原始风貌，又可以满足城市发展的总体需求。但是，建筑在整体移位过程中可能会出现材料开裂、构件或结构整体变形等影响结构安全的情况。因此，需要在建筑移位过程中对建筑物的结构状态实施有效监测。

传统的监测技术仅能反映建筑物局部的受力和变形状态，缺乏对建筑物整体的直观展示。随着建筑信息化管理（BIM）技术的发展，可采用多种计算机建模技术对建筑建立三维模型，且能实现建筑信息的在线集中管理。在建筑移位过程中，将监测数据与 BIM 平台进行融合，不仅可以实现对不同工况下建筑物结构状态的实时跟踪和展示，还有助于将局部监测数据用于结构整体的安全分析，提高管理效率。本文结合上海玉佛禅寺大雄宝殿整体移位工程，介绍了基于物联网和 BIM 的远程智能监控平台及其关键技术。

1 工程背景

上海玉佛禅寺位于上海市普陀区安远路 170 号。随着城市发展，庙宇建筑群的平面规划暴露出消防不利、交通拥堵、建筑结构损坏、人员高密度集聚等多重安全隐患，需要对平面规划进行调整。寺院决定将大雄宝殿进行整体移位，移位实景如图1 所示。

图1 大雄宝殿移位实景鸟瞰图

此举不仅可以消除上述隐患，还可以增强建筑群的空间层次感，且有利于对大雄宝殿进一步修缮。大雄宝殿移位的要求如下：大雄宝殿水平移位 30.66 m，向上提升 0.85 m；大雄宝殿殿内佛像随主体结构整体移位。

大雄宝殿是一座木结构建筑，有着近百年历史，被列为上海市二类优秀历史建筑。大殿平面呈长方形，东西向长24.00 m，南北向宽 18.34 m，殿高 18.20 m。宝殿主体结构为木框架结构，节点为榫卯连接，两侧砖墙仅起围护分隔作用。殿内供奉佛像共 23 尊，均为泥塑佛像。

2 技术难点和主要创新点

2.1 技术难点

为提升工程管理效率，需要对大雄宝殿及其周边环境建立三维模型，并融合施工设施和监测系统，建立模型可视性好、数据交互性强、易于管理的远程智能监控平台。建立智能监控平台的主要技术难点如下。

（1）建模对象规模较大，精细化程度要求高，且原始建造图纸缺失。为实现对大雄宝殿整体移位全过程的有效监控，需要对大雄宝殿及其周边环境和建筑建立三维模型。大雄宝殿几何形态较不规则，且殿内具有较多佛像、雕塑等几何形态极为复杂的装饰物，因此对模型精细化要求较高，建模工作量较大。同时，大雄宝殿的原始图纸缺失，需要通过大量的现场测量完成构件空间和几何信息的捕捉。

（2）模型数据体量较大，难以进行网络化应用。以规模较大、形态复杂为对象建立的三维模型，通常具有较大的数据体量，难以满足模型数据在网络上快速传输的要求。

（3）监测对象较多，需要更加高效的管理模式。工程监测对象包括大雄宝殿的主体结构、内部佛像等装饰物以及建筑移位动力系统等。传统的监测技术不仅难以集中管理多种检测对象的数据，并且在三维视图中难以直观地查看施工工况和监测数据，因此降低了管理效率。

2.2 创新点

针对以上技术难点，本文提出以下创新点。

（1）基于多源数据的古建筑建模技术。根据建模对象的结构重要性和几何复杂性，将大雄宝殿、内部装饰和其周边环境分开建模，分别选取不同的测量方法获取几何信息。在保证模型具有足够精度的前提下，提高建模效率，并最终将多种方法建立的模型融合为一体。

（2）面向网络应用的模型轻量化技术。通过多种方法，有效减小模型的数据体量，达到网络应用的要求。其中贴图替代复杂曲面的方法非常适用于古建筑模型的轻量化。

（3）基于物联网和 BIM 的远程智能监控平台。该平台将实时监测信息与 BIM 管理系统相结合，不仅可以在四维空间中展示工程进度，还可以对监测数据智能分析。当监测数据超出预警值时，监控平台会生成报警消息，并根据报警等级将报警信息推送给相关负责人，从而有效地提升了工程管理效率。

3 基于多源数据的古建筑建模技术

3.1 建模流程

根据大雄宝殿组成部分的结构重要程度和几何形态复杂程度，采用不同方式获取几何信息，并通过不同的软件进行建模。建模流程如图2 所示。

几何形态规则适合采用 BIM 软件建模，并且大雄宝殿的木框架构件和整体移位设施对结构安全至关重要。大雄宝殿的外立面及内部佛像分别起维护和装饰作用，其几何形态极为复杂。为节约人力和时间成本，可以采用三维激光扫描建模。大雄宝殿的周边环境规模较大，仅起视觉辅助作用，对模型精度要求较低，宜采用倾斜摄影建模。最后，将不同数据来源的模型融合为一体，形成完整的大雄宝殿及其周边环境的三维模型。

3.2 建模技术

（1）BIM 软件建模。根据工程测绘图纸应用 BIM 软件对大雄宝殿木框架结构进行建模，并根据施工方案建立上托换装置、上托盘梁体系、下滑道梁体系和移位动力系统模型，如图3 所示。

图3 BIM 软件建模

（2）三维激光扫描建模。大雄宝殿外立面包含大量构件，空间关系复杂；内部装饰包含佛像、佛台、墙壁浮雕、廊柱和屋顶壁画等艺术作品，几何形态复杂。对外立面和内部装饰直接建模将耗费大量的人力和时间成本，而如果采用三维激光扫描技术可以快速获取外立面的几何信息，且模型精度较高。采用三维激光扫描建立的大雄宝殿外立面模型，如图4 所示。

图4 外立面三维激光扫描模型

（3）倾斜摄影建模。倾斜摄影技术适用于对大规模建筑群的顶部及外立面的快速建模，且可以捕捉表面纹理。相比于 BIM 软件建模和三维激光扫描建模，倾斜摄影技术模型精度略低，但建模效率较高。采用倾斜摄影技术对大雄宝殿的周边环境和建筑的顶部及外立面建模，如图5 所示。

图5 利用倾斜测量技术对大雄宝殿周边环境建模

3.3 多源数据模型融合技术

通过以上多种建模方式，对大雄宝殿的各个组成部分及其外部环境的分离建模已经完成，但仍需将这些模型融合为一体。由于获取几何信息的方式不同，各模型间存在多种差异，如坐标系基点、模型比例、模型精度和文件格式等存在差异。通过坐标变换的方式可以统一模型间坐标系基点和比例。采用 MeshLab 软件对三维激光扫描模型和倾斜摄影模型的精度进行调整，最后采用 3DS MAX 软件对各个模型进行融合，并以 FBX 格式存储，如图6 所示。

图6 多源数据融合模型

4 面向网络应用的模型轻量化技术

为了将模型用于网络传输，需要将模型轻量化。模型轻量化主要通过合并构件、减少面片和贴图替代复杂曲面 3 种方法实现，如图7 所示。

图7 模型轻量化流程图

其中，以贴图替代复杂曲面的方法非常适用于古建筑模型的轻量化。佛像的原始模型通常具有较多面片，为保证模型在减少面片后仍具有较好的视觉效果，需借助基于物理效果渲染而成的贴图表现原始模型的凹凸、色彩和纹理等信息。大雄宝殿牌匾贴图前后的模型，如图8 所示。

图8 大雄宝殿牌匾模型

将模型轻量化技术应用于玉佛禅寺大雄宝殿整体移位工程中，可以有效缩减大雄宝殿及其周边环境的三维模型数据体量。初始数据体量约为 1000 MB，通过上文提出的模型轻量化技术，最终将数据体量减小到 20 MB，即原始模型的1/50，从而满足了模型网络化应用的要求。

5 基于物联网和 BIM 的远程智能监控平台

5.1 平台架构

基于 BIM 和物联网的远程智能监控平台由 2 部分组成，分别为基于物联网的监测系统和基于 BIM 的管理系统，两系统之间通过云端数据库进行数据交互。

5.2 基于物联网的监测系统

基于物联网的监测系统由 4 个模块组成，分别为监测传感器模块、数据采集模块、数据处理模块和通信模块。其中，监测传感器布置在大雄宝殿的木框架结构和殿内重要文物上，实时采集结构和文物的变形、位移和倾斜等重要信息。另外监测传感器还布置在移位动力系统中，监测移位动力系统的工作状态。数据采集模块用于收集传感器传来的信息。数据处理模块对检测数据进行处理和分析。通信模块将分析后的数据发送至云端数据库，考虑到场地布线困难，数据通过 4G 无线网络传输。

5.3 基于 BIM 的管理系统

基于 BIM 的管理系统由 4 个模块组成，分别为监测数据集成模块、云端服务器模块、数据驱动模块和客户端模块。监测数据集成模块是在 BIM 模型的基础上建立监测数据与BIM 模型中监测对象的对应关系。云端服务器模块是将监测数据与预警值进行对比，当监测数据超出预警值时，生成报警消息，并根据报警等级将报警信息推送给相关负责人。同时，BIM 模型中测点所处位置也会以闪烁的方式报警。数据驱动模块将监测数据实时地反映在三维模型的空间位置变化上，即在四维空间中展示施工状态。客户端用于展示监测数据和四维施工状态，用户既可以漫游观察，也可以通过浏览器和微信分享客户端。

在上海玉佛禅寺大雄宝殿移位工程中应用基于物联网和BIM 的远程智能监控平台，具有模型真实感强、监测数据查看方便等优点。同时，通过监测数据驱动模型实现了工程进度的四维展示。可见该平台具有较好的网络传播性。

6 结 语

本文以上海玉佛禅寺大雄宝殿整体移位工程为背景，介绍了基于物联网和 BIM 的远程智能监控平台及其关键技术。该平台具有模型精细化、数据轻量化和管理智能化等显著特点。根据古建筑的结构特点和几何形态特征，采用多种方法获取建筑的几何信息并建立三维模型及多种模型轻量化方法，减小了模型的数据体量，使其满足网络应用的需求。

基于物联网和BIM 的远程智能监控平台将监测系统和管理系统融合起来，实现了高真实感模型查看、监测数据驱动模型、四维工程进度展示和易于在线查看等重要功能，保证了大雄宝殿整体移位的主题结构和内部装饰物的安全，并为管理者提高管理效率、降低管理风险提供了有力支持。