数字测绘技术背景下古建筑测绘成果图绘制教学研究

(1.天津国土资源和房屋职业学院,天津 300270;2.天津天成华海技术有限公司,天津 300143)

古建筑测绘是一门专业性与技术性并重的专业技能课,实训环节主要教学流程为实地考察调研、现场勾画草图、校对尺寸、出成果图等,通常以目测估算及现场调查法现场勾画出需测绘建筑的立面图、平面图、剖面图及节点大样图等,再利用传统测量工具如各类卷尺、卡尺、垂球等测量及校对结构及典型构件尺寸,最终建模绘制成果图。但传统测量手段在绘制成果图时往往存在工作量大及精度低等局限性。目前,新型数字测绘技术可以将不同时期的古建筑形成数字资料,通过处理数字资料可形成古建筑测绘成果图,在降低了工作量的同时提高了绘图精度。其中,掌握处理数字资料的方法及快速准确地绘制古建筑测绘成果图是古建筑测绘工作中非常重要的环节,有利于古建筑的利用与保护及存档建档等工作。基于此,使学生学会数字测绘技术背景下古建筑测绘成果图绘制,在古建筑测绘课程教学及古建筑保护中都有着深远的意义。

一、常用数字测绘技术

(一)三维激光扫描技术

三维激光扫描技术改进了逐点采集数据的方法,能够自动连续获取数据,数据采集的效率大幅提高。三维激光扫描技术是三维激光扫描仪、配套的标靶球及配套软件共同工作以非接触激光获取古建筑外部及内部空间信息并形成数字化模型。标靶球摆放应根据工程实际情况确定具体数量及摆放位置,通过实测获取的数字化模型能够显示古建筑的平面、立面和剖面及节点大样等图形,如图1(a)所示,为古建筑成果图的绘制及建筑后期利用、保护、修缮、存档提供了依据。

图1 数字测绘模型图

(二)无人机倾斜摄影技术

在无人机快速的飞行过程中,通过改变不同的视角进行摄影测量,时而垂直时而倾斜成不同的视角可获得完整的古建筑屋顶及其周边的地形地貌;同时,各倾斜摄影相机能高效展开数据测量和影像采集。通过获取的影像再利用自动化模式技术及提取、贴纹理等操作快速构建出三维实景模型,建模时间被大大缩减的同时,既可精准地标出古建筑地理信息坐标,又能使房屋的顶部、外墙以及周边地形地貌等特征细化体现出来,如图1(b)所示。该技术不仅能够真实客观地反映被测建筑相关数据信息,同时搭配建筑物模型构建、地面三维激光扫描和空中三角测量等技术,生成真实的精细三维模型,同样可为古建筑成果图的绘制及建筑后期利用、保护、修缮、存档等提供依据。

(三)VR全景技术

虚拟现实技术可以实现身临其境的体验。在古建筑测绘领域,虚拟现实技术发展的一个重要方向就是VR全景技术。VR全景技术通过现场测绘人员全方位、全角度、全场景拍摄古建筑周边环境、立面造型、内部格局、屋架梁架等建筑要素为后期成果图绘制人员提供真实的全景影像,如图1(c)所示。由现场真实照片生成的全景影像更加细腻、逼真,有非常重要的参考价值,成果图绘制人员不到测绘现场亦可对建筑有更充分的了解,有助于后期成果图的绘制。

二、数字测绘技术背景下古建筑测绘实训课程教学设计

笔者所在学校的古建筑工程技术专业培养以古建筑修缮保护专业知识以及数字测绘技能为主,理想信念坚定,德、智、体、美、劳全面发展的古建筑保护修缮技术人员以及设计人员。培养掌握古建筑专业知识和技术技能,具有良好的人文素养、职业道德和创新意识,拥有精益求精的工匠精神、较强的就业能力、可持续发展能力、动手能力、执行能力、可塑性强的技能人才。古建筑测绘实训课程教学在专业目标的指引下侧重学生全方位发展,增强学生专业认同感和专业自信心,在帮助学生克服实践中产生的畏难情绪的同时积累专业知识。多年以来,笔者及其教学团队积极探索古建筑测绘实训课程教学方法,将数字测绘技术融入教学中,真正做到了将理论知识与实践密切结合。实训分为Z+F三维激光扫描仪及其他数字化测绘技术介绍、测绘外业、测绘内业、测绘成果图绘制等环节。通过教师讲解Z+F三维激光扫描仪构造及操作方法以及介绍其他数字测绘技术原理及优缺点,使学生在掌握三维激光扫描仪操作、标靶球摆放规则、软件使用等内容的同时,了解数字化测绘技术的发展历程及发展应用现状;通过测绘小组分配、仪器调试、布设测站、数字化模型采集等内容,使学生掌握利用三维激光扫描仪测绘点云数据模型、正射图形、建筑总平面图的方法;通过整理正射图形、数字模型尺寸数据并对未扫描处进行补测等内容,使学生掌握数据整理方法及各图纸之间尺寸关系,为成果图的绘制做准备;通过利用绘图软件绘制整套测绘成果图,使学生掌握绘制测绘成果图的方法,要求学生所绘图纸达到施工图的标准,为后期学习及就业打下基础,具体内容如表1所示。

表1 古建筑测绘实训课程设计表

三、数字测绘技术背景下古建筑测绘成果图绘制教学实施

(一)获取数字信息

外业测绘工作往往会在多项数字测绘技术结合下完成。三维激光扫描仪及其他数字测绘仪器提供所测古建筑的平、立、剖正射图形、正射数据信息、总平面图、点云数据模型、VR全景、价值要素照片等信息。绘制成果图之前综合读取以上数字信息,充分了解古建筑特点,理清建筑主要出入口及活动路线、建筑平面布局及各房间形状、门窗位置及形式开启方向、各立面造型特点、剖面图数量及剖切位置、大样图构造及位置等信息,然后将数字模型导入绘图软件。导入数字模型步骤如下:首先正确读取正射图形数据信息,图2所示为两款不同型号数字测绘仪器所提供的正射图像数字信息。图2(a)中可读取正射图形尺寸为17.8407m×20.0032m,图2(b)中可读取正射图形尺寸为43.7135m×12.277m。然后打开绘图软件,绘制已读取正射图形尺寸图并将正射图形导入绘图软件,将正射图形拉伸至与已绘制尺寸图同样大小。最后按照同样的方法导入所有正射图形。

图2 正射数据信息图

(二)绘制平面图

获取数字信息及将正射图形导入绘图软件后,首先绘制建筑平面图包括各层平面图、屋顶仰视图、屋顶平面图等。

1.轴网绘制

古建筑承重结构多为墙体或柱,应根据建筑承重结构特点定建筑轴网。以墙体为主要承重构件的建筑用墙体定轴线,多采用墙体中线为轴线,对于外墙也可根据建筑特点取距离内墙面120mm处为轴线。以木结构为主要承重结构的古建筑用木柱及柱础位置定轴线,根据开间及进深方向主要木柱排列情况,将木柱中线作为轴线绘制轴网。轴线之间的间距尽量做到间隔一致及符合建筑统一模数。一些年代较为久远的古建筑的墙体或木柱存在破损及歪斜情况,应加以说明并根据实际情况确定轴网,可打破间距一致及建筑统一模数的限制。

2.墙体、柱绘制

建立轴网后沿轴线绘制墙体及柱,绘制墙体应确定墙体厚度、偏轴距离、填充材料等信息。墙体材料可从点云数据模型、VR全景、价值要素照片中获取,相同材料墙体连接处应贯通,不同材料墙体连接处应有界限。绘制柱应确定好柱与轴线之间关系、截面形状及尺寸、柱及柱础材料等信息。古建筑中承重柱多为截面形状,为圆形的木柱,柱础为石柱础。绘制柱时应绘制柱外轮廓线及柱础外轮廓线并填充柱截面材料,柱与墙体相交处应修剪墙体图线。

3.门窗绘制

门窗绘制应确定门窗尺寸及定位尺寸、开启方式及方向等信息,门窗尺寸及定位尺寸应符合建筑模数统一要求,门窗的开启方式及开启方向可根据正射图形、点云数据模型、VR全景、价值要素照片等综合确定并绘制。

4.其他结构构件绘制

其他结构构件包括楼梯、台阶、散水、雨棚等,楼梯绘制应确定好梯跑数量及上下关系、踏步宽度及数量、有无扶手等信息。台阶一般出现在建筑首层平面图出入口处,绘制时应确定台阶位置、踏步数及长宽尺寸。散水及雨棚绘制时,在建筑首层平面图绘制散水,正确绘制散水的形状及宽度,在二层平面图中绘制雨棚,正确绘制雨棚汇水区域及排水坡度。

5.尺寸、文字及其他标注

尺寸标注应详细,外墙标注三道尺寸,即门窗定位尺寸、轴线间尺寸及总尺寸,内部主要结构构件尺寸及定位尺寸应单独标注,比如柱及门窗等。文字标注应注写图名及比例、房间用途、地面主要材料、主要出入口及其他文字说明。其他标注如标高、剖切符号、指北针等,如图3(a)所示。

图3 古建筑测绘成果图

(三)绘制外立面图

所有楼层平面图、屋顶仰视图、屋顶平面图绘制完成后开始绘制立面图。

1.确定标高

根据建筑立面图正射图形和建筑剖面图正射图形综合确定建筑标高,将首层室内地面标高定为±0.000。在绘图软件中将所有与标高有关的正射图形依此排列,绘制通线并调整正射图形上下位置,将不同图形中同一构造位置对齐,确定室外地面标高、室内地面标高、建筑各楼层标高、建筑檐口标高、建筑屋顶标高等主要标高。

2.建筑外轮廓线的绘制

建筑外轮廓线包括室外地坪线、定位轴线、外墙轮廓线、屋顶线等。简略测绘立面图中定位轴线只要求画出房屋两端外墙的定位轴线及其编号以便与平面图对照;全面测绘立面图一般要求绘制出所有定位轴线及编号,包括具体尺寸数据,外墙轮廓线与平面图对应画出其与屋顶线,用粗实线绘制。

3.外立面元素绘制

先将外立面图中的细部如雨棚、屋顶、门窗洞口、檐口等的外形轮廓画出,再按照正射图形、VR全景、价值元素照片等绘制窗扇、墙面格线等细节,另外墙面及屋顶应按实际材质进行材料填充。

4.标注

标注各外立面主要部位竖向尺寸及标高,建筑两侧从下向上标注室外地坪标高、室内地坪标高、各层高标高、檐口标高、屋顶标高,立面图上绘出的门窗、洞口、雨棚、阳台等竖向定位尺寸及标高单独标注。标注立面墙体装饰做法、屋顶材料及破损情况,墙体装饰做法可引用图集或在原位直接标注,如图3(b)所示。

(四)绘制剖面图

主要根据正射图形、剖切位置示意图绘制剖面图。首先,确定标高:剖面图标高的确定应在绘制立面图时完成,确定方法可参考绘制建筑立面图内容。然后,绘制建筑轮廓线:画定位轴线、室外地坪线、室内地坪线、墙身轮廓线、各层楼面线和屋面线等,画法与立面图中建筑外轮廓线画法基本相同。第三,绘制剖面要素:剖面图剖到的室内地坪、楼板厚度、顶棚、梁架、墙体、屋顶等构件应详细表达。古建筑中屋顶承重结构多为梁架结构,梁架构造绘制是剖面图绘制中非常重要的一项内容,确定各梁、柱之间的架设关系及柱、梁、檩条、椽子等尺寸以便于绘图,剖切到的墙、楼板、梁、柱等构造应进行材料填充。第四,标注:建筑两侧标注同立面图要求基本一致,剖面内部门窗、梁、檩条、椽子等标高单独标注。标注楼板构造组成及屋顶构造组成,标注详图索引符号,剖面中需绘制详图部分加详图索引符号。如图3(c)所示。

(五)绘制大样图

根据大样图正射图形、VR全景、价值要素照片等绘制大样图。首先确定大样图在建筑中的具体位置,再利用VR全景、价值要素照片绘制大样图,最后核对大样图尺寸完成绘制。大样图绘制时图示内容务必详细清楚,在古建筑测绘中大样图多为门窗详图、梁架详图、牛腿详图、柱及柱础详图等,例如,门窗详图应绘制出窗棂、抹头、裙板及上面花纹、绦环板及上面花纹、边梃等图示内容,并将尺寸标注齐全,除此之外还应画出门窗横向及竖向剖面大样图,大样图详图符号应与被索引的图样上的索引符号相对应。

四、结语

通过古建筑测绘实训,学生接触到了前沿的数字测绘技术,进一步巩固了测绘外业知识的同时,掌握了测绘外业与内业的衔接及成果图绘制的方法。学生成果图绘制更规范、更快速、更准确、更细致,无形中培养了学生的工匠精神。除此之外,通过小组合作培养了团队意识、通过企业教师现场指导渗透了企业的文化和职业要求,有利于学生职业素养的培养。