基于BIM技术的岭南传统民居数字化建设

孙方婷，许志坚，杨远丰

引言

在中国经济步入新常态的大背景下,数字信息技术的加速创新和深度应用成为了经济社会转型升级的巨大内生动力[1]。随着社会发展与进步，建筑文化遗产的还原保护与传承利用愈加受到人们的重视。目前，在建筑文化遗产保护中出现了很多心技术，其中建筑信息模型（BIM）技术最受关注[2]。建筑信息模型（BIM）技术是新兴的数字化、信息化技术，通过包含建筑各种信息的三维模型，可完整记录建筑物的空间与构件信息，是岭南传统民居建筑记录与保护的数字化建设理想的技术手段[3]。同时，可以进一步对岭南传统民居建筑的三维数字化信息模型的信息进行数据分析，开展必要的科学实验，如对岭南传统民居建筑通风、采光的实验分析等；还可以进一步将数字化信息模型置于互联网虚拟模拟技术的云平台，提供给人们进行虚拟的现实体验。

1 岭南传统民居的数字化构建

岭南传统民居建筑的发展历史悠长，具有独特的建筑风格与装饰艺术，体现着强烈的岭南文化特色，其丰富的历史、艺术、科学价值是我国重要的建筑遗产。随着数字化时代的到来，对于岭南传统民居建筑的保护与传承得到日益重视，相比于现代建筑其复杂形体的具体信息难以基于少量二维信息进行全面描述,这使得古建保护工程中基于古建筑图纸重建三维模型面临着重大难度[4]。岭南传统民居建筑资源的数字化构建正当其时。

岭南传统民居建筑数字化技术的构建和应用，是当前文物保护及文物环境保护的一个新课题，非常有研究的价值。

不言而喻，用BIM技术建立岭南传统民居建筑的三维数字化信息模型，记录建筑外部与内部的空间信息及构件信息，其所承载的信息量是以往二维影像或图纸所无法比拟的。

图1 薛岳故居三维扫描数据模型

图2 薛岳故居BIM数字化信息模型

图3 薛岳故居CAD二维图纸

BIM技术建立起来的岭南传统民居建筑的三维数字化信息模型，与其他三维建筑绘图软件如3D Studio 或Sketch Up 草图设计大师等建立起来的三维模型的区别在于三维数字化信息模型内可蕴涵的大量建筑信息。用BIM技术常用绘图软件Revit建立起来的三维数字化信息模型，可以进一步在模型上注入岭南传统民居建筑详细信息，如点击民居模型的墙体，可获得墙体的宽度、高度和厚度三维尺寸，甚至可获得墙体的砌筑方式、墙体所用材料和用量等详细信息。

用BIM技术整理形成的岭南传统民居建筑数字化信息模型的资源，可为科研、教学及公众传播提供便利，为岭南传统民居建筑保护与传承提供基础支持[5]。

2 BIM数字化构建技术研究

2.1 数字化构建的技术路线

BIM技术以软件、硬件、系统集成开发为一体，承载了乡镇建设的数据和资源[6]，为了对建筑遗产进行保护和传承，需要获得现存岭南传统民居建筑的基础资料，这是BIM数字化构建技术的第一步。

以往获取岭南传统民居建筑的基础资料的方式是采用现场实测和拍照记录，并依据现场实测的数据和照片绘制测绘图纸。这种方式效率低，人工户外工作量大，不精确，不全面，容易造成信息的错漏[7]。

随着三维扫描技术的成熟，传统的人工测绘和拍照记录等方法已逐渐向三维扫描、倾斜摄影、照片建模等新技术为代表的建筑逆向（RE，Reverse Engineering）技术过渡[8]。RE技术拥有快速、精确、人工操作少，记录全面等优势，因此是未来发展的趋势。

基于上述获取既有建筑数字化信息途径的分析，形成两条数字化构建的技术路线，并应用于岭南传统民居数字化应用。

第一条数字化构建的技术路线：CAD技术将历时建筑保护从传统的手工绘图中解放出来，伴随着计算机虚拟等技术的普及，可以说是历史建筑保护领域的第一次数字技术飞跃[9]。第一条技术路线正是采用这种方式进行，通过人工实测传统民居；整理获得二维基础数据；绘制CAD传统民居二维图纸；建立传统民居BIM数字化信息模型。

第二条数字化构建的技术路线：采用全息影像测绘仪实测传统民居；整理获得三维基础数据；将全息影像测绘仪实测的数据导入三维建模软件Revit；建立传统民居BIM数字化信息模型；自动生成传统民居CAD二维图纸。

2.2 数字化构建技术的研究实例

依据上述两条不同的岭南传统民居建筑数字化构建的技术路线，分别选用一个研究实例，对岭南传统民居建筑的数字化构建技术进行分析和研究。

以深圳大鹏所城的郑氏司马第传统民居为例，遵循第一条数字化构建的技术路线，建立该传统民居的BIM数字化信息模型。

首先对该传统民居进行实测，获得深圳大鹏所城郑氏司马第平面、剖面和各个立面以及包括屋面、房屋细部在内的二维基础数据，然后整理获得的二维基础数据。采用CAD二维软件绘制郑氏司马第传统民居的CAD二维图纸（图1），再将CAD二维信息连接到BIM软件Revit，建立郑氏司马第传统民居BIM数字化信息模型（图2），最终将形成的CAD二维图纸与BIM数字化信息模型归档。

选择薛岳故居作为第二条数字化构建技术路线的研究对象, 该技术路线是通过三维扫描技术构建传统民居BIM模型的方法。

图4 民居BIM数字化信息模型例

薛岳故居的三维扫描数据由室外、室内两部分构成。室外通过大疆无人机进行倾斜摄影，采集到220个网站数据；室内通过德国施纬达三维扫描仪，采集到63个网站资料；再通过施伟达云资产可视化管理平台，进行后期处理，利用云集群大资料CUDA计算技术，根据多视觉图像拟合技术，整合于一体，形成完整的采集数据（图3）。

为了将全息影像测绘仪实测的点云数据导入三维建模软件Revit中进行BIM建模，整理薛岳故居完整的三维基础数据后，再经过点云数据的格式转换、点云坐标调整及校正、设定轴网及楼层标高等一系列步骤，建立起薛岳故居的BIM数字化信息模型（图4）。

从资料保存的完整性角度考虑，仍需要二维的绘图作为数字化建设的一个重要内容。从BIM模型中，可以很方便地生成平面、立面、剖面等建筑图纸，只需在Revit软件中设置所需视图，简单标注即可。最后的步骤是将薛岳故居的BIM数字化信息模型在Revit软件中进行操作，自动生成CAD二维图纸（图5），最终将形成的建筑CAD二维图纸与BIM数字化信息模型归档。

2.3 对研究实例的分析

第一条数字化构建的技术路线，即通过人工实测传统民居，整理获得二维基础数据，绘制CAD传统民居二维图纸，再建立传统民居BIM数字化信息模型的技术路线，实质上是一条建立在传统测量方式基础上，从二维数据到三维数据的技术路线。

作为一种构建BIM数字化信息模型的逆向建模方式，第二条数字化构建的技术路线，即采用全息影像测绘仪实测传统民居，整理获得三维基础数据，再将全息影像测绘仪实测的数据导入三维建模软件，建立传统民居BIM数字化信息模型，最后自动生成传统民居CAD二维图纸的技术路线，实质上是一条采用全息影像测绘仪实测传统民居先进技术，从三维数据到二维数据的技术路线。

无论选用哪一种获取现存传统建筑的数字化信息途径，最终都可以通过数字化构建技术，建立起岭南传统民居建筑数据信息化模型。但是，通过第一条数字化构建的技术路线，即用人工的测量方式建立岭南传统民居建筑数据信息化模型的方式，在获取现存传统建筑的数字化信息途径方面显然是落后的。而通过第二条数字化构建的技术路线，即用全息影像测绘仪实测传统民居建立岭南传统民居建筑数据信息化模型的方式，才是有推广价值的。

显然，与传统的测量方式相比，全息影像测绘仪实测的倾斜摄影及三维扫描数据具有采集速度快、采样频率高等优势，对于古建筑、传统民居、保护建筑等类型的建筑数字化构建有明显的优势[10]。

但是，全息影像测绘仪实测的点云数据具有高冗余、误差分布非线性、隐蔽部位难以采集等特点，给海量三维点云的智慧化处理带来了很大的困难：一是多视角、多平台、多源的点云数据难以有效整合[11]，限制了数据间的优势互补，导致复杂场景描述不完整；二是复杂对象模型结构和语义特征表达困难，模型可用性严重受限，极大地限制了复杂场景的准确感知与认知。

根据点云及影像数据建立BIM总体模型, 再根据点云及影像数据对模型的细部进行补充完善，包括内部的框架梁及桁架，房间的顶棚等其余构件及细部。

这种方式建立的BIM模型可以实现较高的还原度，尤其在整体定位尺寸方面，可以做到较为精准，对于传统民居及古建筑的研究均有较高的价值。

尽管测绘行业已经有对点云数据进行逆向建模的研究，但仍停留在将点云转换为三维面片模型的阶段，目前尚未有自动、批量将点云数据直接转化为结构化BIM模型的技术。

3 构建技术的拓展应用

在建立的岭南传统民居BIM模型数字化资源的基础上，同时可建立基于互联网虚拟模拟技术的云平台，将各传统民居类型的BIM模型导入，读者可直接用手机扫二维码，进入云平台浏览相应的传统民居BIM模型，即可通过指端触摸、虚拟漫游的方式对岭南传统民居进行身历其境的浏览体验。

将BIM技术、虚拟模拟技术、网页3D模型浏览技术相结合，实现通过互联网浏览BIM模型，使研究人员或公众可以在虚拟的三维空间以人的视角直观、生动地观察岭南传统民居的内外部结构，浏览、体验建筑空间。

原生的BIM模型需要专门的软件来浏览。为了更方便地进行模型的浏览、分享，一般通过将BIM模型发送到云端的分享平台来进行。这些平台会对BIM模型进行轻量化的格式转换，再在网页端显示。其主要用途除了用于BIM模型展示，往往还用于多方基于BIM模型进行工程协作，因此一般称为“BIM协同平台”。目前行业内有多种BIM协同平台，其底层技术主要为通过WebGL技术将模型显示在网页端,解决用户在Web端的模型浏览和信息管理问题，而且目前WebGL技术在模型分析，动画处理，信息化等方面具备了足够的稳定性和实用性，能很好应用于建筑领域[12]。

随着大数据与云计算的发展，建筑数字化技术的应用使岭南传统民居BIM模型数字化构建成为现实，而在数字化构建技术的拓展应用方面更是在迅速发展（图6）。大众可以随时登陆网页、手机移动端看到古建筑和传统民居的形态、数据与发生在其中的动人故事。由其针对偏远的传统聚落空间其拥有的语汇语素，通过建筑数字化应用技术，传统聚落空间的基本要素如营建材料、工艺和结构系统的传承都能很好的展现在用户的面前[13]。古建专家也不需要再受舟车劳顿之苦，通过云端数字库便可以进行实景现场勘探与修缮方案模拟、设计、造价评估等，大大缩短了岭南传统民居的修缮流程，节省了宝贵时间与提升了效率。

在建筑信息资料归档和合理使用方面，建筑数据信息化模型解决了二维图纸归档、检索、呈现、资料整理一体化的难题，使建筑信息资料得到更广泛地使用。

结语

将BIM技术应用于岭南传统民居建筑数字化建设是一项保护和传承岭南传统民居文化的创新方式。用全息影像测绘仪实测传统民居获取民居数据信息，构建BIM数字化信息模型的逆向建模方式是有研究价值的，有必要进行更深入的研究，特别是在自动、批量将点云数据直接转化为结构化BIM模型技术的研究。

基于BIM技术的岭南传统民居数字化建设的重要内容，除了建立起总体的三维BIM模型外，还要进一步在BIM模型上注入岭南传统民居大量的建筑技艺数据信息，还要进一步使BIM模型精细化，在建模过程中建立起岭南传统民居装饰构件库。

目前针对全息影像测绘仪实测传统民居建立岭南传统民居建筑数据信息化模型和拓展应用的各项技术都取得了初步成效，如倾斜摄影、3D激光扫描、3D打印、创建BIM模型、点云数据与虚拟BIM模型的对比、三维模型导出二维图纸、属性的赋予、材质的记录、云端数字库建立、二维码技术、移动端实时呈现等等，随着建筑数字化技术的发展，上述各项技术将得到不断提高。

图片来源

文中图片均由作者绘制。