基于三维激光扫描技术的青岛里院建筑街区保护研究

2021-11-09马歆宁隋玉正孙大鹏

青岛理工大学学报 2021年5期

马歆宁，隋玉正，孙大鹏

(青岛理工大学建筑与城乡规划学院，青岛 266033)

历史建筑及历史街区保护与修复是城市研究的热点问题，最初于1964年制定的《威尼斯宪章》[1]中制定了详细的历史建筑及历史地段的保护与修复准则，首次提出了历史建筑及历史街区的保护与修复准则性要求。

我国自改革开放以来，城镇化快速发展，大量历史建筑及历史街区逐渐消失，城市特色不断丧失，面临千城一面的“同质化”窘境。随着居民对城市特色文化需求的不断提升，历史建筑及历史街区的价值被人们重新认知，针对历史文化名城名镇名村街区及历史建筑的保护工作意见相继出台。2019年出台的《关于进一步加强历史文化名城名镇名村街区及历史建筑保护工作的意见》[2]进一步加强历史文化名城名镇名村保护，不断深化历史文化街区划定工作，强化历史建筑保护利用，并实施历史建筑测绘建档工作三年行动计划。青岛市政府已启动老城区申遗工作，老城区历史风貌保护工作已逐步开展。里院建筑街区作为青岛历史街区重要组成部分，具有较高的历史文化价值，对其进行保护尤为重要。长期以来，由于人们对里院历史街区的价值认识不足，大量里院已被拆除，里院建筑街区面临逐渐消亡的困境。为保护里院建筑街区，方便后期维护修缮，需要完善里院的各类资料信息。针对里院的历史信息资料采集还大多仅限于图纸、影像等二维信息，难以满足里院街区数字化存档需求。应用三维激光扫描获取的点云数据不仅可作为高精度、数字化的存档资料，也可以通过对点云数据处理，探索里院建筑街区的建筑风格及尺度信息规律，为日后里院建筑的维护修缮及异地重建等提供参考。因此，将三维激光扫描技术运用于里院建筑街区的保护和修复，对青岛历史街区的保护与修复具有重要的实际意义和参考价值。

1 三维激光扫描技术于历史街区保护中应用

激光扫描技术现已用于古建筑保护、文物考古、重要建筑物的施工质量评价、变形监测等方面。早期三维激光扫描技术应用于历史建筑的三维数据采集及建模方面，后期利用三维激光扫描技术获取古建筑三维信息，并建立古建筑数据库。近年来，三维激光扫描技术逐渐应用于近代历史建筑及历史街区数字化保护研究领域：程枭翀[3]以天津嫩江路原日租界街区为例，讨论了三维激光扫描技术于采集历史建筑濒危信息中适用性、操作性、安全性的优势，得到了嫩江路街区立面及建筑单体的三维点云模型及复原图纸；李敏珍等[4]以上海外滩历史建筑群为研究对象，在三维激光点云数据所获取的建筑物空间信息的基础上实施精细化模型重建并建立数字化档案，实现了历史建筑三维重建模型的多层次部件化管理；陈云波等[5]以昆明市文明街历史街区为例，探讨了历史文化街区三维点云数据采集的重点内容、精度要求和采集方法；化蕾等[6]利用地面激光扫描技术开展了客家土楼真实感、精细化三维建模的应用研究，对客家土楼损害情况的监测、恢复重建和虚拟展示等提供了高精度的数据支持；贺一波等[7]针对瓮城古城墙内侧包砌城砖的损失问题，结合三维激光扫描的方法，提出了一种扫描古城墙数据的实地采集方法并三维建模，将瓮城古城墙数字化。

尽管三维激光扫描技术在历史街区保护研究中得到应用，但对采集到的历史街区点云数据分析存在不足，大多止步于针对点云数据的逆向建模及数字化存档，没有对得到的建筑街区数据进行深入系统的研究，从中获取建筑重要信息及街区整体风貌尺度规律。本文以青岛市四方路里院建筑街区为例，将三维激光扫描技术与里院历史街区相结合，通过分析点云数据获取四方路里院建筑街区内建筑的空间尺度信息及建筑细部信息，对建筑的外部空间、内部空间及建筑风格等重要信息进行分析归纳，总结四方路里院建筑街区风格规律，并对独特有价值的建筑细部进行精细建模并建立数据库，以期对历史街区数字化保护相关研究与应用提供借鉴。

2 里院建筑街区三维点云数据获取

2.1 研究对象选取

本文选取四方路里院建筑街区(原大鲍岛区)作为研究对象，该里院建筑街区具有较高的历史文化价值：德国租借青岛后，对青岛城市进行详细的规划，于大鲍岛、台东镇、台西镇建设合院式住宅，其中以大鲍岛区最为典型，相关配套设施建设最为完善，道路、下水道及自来水等工程建设均代表当时华人居住区最高水平。大鲍岛区的里院建筑也是同时期合院式住宅中规格最高的，在建筑密度、层高及建筑形态等方面均有严格的规定，由于建造水平较高，建筑细部构件建造较为精细，具有较高的研究及参考价值。其次，该历史街区属于青岛现存保存最为完好的里院建筑街区：四方路里院建筑街区(原大鲍岛区)的里院建筑是青岛现存合院式住宅区中保存最为完好的，部分具有较高历史价值的里院建筑(如广兴里)已被政府统一征收并进行维护修缮，自行搭建的违章建筑均已被拆除，方便后期测量及数据采集等工作的开展。本研究实际测量范围为四方路里院建筑街区内东至济宁路、西至博山路、北至高密路、南至海泊路的三个块状街区，主要包含广兴里、鸿吉里、泰福里及立德里等具有代表性的里院建筑。

2.2 测站设置

通过前期实地勘测，分析里院周边环境条件并对架设站点位置进行布设规划。站点布设遵循以下原则：

1) 尽可能地减小扫描盲区或空白的出现，根据测区地形特征和测量对象的分布情况，考虑控制点和扫描测量仪安置位置的布设方案。

2) 同时注意观察测量对象的特点，在满足应用需求的基础上，合理安置扫描测量仪的位置，既能使测量数据包含测量对象的完整信息，又要尽量减少测站数目，以减少不同测站数据的拼接误差。

3) 站点布设还要考虑当地的交通情况，尽量避开、减少游人以及居民可能带来的干扰[6]。

测量过程中有以下难点：①由于里院建筑建造时日已久，周边道路宽度相对较窄，视野受限。②道路两旁车辆及树木等均对建筑立面有所遮挡，影响获取点云质量。③里院建筑内部年久失修，部分木质楼梯、廊道等腐蚀严重，无法满足仪器架设所需的条件。鉴于此，为保证点云质量及扫描信息完整度，里院建筑街区外立面扫描共架设 34个站点，其中广兴里建筑外部架设16个站点(图1)，其余两个块状街区架设18个站点(图2)。站点间相距10 m左右，每两个相邻站点覆盖的扫描范围保证30%以上的重合度。结合里院建筑街区内建筑结构复杂程度及相关测量仪器性能条件考虑，扫描精度设定为6.3 mm，利用标靶传递法进行站点定位及扫描。

图1 广兴里外部控制点布设点位

图2 鸿吉里等外部控制点布设点位

2.3 数据处理

通过外业现场数据采集得到里院建筑街区原始点云数据，对采集到的点云数据进行配准拼接、去噪简化处理，获得完整点云数据。配准拼接采用后视拼接法进行站点间相互拼接，对拼接好的点云进行人工去噪，从点云中提取影像资料。将处理好的点云数据封装为e57或LAS格式，通过Auto Recap将LAS文件导成Rcp格式，于点云处理软件中进行切片处理，于Auto CAD中提取建筑轮廓线及特征点、线、面，最后于Revit中建立三维模型(图3)。对于具有特殊价值的外立面细部进行精细建模，例如门窗样式、烟囱、门洞、券拱，以及外立面装饰性的壁柱等。

图3 里院建筑街区数据获取技术流程

2.3.1 里院建筑街区点云数据拼接

运用点云处理软件中的标靶传递法进行点云配准拼接及去噪处理(图4)，通过人工识别删除无意义的点云数据，得到里院建筑街区点云模型(图5—7)。

图5 里院建筑街区外立面点云影像(去噪后)

图6 广兴里外部三维点云影像(去噪后)

图7 泰福里外部三维点云影像(去噪后)

2.3.2 建筑街区立面信息提取

对获得的点云数据进行封装并于点云处理软件中进行切片处理(图8)，于Auto CAD中进行轮廓线提取及特征点、线、面绘制(图9)。

图8 北剖面点云信息提取

图9 北剖面复原图纸

2.3.3 里院建筑信息提取

结合点云模型及图面在Revit中进行建筑细节信息提取(图10)，通过对独特建筑细部构件进行精细建模，构建里院建筑数据库。

图10 广兴里复原

3 里院建筑街区风貌特征

3.1 里院建筑街区空间尺度特征

3.1.1 街区路网

通过点云数据处理，发现“棋盘式”的总体布局是该区域建筑布局的一大特色，道路把街区空间分割为约50 m×70 m的块状单元，院落的布局适应网格状的道路空间。“棋盘式”街区的产生源于德国殖民当局对大鲍岛区统一规划为棋格状的规整布置，区别于中国的“里坊制”街巷，是一种完全西方化的街区模式。“棋盘式”的小地块设计使得道路交通网变得较为发达，临街建筑可发展为商铺等商业建筑，丰富城市街道立面的同时也便利了居民的生活。“小地块、密路网”的设计理念与现代大体量的封闭式小区相比具有明显的优势：密集的路网可以很好地分散车流，极大地缓解了城市道路压力；小体量地块营造的街区环境更加舒缓，与大体量建筑产生的压迫感形成鲜明的对比。

3.1.2 建筑体量

通过对点云数据分析发现，里院建筑高度大约为10.2 m，建筑层数大多为三层。周边道路宽度(D)与建筑高度(H)的尺度比例约在1.0∶1.0～1.5∶1.0之间，较低的建筑密度及层高营造舒适的人行街道体验，低层高的建筑与街道形成“环抱式”的感官体验，使居住于此的人们对里院产生强烈的归属感，这也符合大多数里院建筑营造的外部空间感受(图11)。就里院建筑街区内建筑体量进行分析，一般一个块状单元内由三至四个里院拼接而成，而广兴里单个建筑就占据整个单元。与普通里院建筑规模进行比较，广兴里的体量可达到普通里院规模的三倍。大体量的建筑规模与功能需求存在一定联系，广兴里最初作为厂房设计建造，所以建筑本身的长度及宽度与一般里院建筑相比相对较大。

图11 建筑与街道尺度

3.1.3 立面形式

通过从点云数据中提取影像，获得里院建筑街区整体风貌信息。里院中西合璧的建筑风格，从立面形式上就有很好的体现，建筑立面广泛使用石材，主要集中在底部，既为了基础坚实，也使之产生稳重感。单就建筑拱形入口分析，拱形门洞上券心石的设计及门洞两侧堆砌的花岗岩立面装饰均是西式风格的体现。双坡屋顶的设计，坡度较缓，转角部位突起，强调其中心位置(图12)，坡顶上有老虎窗，既是采光需要，也是很好的装饰。坡顶隔一段距离往往有山墙面突起，以区别一个合院式住宅的界限坡屋顶，于沿街立面砌筑山花来突出重要的部位。诸如此类，均为西式风格的体现[8]，里院建筑本身“合院式”住宅的形式，则出自中国传统的四合院式建筑形制。

图12 拱形门洞点云细部

3.2 里院建筑空间尺度特征

3.2.1 平面布局特征

通过点云数据分析发现，广兴里平面结构为“回”字型围合布局。“回”字型围合院落空间布局是里院建筑常见的院落布置方式之一。广兴里“回”字型围合布局的基本空间形态与外部街道环境形成具有一定封闭性的私密空间，内部空间内聚性的围合院落又拉近了住户间的距离，促进了邻里间的情感交流。里院内部围合成的院落虽为公共空间，但其适应少量人活动的尺度，产生的安全感、可靠感，使其成为相对私密的空间。

一般里院建筑采用每层面积相同的平面布置方法，但广兴里所处地形高差较大，为顺应地势，一层平面设计相对较小，且一层房间均为地下室状态。广兴里二层、三层平面面积相差无几，符合大多数里院建筑平面设计规律；二层、三层平面均有连廊连接，同样遵循大多数里院建筑平面设计特点(图13)。连廊成为了居民的交往空间，使人们很容易地从小家私密的环境过渡到另一个较为开放的环境，这种类型的交往空间具有少量住户的公共客厅的作用，很容易推动交往的开放程度，从而加深熟知程度，形成互帮互助、远亲不如近邻的良好邻里氛围[9]。

图13 广兴里二层平面

3.2.2 房间布局特征

从房间结构布局来看，通过对点云数据提取得到的广兴里平面图分析发现，广兴里主要户型为面积约10～15 m2的单人间，由于里院建筑建造时期经济发展较为落后，居住人群主要为社会中下层群体，所以平面排列相对紧凑，采取“小开间”的户型设计。广兴里一层房间数最少且房间面积跨度最大：由于所处地形东高西低，一层房间大部分属于地下室，仅在内院朝向有门窗开设，采光通风相对较差，部分房间并不适合人居住，被用作储藏室或者厂房；又因内院面积较大，建筑本身层高较低，一层少数房间可以满足日常生活所需日照时间，这部分房间被作为居住空间来使用。广兴里二层与三层的平面面积基本一致，但二层房间数量不足三层的一半，因为二层沿街房屋均作为商铺使用，所以单个房间没有被分隔为多个较小的房间来使用。

从房间面积范围来看，大多数房间面积在10～15 m2，集中设置此类面积房间主要基于功能需求，就户型设计来看，一般单人间的面积约为10～15 m2，双人间的面积在20～25 m2，三人间的面积在40～45 m2；就房间功能而言，面积在0～5 m2的房间一般作为进门处的跨间及厨房使用，面积在5～10 m2的房间一般作为卧室使用，由于户型设计紧凑，面积在10～15 m2的房间一般兼具客厅、卧室等多种功能，类似于单身宿舍的设计。

3.3 里院建筑街区立面细部特征

3.3.1 门洞特征规律

广兴里门洞具有三种典型形式：第一种为拱形门洞，作为里院建筑的主出入口，由石质材料堆砌而成，尺寸最大；第二种为外部商铺门洞，此类门洞大多临街而建，多为石料、砖料堆砌而成，尺寸较前一种略小；第三种为住宅单间门洞，大多由砖木结构组成，并保留原始的木质门板，有个别门连窗的门窗式样，尺寸最小。由于广兴里内居民现已大都迁离此地，部分门洞存在门板丢失的现象。除去拱形门洞及外部商铺门洞，其他门洞均是木质门框，门框上大多没有装饰，仅漆以红色涂料达到装饰、防蛀的效果。

3.3.2 窗框特征规律

较于门洞形式的相对统一，窗框形式显得较为多样，在此总结两种窗框形式特征规律：第一种为里院外部立面常用的窗框形式，其形状整体趋向正方形，主要适用于开间较大的房间及沿街商铺使用；第二种为里院内部常用窗框形式，木窗形状多呈瘦长形，主要适用于面积较小的房间使用。窗框材质由木质和塑料两种组成，木质窗框因年代久远已不具备密封性，窗框上绿漆涂层已斑驳不堪，塑料材质的窗框属于近年来住户自行更换的，密封性和耐久性较木质窗框更胜一筹(图14、图15)。

图14 里院典型门窗大样

图15 广兴里点云影像

4 里院建筑数字化保护研究

针对四方路里院建筑街区内里院建筑的数字化保护工作的具体实施，最主要的工作是完善里院建筑的各项数字化信息，包括建筑实体信息、建筑文化信息、建筑设计信息、建筑施工信息等。收集相关建筑资料信息，并根据其数据形式将其分为二维资料信息及三维资料信息等。完善建筑实体信息数据、建立建筑历史信息档案、记录建筑现状情况是里院建筑数字化保护工作的三大主体。

4.1 完善里院建筑数字化实体信息

里院建筑的实体信息包括里院建筑实体布局、型制、空间、结构、材料、构造、色彩等信息，建筑规划图纸如建筑平面图纸、立面图纸、剖面图纸、建筑大样图纸等信息，及建筑建造工艺、技术手段、施工方式等信息。主要包含里院建筑实体、里院建筑规划图纸及里院建筑施工工艺三大类信息，实体信息反映了建筑本身固有的客观存在信息，是历史建筑最直接、最客观的信息类型。实体信息最主要的价值是可提取里院建筑真实可靠的基础信息数据，为里院建筑的保护与修复研究提供准确详实的基础资料。

4.2 建立里院建筑历史信息档案

里院建筑历经百年历史保存至今，经历了不同程度的维护修缮工作，每一次维护修缮工作的进行，都对其原始风貌有一定程度的影响，在某一角度上反映了维修时期的社会背景、文化内涵、民俗风貌等信息。因此，建立里院建筑的历史信息档案，为里院建筑的研究提供了新的视角和切入点。根据里院建筑的建造及维护历史时期构建信息分类，可以更全面地了解里院建筑的历史发展过程，也可逐一提出后期历史对里院建筑原有风貌的影响，以还原里院建筑的原始风貌。