上海玉佛禅寺修缮与改扩建工程中的BIM技术拓展应用

赵华英 叶红华 赵冠一 张盛程

(上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司，上海200041)

1 项目概况

玉佛禅寺，上海第一名刹。地处上海市普陀区安远路170号，上海市优秀历史建筑，寺院分为前院和后院两部分，其中前院为本次工程范围，为玉佛寺主要礼佛、参观等对外开放区域，主要建筑有天王殿、大雄宝殿(优秀历史建筑)、玉佛楼等，建筑面积31 566m2。

本工程是在对天王殿和大雄宝殿建筑、佛像一体化平移顶升、保护修缮的基础上，对寺院进行改扩建以消除寺院现存的消防、交通、建筑结构、高密度人员集聚等公共安全隐患。工程将底层架空作为人流疏散、组织交通等功能的公共安全储备空间;将寺院主体礼佛建筑架高，保留中轴线上天王殿、大雄宝殿并新建玉佛楼。东、西两侧建筑全部拆除后按照江南古典殿庭建筑风格进行新建，加建两层地下室，满足民众日益增长的精神需要和寺院现代化发展的功能需要。

2 项目特点

2.1 古建筑修缮

上海玉佛寺作为区级文物保护单位、优秀历史保护建筑、古建筑，在原有位置将山门、主殿整体抬高5m并向北平移8m，部分房屋需要拆除重建。结构加固与建筑翻新的设计与施工是本次改建工程的重要内容(图1、图2)。与新建建筑不同的是历史建筑的修缮过程必须保证过程中的可识别性和可逆性，必须保护好建筑的历史痕迹。

图1 上海玉佛禅寺现状鸟瞰照片

图2 上海玉佛禅寺修缮后鸟瞰效果图

2.2 BIM技术应用于古建筑

对于这样一个复杂的古建筑群，古建筑的构架本身就具有非常高的专业性，所以该项目的实施要求BIM工程师有一定古建筑修缮、设计、施工、管理专业知识。BIM技术应用于古建筑修缮的难点包括:

(1)复杂性

古建筑的复杂性和构件的多样性使得BIM软件平台在该方面的应用有非常高的难度，这也是对BIM工程师与BIM软件工作平台的一大考验。

(2)古建筑构架

中国古代建筑惯用木构架作房屋的承重结构。结构是沿房屋进深在柱础上立柱，柱上架梁，梁上重叠数层瓜柱和梁，再于最上层梁上立脊瓜柱，组成一组屋架。檩间架椽子，构成屋顶的骨架。斗栱是中国木构架建筑中最特殊的构件，它们逐层纵横交错叠加成一组上大下小的托架，安置在柱头上用以承托梁架的荷载和向外挑出的屋檐。复杂的古建筑架构对BIM软件的空间建模能力要求比一般建筑要高得多，对BIM工程师的建模能力也是一种挑战。

(3)古建筑的族文件

古建筑的装饰使屋顶的轮廓形象更加优美。如屋脊的张口吞脊，四条垂脊的檐角部位各饰有琉璃小兽。天花用木支条在梁架间搭制方格网，格内装木板，绘以彩画。佛坛的上方正中的藻井它结构复杂，下方上圆，由三层木架交构组成一个向上隆起如井状的天花板。古建筑诸如此类的细节使得Revit软件在“族”的应用上变化多端类型繁多。

3 BIM+3D激光扫描+3D GIS在古建筑修缮改造中的应用

3.1 3D激光扫描技术应用

三维激光扫描技术自问世以来被广泛应用于古建筑保护、工业管道安装和船舶机械等方面。它通过高速激光扫描测量的方法获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量的采集空间点位信息，而且具有很高的分辨率，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。三维激光扫描技术采用的扫描仪器提供每秒100万点的速度，整体精度可达1～2 mm。

由于三维激光扫描的成果可以说是建筑物真实状态的体现，其数据格式兼容性也很好，易存储。可以直接用于数据存档、工程应用、展示汇报、文物复建等方面。

玉佛寺属于历史保护建筑，项目开动之前，利用其精确，快速，完整的特点，在尽可能不影响项目周期的前提下，对玉佛寺所有殿堂内外进行三维激光扫描测绘。然后将扫描的数据处理、拼接、附上色彩，形成现状点云模型。该点云模型能够把整个寺院现在的面貌完全记录，并在其中进行测量，浏览等信息获取。依据高精度的扫描点云进行建模，生成的三维模型最大程度上接近真实。不仅是构件尺寸、定位，甚至连变形、缺损都可以表现出来。在今后需要查阅，修缮，复建的时候随时调阅，无需再次现场测量，一劳永逸，这些工作方法传统手段无法实现(图3、图4)。

图3 大雄宝殿3D激光扫描点云模型(测量)

图4 3D激光扫描点云模型(破损查找)

采用传统的测量方法在该项目中的工作量是不可想象的，并且也不能生成三维空间可视化模型，3D激光扫描技术在玉佛寺修缮改造项目中的应用解决了这一不可能完成的任务。三维点云数据可以导入到AutoCAD、Autodesk Revit等软件中，进行后续的处理与加工，并且可以在Autodesk Revit中通过捕捉点直接绘制生成几何体。3D激光扫描点云模型是数据化模型，结合BIM模型的使用，可以在模型中直接测量工程师关心的建筑尺度、位置等信息，不需再次人工测量，大大方便了既有建筑修缮改造设计的工作(图5、图6)。

图5 3D激光扫描点云模型(柱偏差检验)

图6 根据三维点云数据还原的大雄宝殿BIM模型

3D激光扫描技术代替传统测绘方式，具有高精度、高效率、多方位、多元化等优点，文物建筑在测量过程中的损坏情况可降至为零，且采用非接触式测量的方式，人员自身的安全也得到了保障。在古建筑修缮中，现状测绘图能大大减少人力和物力的损耗，避免了设计人员因现场勘测条件限制所造成的疏忽，减少了修缮方案重复设计的次数[1]。

3.2 3D GIS 技术应用

玉佛寺周边环境与玉佛寺有着密切的关系，周边的路网情况、建筑布局、地势起伏、汇水范围、视线遮挡、人员流线分布均是玉佛寺修缮设计必须考虑的因素。项目过程中、完成后与周边环境的关系及可能对周边环境带来的影响也是项目重点考虑的因素。设计阶段的建筑、规划方案比选，施工阶段的车辆流线组织、基坑开挖支护、施工场地管理，运营阶段的消防施救方案、积极情况下的人员疏散方案、大型集会的组织管理等都是该项目的重点及需要有明确解决方案。对于传统设计方法，周边环境情况多为二维文件甚至有些是文字描述，项目对周边环境的关系也仅体现在效果图层面，周边环境也只是概念性的表达，且表达的范围也相当有限。为了解决上面相互关联的问题，传统方法可能会采用多种工具、方法分别解决。在玉佛寺项目中我们采用网络3D GIS技术将BIM模型、3D激光扫描点云模型结合在一起，真实反映项目在三维数字城市中的情况，为项目全过程解决方案提供了三维可视化展示、数据可实时提取、多解决方案比选等提供了强大的三维可视化数据支持。基于GIS和3D激光扫描技术的古建筑数字化应用，就是采用已建立的古建筑数据库，结合GIS技术、虚拟现实技术、3D建模技术、多媒体技术以及网络环境以及设计开发的综合应用[2]。

图7 数字城市管理系统中的玉佛寺现状

图8 BIM模型插入数字化城市(局部)

3.3 Autodesk Revit在古建筑造型中的应用

上海玉佛禅寺修缮与改扩建工程含有大量的古建筑及造型节点，古建筑造型节点有着种类多、构成复杂的特点。借助Autodesk Revit进行古建筑建模可以还原真实的历史。

图11 Rhino+Grasshopper组件建立参数化瓦片

Revit建模时严格依古建筑的构架，按层次搭建Revit模型，以达到真实还原建筑原貌的要求。建模的过程需要自定义大量的族文件，这也是该项目的一个挑战(图9、图10)。屋面瓦片采用Rhinoceros+Grasshopper参数化编程生成瓦片几何模型，并附着在建筑屋面上，然后导入到 Revit中。采用参数化模型建立屋面瓦片，使模型具有真实感，但使得模型文件比较大，所以同时在该项目中我们也采用了Revit“幕墙嵌板”功能以及贴图的方法进行屋顶瓦片的建模(图11、图12)。总体来说古建筑的Revit建模还有很多需要探索的地方。完成后的Revit模型可以作为结合3DGIS和3D激光扫描点云模型的BIM数据平台，在该平台上整合多渠道数据，进一步开展设计冲突检查、管线综合、设计评审、施工管理、进度模拟、增强型虚拟现实以及建成后的运营维护等工作。

图12 导入Revit完成屋顶瓦片

4 结束语

上海玉佛禅寺修缮与改扩建工程具有较高的复杂性、专业性，包含修缮、新建等内容，及建筑方案、规划、消防、消除公共安全隐患和环境整治等各个方面，基于Autodesk Revit软件的通用性以及便捷性，结合先进的3D激光扫描和3D GIS数字化城市技术，以确保工程在各个阶段良好的实用性，同时保持与各专业之间紧密的联系及反馈机制。项目致力于在建筑设计阶段运用BIM技术为各专业提供精准的可视化模型，并将BIM技术拓展到与建设工程全过程相关的各个领域(施工、管理、运营维护等)，在同一个平台下构建综合信息模型，这是在BIM技术平台上结合3D激光扫描和3D GIS数字化城市技术对古建筑修缮与改扩建全过程服务的一次创新性尝试。

[1]周立，李明，等.三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用[J].上海建设科技，2011(4):47-50.

[2]邢昱，范张伟，等.基于GIS与三维激光扫描的古建筑保护研究[J].地理空间信息，2009，7(1):88-91.

[3]王其亨.古建筑测绘[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[4]柏慕中国，美国Autodesk.Inc公司.Autodesk Revit Architecture 2012官方标准教程[M].北京:电子工业出版社，2012.