基于BIM技术的川西桃坪羌寨信息模型孪生构建研究.pdf

126摘要：桃坪羌寨是世界上保存较完整且尚有人居住的集碉楼、民居为一体的建筑群，具有极高的研究与保护价值。本研究通过无人机载三维激光扫描、倾斜摄影等综合数字化测绘技术，获取三维要素数据信息，基于 BIM 技术的 Revit 软件平台，孪生构建桃坪羌寨信息模型系统，将地形河网、建筑群体、建筑单体等空间实体分类进行系统化建模，以期通过数字景观的智慧保护与管理来推动传统村落景观的可持续发展。Abstract：Taoping Qiang Stockade Village is the worlds most complete living complex of Diaolou and residential houses,with a high value for research and protection.In this study,three-dimensional element data and information were obtained by comprehensive digital mapping technologies such as UAV 3D laser scanning and tilting photography.Based on the REVIT platform of BIM technology,an information model system of Taoping Qiang Stockade Village was constructed to systematically model spatial entities such as topographic river network,building groups and building monomers.It is expected to promote the sustainable development of traditional village landscape through intelligent protection and management of digital landscape.关键词：BIM；桃坪羌寨；遗产保护；信息管理Keywords：BIM；Taoping Qiang Stockade Village；heritage protection；information management文姚俊江四川农业大学风景园林学院潘翔四川农业大学风景园林学院副教授（通讯作者）何佳美四川农业大学风景园林学院李嘉欣四川农业大学风景园林学院刘蕴琦四川农业大学风景园林学院DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.10.039引言传统村落在物质空间与精神文化两方面具有一定的地域性和原生性，而在城镇化浪潮下，传统乡村也正受到现代商业资本的冲击，地域文化开始变异遗失，原生的乡村场景也变得尤其珍贵。传统管理模式已不能满足准确高效地利用数据的需求，二维数据载体也无法实现村落的三维可视化及立体管理。近年来，随着中国乡村振兴战略不断推进，传统村落景观的保护处于愈发重要的位置。借助数字技术传承与保护传统村落，是解决文化实体自身保存困难的重要途径，而BIM 技术凭借其所具备的原真性、整体性、功能性以及在信息记录存储、协同共享、统计管理等方面不可替代的优势，逐渐成为国际普遍认可的文化遗产数字保护技术，并已得到广泛使用。1 研究概况1.1 研究综述近年来，随民众乡村文化遗产保护意识的增强，多地政府部门也相继提出进一步探讨古镇古村落数字化保护，建立传统村落数字博物馆，以探讨保护和利用好这一珍贵乡村资源的方法策略。关于我国数字化古村落研究概述：段林峰（2016）通过古村落中历史建筑信息收集、三维建模、虚拟现实平台的建立等过程，来完善构建历史建筑数字化虚拟空间1；冯惠玲（2019）提出利用数字信息资源在网络中构建出古村落“数字遗产”和“数字记忆”，并依托档案资料构建乡土中国文化记忆新模式2；陈一笑（2021）提出建立完善的数据库、构建模型分析系统及开发网站平台等措施，以期为古村落保护提供一种新的途径。可见，数字化已成为古村落保护的新热点及有效手段3。1.2 研究对象桃坪羌寨位于理县杂谷脑河畔的桃坪村，始建于公元前 111 年，距今已有 2000 多年历史。桃坪羌寨因其独特的羌族建筑形态、交错复杂的道路系统和水网结构，在营寨方面采用就近取材、遵循自然法则，有着“神秘的东方古堡”与“羌族建筑艺术活化石”的美誉。其也作为世界上保存最完整的尚有人居住且兼军事防御与生产生活为一体的建筑聚落，于 2007 年被列入世界文化遗产申报预备名录4。如今，川西旅游热成为我国旅游经济中的亮点，但随着旅游业的扩张式开发，少数民族传统村落风貌也逐渐被现代商业所侵占，对其地域景观造成了极大的影响与破坏。为完整地保留地域原始风貌，稳固好少数民族聚落在我们文化体系中的重要作用，运用 BIM 技术对桃坪羌寨孪生构建信息模型刻不容缓，其不仅利于乡村文化及空间特征等遗产的保护，也能为村落发展及新的规划设计提供系统的数字模型支持。2 BIM 技术的应用优势2.1 BIM 的定义与衍生建筑信息模型（Building Information Modelling，Research on Information Model Twin Construction of Taoping Qiang Stockade Village in West Sichuan based on BIM Technology基于 BIM 技术的川西桃坪羌寨信息模型孪生构建研究基金项目：国家自然科学基金青年基金（项目编号：51908385）；四川景观与游憩研究中心科研项目（项目编号：JGYQ2015011）127235|2023|10城市设计者，运用 BIM 及 3D GIS 搭建村落构成元素信息模型，实现桃坪羌寨的三维信息的可视化与数据管理平台的建成。最终将模型数据传输至网络平台，运用 Autodesk 公司开发的 Tandem平台进行数字孪生展示，实现数字孪生交互应用，达到可视化信息管理的目的，以推动乡村发展解决方案数字化研究，进而助力乡村振兴及遗产保护（图 1）。3.2 羌寨信息模型的建立依据功能差异，针对羌寨村落元素分类：地形河网、建筑群体、建筑单体。针对不同要素构建 BIM 信息模型系统，以便于后续各要素的展示评价及分类管理。运用 Revit 进行信息分类管理，针对不同要素模型构建相应的族与构件，并添加属性参数，如建筑构件材料、单体编号、建造时间等，以便于深入研究及进行场景模拟管理。3.2.1 地形河网地形河网是村落模型营建的先决条件。对地形河网构建空间信息模型，在可视化的同时，其地形数据还可用于水文、坡面、流向等分析，进一步做出地质灾害风险预估评价。研究构建的桃坪羌寨老寨区域地形河网信息模型系统包含：研究范围的地表面（面积 97109 平方米、高差124.35 米）、28 条道路信息模型系统、349 个单体建筑基底信息模型系统。地形数据需由三维激光扫描所得的实体表面点云数据进行一系列转化。首先，将测绘所得的点云数据导入 Lidar360中做降噪处理。点云数据降噪后，依据园林植物形态及投影的差异性从聚类单元中提取场地现状存在的绿色植物点位；针对建筑群采取手工提取手法，人工识别建筑体并沿建筑底部边缘进行裁剪剔除。将处理好整合管理模式，这给传统村落研究数据的提取、检索及后续维护管理造成了较大干扰。而利用BIM 技术可以提高模型信息管理的整体性6。在具体应用时，能够对数字模型进行分类整理，对复杂构建古建筑构件数量及材质等信息进行分类统计。此外，依托数字化平台对传统村落的空间进行统一监控和集中管理，既节约成本，又较大程度提高了对古村落数据保护与管理的效率。3 桃坪羌寨 BIM 系统构建3.1 技术路线在技术条件层面：本研究运用高精度无人机倾斜摄影与三维激光扫描等综合测绘技术以及 BIM、GIS 等数字孪生技术来构建桃坪羌寨信息模型系统。在构建羌寨数字化信息模型系统时，主要运用 CloudCompare、Recap 等软件对点云数据进行提取、拼接、降噪处理。在建筑建模时，运用 Revit 软件以二维 CAD 图纸及三维点云数据源来搭建羌寨的建筑模型，精细构件以3D MAX等建模软件进行补充。针对地形、道路、河流等模型要素，可在 ArcGIS 或 Civil 3D 中制作 3D 遥感影像图及提取高程数据，实现可视化。在三维模拟及平台交互方面，运用 Mars 或Lumion 等软件渲染三维场景并进行模型展示，最终可载入 Tandem、Skyline、DIVA等数字模型信息管理平台进行孪生展示。在研究技术流程中：研究针对数字孪生实体场地，先由无人机、扫描仪进行数字测绘以便于数据集成，精确获测区内的无人机三维激光影像数据，生成点云数据库。利用 Recap 软件对点云数据编辑管理，应用 Revit 进行建模，ArcGIS信息管理及三维可视化等信息技术协同处理桃坪羌寨的点云数据模型，构建三维信息模型。再BIM）的概念首次由 Phil Bernstein提出。20 世纪 70 年代，Charles Eastman教授发表相关专著，对 BIM 概念有了更广泛的解释。2002 年，Autodesk 公司针对 BIM 技术进行软件开发，并在业界得到广泛认可。BIM主要是基于建筑环境、建筑结构孪生实体特征，对已存在或待建设的建筑进行三维数字化表达，还可为建筑模型在项目生命周期中的重要方案提供评估模拟。其信息模型系统主要由各类孪生对象的数据属性和具有参数规律的智能化构件、环境特征所组成。伴随BIM技术的发展，Khemlani于2007年提出城市信息模型（City Information Modeling，CIM），今在我国雄安新区的规划建设中得以运用。Murphy于 2009 年首次提出历史建筑信息模型（Historic Building Information Modeling，HBIM）；同年，清华大学文化遗产保护研究所提出“遗产建筑信息模型”技术，将其定义为具有三维模型的历史建筑生命周期的信息管理工具5。与此同时，哈佛大学教授 Drvin 在 2009年国际数字景观大会首次将数字技术在园林景观中的应用称为“景观信息模型”（Landscape Information Modeling，LIM）。如今，此类技术也充分运用在景观项目的管理、可视化与实景建模中。2.2 BIM 在羌寨数字化保护中的优势数字化技术在解决传统村落保护和修复问题的同时，又能为传统村落的文化传承与发展提供全新方案。运用 BIM 技术数字化传统村落的关键在于保护与修复过程中有据可依，从而能够真正在不同代际之间传达古建筑自身的细节与内涵。其具体优势总结如下三点。在信息记录存储方面：BIM 软件在制作模型时会对所有数据信息进行全过程的记录分析。使实体测绘的数据被存储在模型中，除形体尺度信息等参数外，还可附着大量非几何信息，对对象模型的进一步细节进行定义，如结构材料、经费成本、使用周期等。基于 BIM 的约束规则，在二维图形修改数据时，关联的竖向层次信息会进行便捷式的自动修正。其在数字信息孪生保护的同时，也能直观地展示出建筑的外观及内部结构，为羌寨建筑的研究提供更为便捷的手段。在信息协同共享方面：BIM 的本质及重要优势是数据的传递、交互与共享，而数据共享的本质是对数据基本属性和数据存在形式的共享。BIM 及相关辅助软件在数据共享中的作用十分突出，一方面表现为应用可以调节的参数属性即能对古建筑的样式进行控制，甚至还能够管控整体建筑内部结构体系；另一方面，可将所构建的数字模型加载进网络平台，可实现模型信息的多方人员的展示与协同操作。此外，由 Autodesk所开发的 BIM 软件也展现出对模型数据较强的兼容性。在信息统计管理方面：传统古村落的建筑并不像现代建筑那般具有系统化、标准化的信息图 1数字孪生古村落研究技术路线（图片来源：作者自绘）图 2地表面信息模型展示（图片来源：作者自绘）128参考文献：1段林峰.虚拟现实技术在古村落保护中的应用D.江西师范大学,2016.2冯惠玲,梁继红,马林青.台州古村落数字记忆平台建设研究以高迁古村为例J.中国档案,2019(05):74-75.3陈一笑.数字技术在徽州古村落保护中的应用研究J.滁州学院学报,2021,23(03):65-67+73.4潘翔,刘嘉敏,李礼.基于差异视角的少数民族村落地域景观空间分析以四川桃坪羌寨为例J.西部人居环境学刊,2019,34(06):66-72.5李渊,郭晶.基于BIM+理念的建筑文化遗产保护研究综述J.城市建筑,2021,18(34):157-161+167.6梁毅,王崇恩.基于BIM技术的太原崇善寺大悲殿残损信息保护研究J.建筑与文化,2021(12):170-171.的点云数据导入进 ArcGIS 中创建 las 点云数据集，转化输出为 DEM 栅格。利用三维分析工具，按区域完成等高线提取，载入 DEM 数据并设置等高间距为 0.5 米，利用等高线可在 Civil 3D 及Revit 软件中生成地表面信息模型（图 2）。3.2.2 建筑群体建筑群体信息模型系统，可用于三维数字化信息构建管理，利用孪生平台将特色建筑类型与空间进行实景存档，也可用于桃坪羌寨建筑类型与空间形态的研究，进行建筑与建筑、建筑与道路水网等空间布局关系、空间句法等分析。通过对建筑群体信息模型系统中数据的整理、验证、统计和分析，形成具有羌寨特色的“数字博物馆”式数据基础资料。利用数字化测绘所得的高分辨率正射影像图与精细点云数据，在 Revit 中根据三维点云表面进行逆向建模。首先，绘制场地 CAD 平面图并导入软件中，再导入地形 DEM 等高线，根据等高线生成地形；在 Acute 3D Viewer 或 Cloud Compare 中测量建筑点云的相对高程，同时在Revit 中依据地形信息模型系统中的地表面及建筑基底面，结合导入的参照点云进行逆向建模。依据点云数据中量取的尺度，依次创建石质墙体、天花板以及楼梯、窗洞等建筑构筑物，再根据导入的点云参照，微调建筑各个部分的高度和尺寸以减少误差，对每个部件进行编号成组，最终将完成的 Revit 模型导入 Tandem 数字孪生平台进行展示与管理（图 3）。3.2.3 建筑单体本研究以桃坪羌寨的特色建筑杨家碉楼为例，运用 BIM 软件 Revit 来构建建筑单体信息模型系统，其中包括有建筑造型、内部结构、楼梯、栏杆等建筑构建、建筑材质等详细信息。通过 BIM 的平台以及参数化的建模，更加直观地表达出羌寨碉楼建筑的外观与内部结构，为羌寨建筑研究提供多维度、可视化的便捷方式。单体建筑建模依据来源于三维激光扫描处理所得点云数据及实地考察测绘，点云数据为建筑的外观形态及材质提供参考，内部结构数据信息则来源于实地考察的补充。桃坪羌寨碉楼的结构是密梁平顶的墙承重式，梁水平放置于墙体传力并承重；不规则石块加粘土砌筑墙体，从下往上逐渐收分；室内房间由石墙、木墙、木柱划分空间；通过点云可视软件 Acute 3D Viewer 及 Cloud Compare测得建筑各个部分尺寸，结合建筑内部结构的实地考察与分析，根据实体材质制作 Revit 族文件，并在 Revit 中进行建筑主体建模，通过BIM单体模型，可逆向生成建筑单体的平面图、剖立面图及建筑结构爆炸图（图 3、图 4）。针对建筑包含的细部构件的数量与截面尺度，可在 Tandem 平台进行统计与管理。4 讨论与展望基于 BIM 技术构建的桃坪羌寨信息模型系统仍存在一些不足。第一，仅仅使用 BIM 技术建立的信息模型系统还不够成熟，Revit 仅能实现数字化保护的建模、可视化及管理功能，无法达到场景预测、VR 体验等数字孪生效果。第二，BIM 相关技术偏向现代标准化，而其构建流程对于传统村落这一自然营生式的实体也常出现不适用的状况，如无法体现羌寨建筑中以片石、黄泥砌成的墙面，只能通过后期贴图达到效果。第三，植物景观信息模型构建难度大，羌寨中植物形态及种类样式丰富且繁杂，加之植物具有的成长性及栽植变化性，3D MAX 精细化建模及 Revit 中载入植物族无法准确高效地模拟园林植物的真实形态。随着新信息技术的发展与进步，古村落数字保护所遇到的难题将逐渐被攻克。现如今，已有更为先进的技术融入到数字保护应用的探索中，如AR、VR等交互展示技术以及人工智能、大数据等互联网信息管理技术，这些技术让数字孪生乡村信息模型系统的生成得以不断完善。未来也将结合更多的软件及数字孪生平台，让土木工程师、建筑设计师、景观规划师、水电工程师、景区管理者等多类人群实现数据共享、协同合作。如此一来，无论是历史文化遗产的保护，还是乡村的景观规划建设都将变得便捷、规范与科学。结语本研究以川西桃坪羌寨为例，运用点云数据、正射影像图等数据来源，对桃坪羌寨的不同景观要素进行系统性划分，初步构建起一个基于 BIM 技术的传统村落信息模型系统，实现了桃坪羌寨三维可视化表达及系统化信息管理，具有一定的实用价值和现实意义，为后续传统村落的遗产保护与数字乡村的发展建设提供了可行的新思路。注释：Phil Bernstein：建筑师、Autodesk公司研究员、耶鲁大学教授，建造未来：建筑业中的劳动革新和学术界的信息建筑模型（BIM）联合编辑作者。Charles Eastman：Charles(Chuck)M.Eastman，建筑大数据之父、BIM研究先驱、佐治亚理工教授。Khemlani：Lachmi Khemlani.AECbytes的创始人与编辑，于加州大学伯克利分校研究与教授CAD和三维建模数年。Murphy：Maurice Murphy，爱尔兰都柏林大学教授，在研究BIM与三维激光扫描技术发展下提出历史建筑信息模型（HBIM）概念。Tandem：来源于Autodesk公司Tandem官网介绍，https:/ 3建筑群体模型信息系统展示（图片来源：作者自绘）图4建筑单体在Tandem平台的三维外观及结构展示（图片来源：作者自绘）