基于BIM逆向工程法的建筑设计实践——外滩历史文化风貌区160项目为例

基于BIM逆向工程法的建筑设计实践——外滩历史文化风貌区160项目为例

早啟政

深圳市澳华雅地建筑设计有限公司广东深圳518000

摘要：逆向工程广泛应用于工业生产制造，随着三维扫描技术的成熟，逆向工法在建筑领域的应用也越来越广泛，本文就实际应用项目，对实践中总结探索的经验与BIM技术进行结合，总结了三维建模的一些关键方法，对基于BIM平台的逆向工程法在建筑设计全周期过程中的各种应用，进行了分析探讨。

关键词：建筑测绘；BIM逆向工程；建筑生命全周期（BLM）

引言

建筑的逆向思维，就是一种有意识地从常规思维的反方向去思考问题的思维方式。它打破常规思维的单向性、单一性、习惯性和逻辑性，将人的思路从习惯和固有的模式中引向反面，从常规的对立方向思考和认识问题。故在建筑设计中应用逆向思维可产生新的创作灵感和思路，进而获得较大的创新。

一、概述建筑创作中的逆向设计思维

建筑创作中会遇到很多设计问题，有些可按常规思维顺利解答，而对一些看似问题的“问题”，人们往往深陷其中，为此付出了大量的精力去解决这些所谓的问题。

二、逆向工法与BIM技术

逆向工程（reverseengineering）被广泛地应用到新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测等领域。实质上是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。BIM支持建筑工程的集成管理环境，可以使建筑工程在其整个进程中显著提高效率、大量减少风险。

三、关键技术解析

3.1数据采集与处理阶段的关键技术

在进行数据初步收集与处理阶段，所用的技术主要为国际上近年发展的三维激光扫描技术。这套高新技术由地面三维激光扫描测量系统构成，是由地面三维激光扫描测量仪、后处理软件、电源以及附属设备构成的。

（1）点云数据滤波

对目标进行扫描后，扫描点云中可能存在树木、路灯、行人、车辆等不需要的点，造成数据冗余；另外，扫描目标的表面也会存在一些噪声点。这些冗余数据或噪声数据是无效的，同时增加了计算机内存，降低了数据处理效率，因而需要对点云数据进行滤波，剔除冗余数据，消除噪声点，提取目标表面的点云数据。

（2）几何纠正与坐标系变换

实际应用中，通常要把扫描坐标系转化为国家统一坐标系或者是地方独立坐标系。两个空间直角坐标系的坐标变换的参数一般包括3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度变化参数。同物方空间坐标系，其尺度相同，则两坐标系之间的变换有7个独立的参数。转换方程为：

（1）

七参数转换：当旋转角度很小时，其余弦值等于1，正弦值等于角度值；因此方程可化为：

（2）

采用3个共轭点，列出9个误差方程，按间接平差法可获得6个转换参数的最小二乘解。此时，点云数据的内定向已经完成。

（3）点云数据配准

由于地面三维激光扫描测量仪的仪器特性以及周围环境的影响，一站扫描只能获得建筑物的部分信息，仪器无法扫描得到构筑物超出角度范围和被遮挡的部分；而建立构筑物整体的三维模型需要获得其整体的空间数据信息，因此扫描时必须多次更换视点或测站。把不同测站点云数据融合到统一坐标系统中得到整体空间数据信息，即数据配准。

3.2BIM建模阶段关键技术

地面三维激光扫描测量技术采集得到的数据是由全离散的矢量距离点构成的点云(PointsCloud)，可以用点云所蕴含的信息直接构建高精度的DEM，但没有任何明显的形体信息和拓扑关系信息，不能直观表达。因此，需用点、多边形、曲线、曲面等形式将立体模型将形体描述出来，构成模型，即三维建模。

四、应用实例

历史文物是前人智慧的结晶，然而由于文物器物本身的脆弱性和独一无二性，如何准确获取、保护、传承、展示这些文物成为摆在全体文物工作者面前的重要问题。随着激光扫描技术、高清拍照技术以及数据处理保存技术的发展，将文物器物的存储以及保存以数字化的方式实现已经变成现实。通过多测量传感器技术集成应用，利用先进的近景摄影和激光三维数字化测量、建模技术，对器物进行三维信息与纹理信息的精细采集、高精度配准与融合，从而快速获取文物器物精细、真实、准确、完整的三维数据，结合高精度高清自动纹理贴图，完成对文物的逼真三维模型建立，实现器物的三维逼真展示与分析，为器物的保存、研究与展示提供先进技术支撑，并最终完成文物数字档案、文物三维展示、文物保护复制、修复及衍生品开发等应用的全套解决方案，为文物保护单位和文物研究所今后的研究、展示、重建及辅助修复提供数据和技术支持。

工作流程：扫描——拼接——融合——构网——简化——纹理映射

技术参数：近景摄影三维扫描系统(精度0.05mm/500mm)，点云及纹理后处理软件

房屋测绘(外滩历史文化风貌区160项目)

五、结束语

建筑创作中思考的过程是活跃的，需要打破常规观念去寻找突破口，那些潜在的想法经过反复的变换思考必将闪现出来，从而达到设计上的飞跃，各种新概念、新思路和新发现就会在创作中体现出来。在逆向思维中往往夹杂着发散性思维、直觉思维和自我的互动思维等，但往往通过逆向思维为主线，来引导其他设计思维的迸发。

参考文献

［1］冯柯．反常规的设计与设计的反常规———试论图形创意中的反常规设计［J］．河南大学学报(社会科学版)，2004(4)

［2］周超．工业化构件的设计转换思维———埃姆斯住宅和普鲁威住宅的启示［J］．新建筑，2007(5)

［3］邹广天．建筑设计创新与可拓思维模式［J］．哈尔滨工业大学学报，2006(7)