引言

现代化城市应是多元化的城市，融合了现代创新建筑文化和历史建筑文化遗产，每个地方的文化遗产都代表了一个地区的文化内涵和深刻意义。各具特色的古建筑是中国传统建筑思想、工艺和方法的伟大结晶，具有深刻的文化、社会价值。因此，古建筑的修缮成为现代建筑行业发展过程中不可忽视的一部分。三维激光数字化技术在三维建模中的应用，是我国很多地区重要投资的主题。在国外研究中，早在2011年，XiongX等［1］利用三维激光扫描的数据自动创建BIM（BuildingInformationModeling）模型，填充了遮挡区域之后能够与手动创建的地面实况模型保持一致；BoschéF等［2］在霍夫变换等算法的基础上成功地将BIM技术与激光扫描技术相结合，实现了有效识别和辨认MEP（Mechanical，Electrical&Plumbing）工程。国外起步较早，在保护措施方面具有实际性的借鉴意义。近年来，随着国内技术水平的显著提升，古建筑数字化保护工作取得了突破性进展，其中三维激光扫描技术在文物保护领域的创新应用尤为突出，其中部分国内古建筑数字化保护相关前沿成果见表1。根据相关文献，在古建筑数字化保护领域综合运用三维激光扫描技术，不仅比传统测绘工具更有效率，而且数据更全面，信息更丰富。BIM技术则是将点云数据转化成数字模型，在古建筑保护中发挥着重要作用。

广宁桥不仅是绍兴现存最大的单孔石拱桥，也被认为是中国最早的立交桥之一。本文以广宁桥为例融合三维激光扫描技术和BIM技术对古桥数字化存档，其基本思路是外业点云数据获取利用FAROFocusPremium三维激光扫描仪对广宁桥进行扫描，内业数据分析处理采用FAROSCENE软件拼接模型，并应用专业的点云处理软件AutodeskRecap将点云数据生成精细的BIM三维模型，为广宁桥的数字化和信息化提供依据。

1 三维激光扫描技术

1.1 三维激光扫描仪FARO

本研究采用FAROFocusPremium三维激光扫描仪，使用激光传感器和相机来捕捉和测量三维空间中的物体和场景。对比传统测量方式，FAROFocusPremium三维激光扫描仪拥有精度高、安全性高等优点，测距误差能控制在±1mm，它将先进的扫描技术与真正的移动性和易用性相结合，兼具可靠性与灵活性，支持实时数据查看及存储。同时，FARO激光等级为一级，对人眼和身体没有任何伤害，其最大测量速度可达到200万点/秒，这大大缩短了从现场获取点云数据所需的时间。各类测绘方式优劣对比分析见表2。

1.2 三维激光扫描系统及优势

三维激光扫描系统通常使用非接触式高速激光数据测量大面积的表面和点云。数据以特定格式存储，并由专门的计算机软件进行扫描和处理。按照工作原理分类，三维激光扫描系统可分为4种方法：激光三角测量法、相位测量法、脉冲测量法和脉冲相位测量法。

三维激光扫描仪主要采用激光三角形原理，用高速激光扫描测量法，可大面积、高分辨率、快速获取物体表面各点的坐标、颜色等信息数据，创建具有真实色彩的三维1∶1点云模型。与传统的测绘方法相比，三维激光扫描的优点是节省人力物力，缩短工作时间，提供准确信息，适应复杂环境，主动式扫描，等等。主动扫描可检测激光脉冲发出的信号，并描述目标建筑的信息，不受时间和空间的限制，效率更高、更准确。其缺点是需要对测区和扫描整体进行合理测绘，需要专业设备来保证海量数据的准确性，成本较高。各类建档方法优劣对比分析见表3。

2 BIM三维建模技术及应用

三维激光扫描技术收集点云数据，BIM技术基于点云数据，辅以传统的测量技术，可实现建筑信息应用的盲区补建。这两个优势叠加，劣势互补，从而为加固和重建旧桥、监测变形等工作提供精确数据。应用BIM技术创建三维模型，可以解决将二维图纸抽象化以获得三维建筑图纸的问题，并能科学系统地获得三维数字化成果。

2.1 BIM三维建模技术

为了解决我国当前古建筑被损坏的问题，引入BIM技术还原古建筑图像。建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）是一种在建筑设计、施工和运营过程中使用数字化方法管理、分析、整合和共享建筑数据的技术。BIM技术可用于创建一个集成建筑结构、材料和设备信息的综合建筑模型。目前，不同的三维建模软件通常有不同的格式，例如3Dmax、Revit等软件中的点云数据导入功能可以实现自动建模，但需要事先将其转换为合适的格式［8］。如果建筑物的尺寸跨度比较大，则应先对扫描获得的点云数据进行人工处理。

2.2 BIM技术应用优势

中华人民共和国文化和旅游部发文：发展“互联网+会展”新模式，探索实施数字展品征集、智能服务、信息共享、影像展示等云会展和关键技术［9］。为了积极响应国家政策，运用BIM技术进行交互设计，在尊重和保护历史文化遗产的同时，更好地适应现代社会的发展需要，确保文化遗产的可持续利用和传承。

通过BIM交互设计可以为古建筑的研究提供新的视角和方法，促进对古建筑保护技术的创新和发展。利用Unity在BIMVR中可以实现用户交互式漫游，同时利用Unity还可以实现播放音乐以及讲解视频的一系列交互。将古建筑进行数字化存档，通过BIMVR交互可以让用户身临其境，领略古建筑的历史故事和文化底蕴，让更多的人了解我国的古建筑，同时支持该地区旅游业的发展。

3 古桥数字化采集与应用

本文以绍兴市目前存在的最长的单孔石拱桥——广宁桥为例，简要介绍三维激光扫描技术和BIM技术在古桥建模中的应用。

3.1 三维点云数据获取

在使用三维激光扫描仪进行扫描之前，必须通过各种方法校正扫描数据的精度，以确保数据的准确性，具体技术流程见图1。首先，需要进行实地现场考察并收集有关信息资料，然后提前对测区附近的环境进行踏勘，并对站点的布局和路线进行预先规划；在规划好站点路线之后，进行外业测量时要先将三脚架放平，然后将仪器固定在三脚架上并打开；根据规划好的步骤顺序开始扫描，确保测站与目标古桥的间距控制在25~35m范围内，相邻两个测站之间的间距要控制在10~15m之间。

在进行建筑物点云数据采集时，需要注意以下几点：（1）在对建筑物进行点云数据采集时，要确保控制站点布置之间的距离不超过指定范围。同时，还必须确保测站路线的一致性，以达到尽可能高的点云数据完整性；（2）若建筑物周边比较杂乱，在扫描前应清理出合适的位置以便测量。在采集点云数据时可能包含噪点和异常点，需要进行人工预处理，如滤波、去噪等操作，以提高数据质量。本文应用实例站点布置俯视图见图2。

在布置站点的过程中，由于桥洞底部可能存在死角，因此需要从多个角度进行扫描，根据桥洞的结构和周围环境来规划三维激光扫描仪的放置位置，以获取完整数据，见图3。根据图3所示，广宁桥桥底已有明显结垢，应及时对表面进行清洗黏接、加固及修补和防护性处理。

3.2 点云数据处理

广宁桥三维重建的主要任务是点云匹配，三维重建的精度直接取决于点云的精度。将不同测站扫描的站点数据以及标靶数据通过FAROSCENE软件进行拼接，软件中的默认参数可自动完成数据拼接。拼接完成后，根据软件自动处理的功能，可以得到扫描点应力详细信息，见图4。普遍认为拼接模型点错误控制在8mm以内、重叠率在25%以内误差较小和精度比较高。由图4可知，相邻站点之间的重叠率较高，点误差

由于该古桥位于绍兴市越城区的历史街区，因此周围游客、建筑和其他环境影响较大，点云数据无疑会包含无关数据，即噪点。噪点不仅影响三维模型的精度，还会影响处理速度，因此有必要去除点云中的噪点，以尽量减少噪点对后续三维建模精度的影响。噪点主要包括行人、交织的电线、树木以及设备本身。对于这些噪点可由人眼直接查看的点云数据，直接使用FAROSCENE点云处理软件，通过直接的人机交互来手动检查和清除噪点，从而得到点云数据集成的三维模型。此外，在SCENE软件中导出rcp.格式能够高精度完整地导入AutodeskRecap软件，利用三维激光扫描技术对文化财产和古迹进行数字化保护。对比桥梁的实景图可以看出还原度较高，说明三维数字建模技术能精确地复制出古桥的细节，这对广宁桥的维修、保护和传承也非常重要。

通过BIM技术与三维激光扫描技术的结合可以实现优势互补。利用三维激光扫描技术精确测量的点云数据可以补充传统人工测绘的不足，使三维虚拟空间模型更加逼真直观，结合BIM技术后的建模工作更加细致。而基于BIM数字信息模型，能直观地反映古桥的现状，当前桥的结构形式、残损情况等等信息可以作为历史遗产档案保存，为未来的遗产保护提供历史信息，并可作为当前文化遗产保护和提升的参考标准，为后期古桥监测提供数据平台。

3.3数字化模型存档与保护

据统计，绍兴现存古桥仅604座［10］，大多数古桥历史悠久，甚至有些古桥经过千百年的风雨洗礼已经开始出现裂缝。由于缺乏相关的文件记录，恢复这些破损的古桥非常困难。要想对古建筑进行恢复和维护，必须拥有精细化的文献资料。对古建筑来说，构建一个从涵盖全局、细微处、内外一致的“全息数字记录”，以及为其创建全面的数字档案是至关重要的任务。根据点云创建的三维数字模型可以采用多视角动态交互式查看模式，可以随时选择查看的位置和方向，也可以随时查看剖面图，既超越了目前用于解释信息的二维图纸，同时对建筑的内部结构特征也能非常精准的解读。经过高精度扫描的数据处理，可以得到三维数字化的古桥模型，将古建筑细部和色彩信息进行更为细致且直观的记录与浏览，与此同时，得到数字化模型后可导入AutodeskRevit中，通过文物信息模型建立三维信息模型，还可以直接在任意位置进行平面、立面、剖面的边界处理，与CAD设计软件相比，三维模型立体修缮，比二维图模拟修缮更加直观。因此，利用三维模型工作可以直接提高文物保护工作的效率。综上所述，将实景图、三维信息模型和平面图（图6）结合起来协同储存和管理，能够详细纪录古桥历史、结构形式和残损情况等等数字信息，从而实现“一桥一档”（图7），这将有助于加强桥梁的日常管理和定期监测，有效促进桥梁管理的科学化和规范化。

4 结束语

本文以绍兴广宁桥为研究对象，说明基于三维激光扫描和BIM技术的古建筑数字化保护、修复和数字化建档意义重大，而传统的测量工具和单独的测绘方法难以实现高效率。其技术优势是基于三维激光扫描技术和BIM技术等数字工具为历史建筑的创建提供准确可靠的数据。在数字化存档过程中存在一定的技术难点和局限性，例如，桥洞下难以架站、古桥跨度大难以实现连续性等实施难点，利用地面三维激光扫描仪对低层古建筑能够完成数据的采集，而BIM技术能够衔接利用多种技术，发挥各自的优势，较高程度还原古建筑的原貌［11］。

随着信息时代和数字社会的不断发展，数字技术的广泛应用大大提高了信息传播的速度和效率。三维激光扫描技术不仅能够推广到隧道、钢结构等三维模型的构建和相关智能化监测与预警等工作中，还可以将虚拟现实技术与文化遗址和纪念地的链接结合起来，实现文化遗址和纪念地、文物等虚拟呈现。有利于建筑遗产的展示和传播，还使其能够向公众展示，从而整合成文物数字博物馆。数字博物馆作为未来博物馆发展的新趋势，通过提供丰富的互动体验和数字展览空间，以其独特的技术优势，将极大地促进文化的传播和推广，同时也有助于提升公众对历史和文化的理解和欣赏，增强公众对文物的保护意识。

参考文献

［1］Xiong X，Adan A，Akinci B，et al.Automatic creation of semantically rich 3D building modelsfromlaserscannerdata［J］.Automation inConstruction，2013，31：325-337.

［2］BoschéF，AhmedM，TurkanY，etal.Thevalue of integrating Scan-to-BIM and Scan-vs BIMtechniquesforconstructionmonitor ingusinglaserscanningandBIM：Thecase ofcylindricalMEPcomponents［J］.Automa tioninConstruction，2015，49：201-213.

［3］石晓萌.基于数字孪生的砖木结构古建筑健康监测与诊断平台研究［D］.烟台：烟台大学，2023.

［4］陈链鑫.基于BIM的广西容县真武阁数字化保护应用与结构分析研究［D］.桂林：桂林理工大学，2022.

［5］张茂正.面向高耸古塔的数字化三维实景建模方法研究［D］.银川：宁夏大学，2023.

［6］桂玉环.基于BIM+三维激光扫描技术的云南古桥梁数字档案建设研究［D］.昆明：云南大

学，2022.

［7］崔晓磊.藏式寺庙

建筑的数字化重建及展示方法研究［D］.咸阳：西藏民族大学，2021.

［8］赖建民，卜鹏飞.三维激光扫描技术在建筑物三维建模可视化中的应用探究［J］.科技创新与应用，2024，14（1）：193-196.

［9］杨黎黎，李卓玥，吴瑶，等.基于Unity3D数字技术创建建筑模型智慧博物馆［J］.实验室研究与探索，2023，42（11）：113-118.

［10］金璟.绍兴古桥民俗数字化保护的探索与思考［J］.西部广播电视，2022，43（19）：73-75.

［11］郦其根.BIM技术在仿古建筑施工管理中的应用［J］.浙江建筑，2023，40（3）：67-71.

作者：姚佳琪¹，冯兴良²，朱梦恬²，汪锦楠²，王丽佳¹

1.绍兴文理学院元培学院建筑工程分院，浙江绍兴312000 2.华汇建设集团有限公司，浙江绍兴312432

来源期刊：《浙江建筑》

《浙江建筑》为双月刊，由浙江省住房和城乡建设厅主管，浙江省建筑科学设计研究院;浙江省土木建筑学会主办的一本省级期刊。