摘要：我国有着非常悠久的历史文化。随着我国经济的持续快速发展，城市化进程加快，对历史建筑也造成巨大损害，古建筑保护与发展问题日益突显出来。随着三维技术的快速发展，三维构件技术广泛地应用于各个领域。
关键词：三维构件；古建筑过程式建模技术
引言
随着我国经济建设的快速发展，对于保护古建筑问题迫在眉睫。古建筑是城市乃至国家文化底蕴的象征，受自然及人为因素影响，国内外古建筑破损的现象屡见不鲜。因图纸大量遗失导致建筑信息资料不全成为古建筑修复困难的重要制约因素。对古建筑进行建筑信息测绘、数字化建模、存档等工作刻不容缓。
1某寺院的模型库搭建
按现有建筑学中某寺院的构件名称和装配规则，对房梁部分进行建模，由底向上分为构件、组件、单体建筑三个层次。构件作为自动化重建语义中不可再生的终结符号；组件作为构件的组合，是语义中的非终结符号；为简化研究，将房梁部分作为单体建筑层级，是组件和构件的按语法规则生成的集合，也是重建过程的开始符号。（1）单体建筑级：某寺院房梁部分；（2）组件（铺作）级：柱头铺作、转角铺作（两种）、补间铺作；（3）构件级：昂、草乳榑、乳榑、明榑、瓜子栱、华栱（两种）、令栱、慢栱、泥道栱、栌斗、缴背、耍头（两种）、替木、三材升（两种）、四椽草栿等。在构件库的基础上，在geomagic中对每一个构件的.obj文件进行等侧视图、左视图、正视图、俯视图四个视角的投影截图，并对每一张图片，分别利用SIFT算法进行向量特征提取，输出若干个128维的特征向量，并集合组成与构件库一一对应的特征库，以配合后续二维处理和利用欧氏距离等方法完成的匹配。二者共同组成某寺院的模型库。同样地，基于现有古建筑知识，我们可以定义一系列产生式，用于某寺院的装配规则，形如：（1）房梁单体→四椽草栿+柱头铺作+转角铺作_1*2+转角铺作_2*2+补间铺作*8；（2）补间铺作→耍头+慢栱+华栱+泥道栱*2+瓜子栱*2+三材升_1*10+三材升_2*4；基于以上装配规则，对于扫描的残缺古建筑三维模型，即可首先通过人机交互的方式进行分割，化整体模型为构件碎片，利用相同手段提取数据特征，与模型库中的构件进行暴力匹配，配合相应的投票机制进行自动识别、分类和匹配。
2构件匹配研究
欧氏距离运算和投票机制的设计当古建筑构件受到损坏时，其形态和表面仍会保持部分原有特征，因此，当多角度对损坏构件进行观察时，专家仍然可以从部分视角下的形态和表面特征判断出构件属于哪一类。模型库基于专家的知识，模拟人类的视角和思维过程进行碎片匹配。主要步骤如下：（1）以“等侧视图+三视图”四个视角对损坏构件的三维模型进行平面投影观察，用SIFT算法提取特征点，对每张图的所有特征点输出128维特征向量。（2）以该向量矩阵为基准，对构件库中的所有构件进行暴力匹配。不妨设碎片的等侧视图向量矩阵大小为m*128，匹配过程具体分为以下几步：a.计算碎片等侧视图向量矩阵中的第1个向量和构件1的等侧视图向量矩阵中的每一个向量的欧氏距离，取最小值记录；b.以碎片等侧视图向量数循环执行a，直到等侧视图特征矩阵所有向量均获得一个对应的欧氏距离最小值；c.对b步骤获得的欧氏距离最小值取均值，作为碎片和构件1等侧视图进行相似性运算的参考值；d.再对三视图分别循环a到c，结果的集合作为碎片和构件1的相似性参考值；e.以构件库的构件总数循环a到d，获得碎片对于构件库中所有构件的欧氏距离参考值。为了提高效率，对于大型的构件库，可以在大量匹配实验的基础上确定参考值的阈值k，计算时大于k的构件即可停止运算，刨除出构件推荐队列。
3点云数据去噪与精简
噪声点即扫描过程中获取的非目标点云数据。噪点产生的原因如下：①因被测物体自身表面纹理、材质、缺陷等生成的误差；②扫描设备本身存在系统误差；③扫描待测建筑时车辆、行人、飞鸟等偶然因素进入扫描范围内。对拼接点云进行降噪处理可有效提升点云精度。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆使用Geomagic软件进行点云数据去噪，去噪方式采用软件提供的减少噪音功能结合手动选取噪声点去噪。由于点云数据庞大，冗余的数据及过密的点云密度会影响计算速度，因而需去除冗余数据，抽稀简化点云。
4“族”的建立
模型的建立分为确定标高和轴网、创建“族”、结构布置等步骤，标准构件“族”是用于创建建筑构件和一些注释图元的“族”。古建筑构件檐柱、额枋、趴梁、顺梁、山花板、角梁等不同于普通建筑构件需要单独创建。在RevitArchitecture中建立构件“族”模型需要完成以下四步：①由点云数据进行几何图形的绘制，确定“族”模型的几何尺寸。②赋予三维模型建筑信息，根据需要添加相应的文本建筑信息（名称、材质、颜色、年代等）。③设置“族”的可见性，即该“族”模型在项目中显示的详细程度，其详细程度取决于视图的比例关系。④保存新定义的“族”，然后将其载入到项目中进行测试。
5基于欧氏距离的构件匹配实验验证
为验证计算规则的合理性，在构件库中选取两款三材升（编号为1和2）、栌斗、瓜子栱、昂共5款构件，分别对每一个构件进行一定程度的模拟破坏，再与5个完整的构件进行相似性计算。计算结果如下：在5个碎片的运算结果中，有2个碎片（三材升1和三材升2）匹配成功，2个碎片（栌斗、昂）对应的构件排名第二，1个碎片（瓜子栱）对应的构件排名第四，基本达到预期。对四个视角的视图进行纵向观察可以发现，不同类型碎片对于各视图的匹配敏感度不同，总体来说，左视图更易于被匹配，而等侧视图的匹配更具稳定性。
6模型的绘制
绘制模型主要分为如下几个步骤：①由绘制二维CAD图确定的标高和轴网关系建立三维模型的标高和轴网，开始搭建模型。②创建楼板作为基础，楼板是石板，搭建楼板时设置楼板的长宽高。③以楼板为参照平面，在此基础上搭建柱子，本文用到自己创建的柱子“族”，根据要求设置相关尺寸，搭建时还需考虑其构造方式、立面显示、柱子的分布等因素，并在柱子搭建完毕后设置其相关属性参数。④创建内部结构，建筑物内部有梁等结构，根据已知的尺寸和材质创建内部模型。⑤创建屋脊和屋顶，根据标高与轴网，将梁、屋脊和屋顶放置到模型中，并设置相关参数信息；完成长椅、栏杆和窗花附着，屋顶建立完毕后，进行长椅、栏杆和窗花对柱子的附着安装。
7整理出图
出图时，首先根据需要，建立专用的图框族，然后将保存好的平面图视图、立面图视图、剖面图视图等放入图框内，对各图的位置进行调整布置，图纸整理布置完成后，可以将图纸视图导出为CAD文件。从数据采集到设计出图，采用三维构件扫描和BIM技术后，能够极大地提高工作效率和测量精度。整个过程实现了三维构件技术在文物古建筑修复中的正向设计，为设计的变更、施工方案的制定、技术交底等后续工作提供改了便利条件。
结语
以三维构件为基础，建立古建筑的模型，能够实现三维构件在文物古建筑修复中的正向设计，为设计的变更、施工方案的制定、技术交底等后续工作提供改了便利条件，还可建立古建筑信息模型数据库，对于古建筑的保护具有重要的意义。
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[3]张荣，刘畅，臧春雨.佛光寺东大殿实测数据解读[J].故宫博物院院刊，2007，2007（02）：28-51.
论文作者:许荣娇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/21
标签：构件论文; 古建筑论文; 向量论文; 模型论文; 碎片论文; 侧视图论文; 视图论文; 《基层建设》2019年第19期论文;