(1.郑州大学 建筑学院,河南 郑州 450001; 2.河南云跻数文信息科技有限公司,河南 郑州450000)
(1.School of Architecture, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.Henan Yunji Shuwen Information Technology Co. Ltd., Zhengzhou 450000, China)
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2023.03.010
历史街区保护是一项涉及综合性信息管理复杂工作,需要进行大量历史资源地理信息数据的收集、处理和分析,基于传统的工作方式难以满足其复杂的保护需求[1].
随着数字化技术的推进,为历史建筑保护工作提供了新方法、新机遇.BIM技术、GIS技术被运用于古建筑[2-3]及历史文化名城[4]保护中,其中,BIM技术主要应用在古建筑构件及单体的层面,GIS技术在古建筑保护上主要表达为二维GIS,无法表达真实世界及建筑在Z轴上的分层分级信息.部分研究将BIM与3D GIS的结合应用在古建筑保护工作中[5-7],实现了在三维GIS 环境下共享 BIM 模型,现有研究尚未将此技术方法应用在历史街区保护工作中并进行系统归纳总结.
由此,以BIM和3D GIS技术为基础,并结合使用倾斜摄影、BIM模型轻量化等技术方法,对历史街区三维空间信息模型搭建的流程做出了梳理,并以滑县道口镇顺北街区为例,搭建了在3D GIS环境中实现共享的顺北街区空间数据库,为历史街区的数据储存、三维可视化展示以及空间分析提供了载体.
历史街区三维空间信息模型搭建方法的技术流程如图1所示.
图1 历史街区三维空间信息模型构建技术流程
Fig.1 Technical flowchart of constructing 3D spatial information model of historical blocks
采集工作主要使用对比传统测绘方式更加高效便捷的倾斜摄影的技术手段并结合现场调研,将采集的无人机倾斜摄影数据进行空中三角测量计算后,得到OSGB格式的倾斜摄影三维实景模型,精度与实际尺寸误差范围为1～2 cm,作为街区三维建模的主要数据参考来源.
(1)区域现状图纸整理:从相关规划部门得到规划图纸,结合倾斜摄影实景模型调整,并整理图纸中街区内的高程点、建筑院落范围、建筑的结构形式(如砖混、砖木等)等.
(2)区域划分及建筑编号:根据历史街区的边界以及街区内道路结合巷道肌理、院落布局等,将街区进行划分,并对每个区域以及建筑单体编号以便于后期建模的协同工作.
(3)建筑分类:结合标准规范[8-9]以及实地调研,可将历史街区内的建筑按照建筑风貌分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四类建筑(分类标准详见表1).
(4)建模标准制定:根据建模标准[10-11],制定顺北街区的信息模型细化到LOD300,即施工图设计阶段,各部件建模标准如表1所示.
表1 各部件建模标准
Tab.1 Modeling standards for each component
历史街区的模型搭建主要有建筑和市政设施以及地形三个部分.
在载入底图定位的基础上,参照三维实景模型的信息,对历史街区内不同等级的建筑进行模型搭建.根据建筑分类,不同等级的建筑对应不同的建模流程,主要体现在I、Ⅱ类建筑的构件及外装饰层形式特殊,需要针对其样式新建族库插入.完成的建筑模型以链接形式汇总预览,以最小化占用电脑内存,通过服务器实现多人协作并实时检查模型中出现的问题并及时调整.
历史街区的市政设施主要有道路景观、地下管网和其他设施三个部分,需要各专业协同工作完成.其中道路景观部分的模型搭建需要整合场地中道路边界及其高程点,后期根据倾斜摄影定点插入景观族库; 地下管网的模型搭建工作需要先整理各专业相关管道图纸,并对各专业管道模型链接汇总进行碰撞检查以优化模型; 其他设施主要包括垃圾箱、路灯等公共设施,需要根据现状设施样式搭建族并定点插入.
整合历史街区的高程点数据,生成街区地形的实体模型.
BIM和3D GIS两者的结合有利于历史街区场景的复原,通过自行研发的BIM插件,并借助数据集成系统作为3D GIS平台,完成两者的结合.在平台中载入OSGB格式的倾斜摄影模型等数据,并建立建筑、市政设施及地形等各专业目录.
将各专业的BIM模型轻量化导出为HIM文件,通过对原BIM模型的三角面简化、提取模型外壳和简化或删除子对象的方式减小BIM模型的体量[12],不仅会减少模型所占内存,还做到了不丢失BIM模型的信息,通过入库工具将所有建筑模型依次导入到对应专业目录中,得到基于BIM和3D GIS技术的历史街区三维空间信息模型.
道口镇位于安阳市滑县西北部,是隋唐大运河永济渠段重要的历史城镇,2013年道口镇被授予“国家级历史文化名镇”,2014 年作为隋唐大运河滑浚段典型的历史城镇被列入世界文化遗产名录.
滑县道口镇顺北街区内传统“街+巷+院落”格局保存完好,为“三街十四巷” 的格局肌理,主要街道沿运河走向设置.街区内建筑年代最早可追溯到清代,多为一到两层的砖木混合结构,现存建筑风格参差不齐.街区内主要有住宅和商铺两种业态,其中住宅主要沿胡同分布,商业集中沿顺河北街分布,保留有头铺武馆、头铺青狮全会、二郎神庙和清真寺等非遗场所.
使用精灵4RTK无人机进行航飞采集道口顺北街区的倾斜影像,设置无人机的飞行路线(如图2所示),对顺北街区进行针对性抵近飞行摄影,起飞点的坐标为经度为114°; 30°; 17.81°,纬度为35°; 35°; 2.10°,飞行高度控制在36 m以下,航向及旁向重叠率均为80%.将采集到的影像导入软件,根据空间坐标信息进行处理,生成有纹理的顺北街区及其周边环境的三维实景模型.
图2 无人机航拍飞行路线图
Fig.2 UAV aerial photography flight route map
(1)区域现状图纸整理:将顺北街区规划图纸调整,按照现有街区内建筑布局将顺北片区的建筑划分为364个院落(如图3所示).
(2)区域划分及建筑编号:以街区内的顺河北街、顺北二道街、顺北三道街三条主要道路以及主要街道延伸出的街巷胡同等因素为划分的依据,将街区内建筑划分为15个区域,依次命名为A-O(如图4所示)并对每个区域内的建筑单体建筑依次进行编号.其中,区域内面积均在3 257～14 126 m2范围内,建筑单体数量在35～135个之间,15个区域的总建筑单体数量为1 064个.
图3 院落及出入口整理
Fig.3 Arrangement of yard and entrance
图4 区域划分示意图
Fig.4 District division diagram of block
(3)建筑分类:顺北街区内的建筑按照建筑风貌分为四个等级,其中,顺北街区内Ⅰ类建筑共有一处,为德庆诚绸缎庄,建于清末民初,有欧洲文艺复兴时期建筑风格; Ⅱ类建约占顺北街区的20%,可反映出顺北片区的历史与传统风貌建筑; Ⅲ类建筑约占32%,多为红砖建筑; Ⅳ类建筑约占48%,为近现代建筑.
(4)建模标准:本项目精度采用LOD300(同1.5).
在项目中载入顺北街区规划图纸作为定位底图(如图5所示),并指定项目基点来定位所有相关建筑及市政设施.
图5 顺北街区规划图
Fig.5 Planning map of Shunbei block
建筑模型搭建以院落为单位,文件按照建筑所在区域和编号命名,如“A-(9+10+11+12+13)”,并将每个区域的模型文件保存在同一文件夹内.
在Revit中通过网络将文件放置到服务器建立中心文件,建立A-O区共15个工作集,完成单个文件后上传至服务器并链接至中心文件中指定工作集,将各个建筑模型汇总到对应的区域内,实现所有建筑模型的实时汇总预览,顺北街区建筑汇总如图6所示.
图6 汇总建筑模型
Fig.6 Summary of building models
(1)道路景观:处理顺北街区的实景三维模型,提取其中高程点、街道边界等数据,导入到CAD图纸,使用“楼板工具”将分段根据高程点拟合现状道路并根据地下管网管井位置对道路模型进行调整,预留出管井位置.景观布置需要参考倾斜摄影中的具体位置,使用Revit中现有族库定点插入,如图7所示.
图7 道路BIM模型
Fig.7 Road BIM model
(2)地下管网:处理顺北街区强电、弱电、给水、排水专业的图纸,保留图纸中的管道管井尺寸、定位信息等内容,并绘制现状布置管道断面排布图,依次搭建各专业的管井及管道的模型(如图8所示).搭建完成后将各专业模型汇总并进行碰撞检查来优化模型,调整的基本原则为“有压让无压、小管让大管”,交叉处电专业在水专业上方翻越.
图8 地下管网模型
Fig.8 Underground pipe network model
(3)其他设施:顺北街区的其他设施主要为垃圾箱、路灯等公共设施,通过倾斜摄影和实地调研确认其样式和位置,在Revit中建立对应的族并在模型内定点插入.
顺北街区内高程从60.55 m到64.38 m不等,将倾斜摄影处理的高程图纸导出Civil 3D 中,生成地形的实体模型,随后将实体模型导入Revit中转化为常规模型形成街区的地形模型.
顺北街区3D GIS 平台借助于业内数据集成系统来集成顺北街区的BIM模型以及倾斜摄影等数据,形成项目三维可视化GIS数据库,载入街区的BIM模型、倾斜摄影等数据以实现真实自然地理环境中展示顺北街区建筑物与地形环境以及市政设施的空间结构关系.
在项目中建立建筑、市政设施、地形等各专业的目录,将顺北街区各专业的BIM模型经轻量化处理,得到的模型体量减小为原来的14%.采用坐标系入库并指定模型中心点的方式将模型导入业内集成系统,使各专业模型在3D GIS中有真实的地理位置数据信息.
各专业模型导入后在平台中参考导入的顺北街区倾斜摄影三维模型对各专业BIM模型的位置进行修正,使模型与倾斜摄影的影像基本重合,并完成对倾斜摄影的裁剪作为街区周围的环境,完成基于BIM和3D GIS技术的道口镇三维可视化GIS数据库构建(图9所示).
图9 顺北街区三维空间信息模型
Fig.9 Three dimensional spatial information model of Shunbei block
本文以BIM和3D GIS技术的结合为基础,并借助BIM模型轻量化技术,避免历史街区大规模的BIM模型降低加载速度和三维展示效果[13],使BIM与3D GIS更高效集成融合,研究了针对历史街区的三维空间信息模型构建方法,形成了一套完整的搭建历史街区三维空间信息模型的技术流程,让历史街区的保护变得更加方便和精准,在历史街区保护方面上有广泛的应用前景:
(1)数据存储:三维空间信息模型的构建,可以存储历史街区及周边环境的现状数据;
(2)可视化展示:利用BIM+3D GIS技术构建的历史街区三维信息模型实现了历史街区的信息模型三维可视化完整表达,给管理人员以及游客带来更直观的街区空间展示,从而有利于管理者的决策以及街区文化的传播;
(3)空间分析的载体:在三维空间信息模型中加载历史街区的采光分析、风环境分析、能耗分析、疏散分析等内容,实现研究内容与成果的可视化表达,同时也能应用于优化设计以及等.
历史街区的三维空间信息模型在构建的整体流程中存着难点,在后续研究中可以做出改进:在历史街区内BIM模型搭建方面,存在街区内建筑数量多且形式多样、设备设施种类样式繁多等问题,造成BIM模型搭建的工作量大、耗时长,需增强前期对历史街区中建筑以及设备设施的分类整理,以减少建模的工作量,同时也有利于后期的统一管理; BIM模型与3D GIS的结合方面,存在端口不够高效的问题,如在集成系统中导入BIM模型时无法精确定位,造成后期调整的不便,对此需要探索一种使两者的结合更高效并且兼容性更强的端口,既能够实现BIM和3D GIS技术的高效结合,又能够充分展示两者的特性.
