域外案例
评估应用于工业遗产的SCAN-UAV-HBIM工作流程——以西班牙拉帕尔马火车站为例
全文刊登于《中国文化遗产》2024年 第1期 P39-49
工业遗产作为一个国家经济和社会发展的体现，代表着一种文化价值，它融合了与生产、材料、建筑空间的文化和功能以及工业时代的生产系统或工业化过程等非物质方面有关的历史见证的所有类型。全球范围内对工业史，特别是对这类遗产的研究兴趣日益浓厚，这使得人们逐渐接受将工业遗产作为历史遗产的一部分[1]。由于不同学科专业人员的需求，各类遗产保护协会、基金会以及国际古迹遗址理事会（ICOMOS）、国际工业遗产保护委员会（TICCIH）和联合国教科文组织（UNESCO）等机构，都在推动工业时代遗迹的认定、改善和价值传播，将其作为当地记忆的一部分[2]。
目前，振兴老旧工业空间最有效的做法之一，是通过促进建筑物和受生产活动废止影响地区的社会经济再循环，对其要素进行再利用[3]。国内（西班牙）和国际层面都有许多保护和再利用工业地产的经验，比如将其改造成博物馆或展览空间，用于工业旅游、教育空间、文化和多功能中心用途，或用于住宅、行政或商业用途[4]。由于这种类型的建筑具有多功能性，因此在国际上如伦敦的泰特现代美术馆（Tate Modern）、拉纳克郡的新拉纳克（New Lanark）工业村镇等；在国内（西班牙）层面，如巴塞罗那的22@街区或韦尔瓦（Huerva）的廷托河基金会（Rio Tinto Foundation）等，这些工业遗产再利用的案例成为非常典型的例子[5]。
一些研究者认为，应致力于从文化、创新、平等和可持续发展的态度出发，对影响工业遗产提升的路径进行回顾，同时考虑上述文化遗产再利用进程中涉及造福社会的环境、经济、社会和文化可持续发展的实例[6]。对工业遗产的干预是地方发展和城市振兴战略中具有可持续性标准的第一级地方资源，反过来也是潜在的复原力因素[7]。
有研究探讨了如何将工业时代的遗迹融入城市结构，以此作为改造生产景观的一种战略；在这种战略中，可持续性和复原力发挥着重要作用[8]。这方面的专家通过各种经验表明，工业遗产管理与可持续和有韧性的地方再生之间存在着密切联系，这些经验为将一系列从废弃状态中抢救出来的遗产引入生产和文化领域创造了新的机会，使其成为经济和社会振兴战略的一部分。
工业遗产的重要性最近体现在通过建筑信息模型（BIM）协作工作方法对这些历史建筑进行三维数字建模。众所周知，这种三维建模系统代表了数字化设计和管理的一种新模式，在修复过程中具有巨大的潜力，因为它与自动化系统相结合，提高了诊断、设计和施工过程中的质量控制，并且对现有遗产的记录和保护也具有特别重要的意义。BIM工具可以通过查询操作和特定的自动化算法对大量变量进行管理和分析，从而确保参与修复历史遗产的不同机构之间信息交流的有效性[9]。
一、建筑与艺术价值及其与BIM的关系
工业遗产是所有已知遗产中最年轻的遗产类型，这是因为它的建造集中在19世纪晚期及以后。总体来说，任何工业建筑群都包含一系列特色要素，如建筑物、机器、使用的能源、原材料等[10]。与此同时，大多数工业建筑都具有当时典型的建筑风格，这不仅体现在其功能性上，还涉及到设计师在建筑风格上的独特之处。沿着这些思路，我们可以识别出安达卢西亚（Andalusia）的地方特色，尤其是其工业遗产的特征标志，如裸露的砖块、釉面陶瓷面板装饰和金字塔形尖塔等，这些元素共同塑造了安达卢西亚的地域特色。
建筑信息模型（BIM）建模的概念于1974年首次被提出[11]。多年后，又形成了更符合时代要求的方法[12]。墨菲（Maurice Murphy）等[13]提出了历史建筑信息模型（HBIM）作为一种新的历史结构建模系统。近年来，该方法论又朝着建筑遗产信息建模和管理（BHIMM）[14]，以及通过诊断辅助历史建筑信息建模和管理的方向发展[15]。
关于BIM的研究表明，越来越多的人开始关注在已有建筑中使用该方法。HBIM研究的主要趋势集中在建模技术、协作设计平台、分析研究、数据管理、修复操作以及提供每个参与学科所特有的文献资料，这表明历史建筑的信息建模需要进一步研究和发展，以实现更强大的功能。尽管BIM在新建筑生命周期的设计和管理中得到了广泛采用，但显然需要投入更多资源开展研究，探索BIM软件在遗产建筑和文化景观管理中的能力，从而提高其囊括建筑遗产固有的有形和无形信息的能力[16]。目前，越来越多的技术被应用于历史和考古遗产的数字信息处理和可视化，如虚拟现实（Virtual Reality）和增强现实（Augmented Reality）系统[17]。有研究表明，使用这些综合技术并结合不同类型的数据对管理建筑遗产信息非常有用。可以使用三维激光扫描仪或地面激光扫描仪（TLS）和摄影测量技术（SfM）创建三维重建结构，在数字重建的遗产环境中提供身临其境的体验，从而改进代表性数据的可视化和模拟中的互动。其他能够实现自动信息共享环境的可行技术包括结合了无线射频识别（RFID）的物联网（IoT）。
一座建筑之所以被视为遗产，不仅因为它具有建筑价值，还因为它的历史内涵和社会意义。重视其在社会中的重要性对于保护我们的历史身份至关重要。因此，HBIM研究设定的目标是进行全面的历史分析，汇集所有历史信息，并在缺乏文献的情况下进行精确的平面测量。地形学、地理信息学和协作建模等新技术的应用将提供高真实度和精确度。应用方法的基础是系统地整合TLS或无人机（UAV）数据采集技术和方法、点云存储和处理、语义分析和分割、数据互操作性以及最后的HBIM管理。因此，HBIM项目可以为遗产建筑未来的干预和维护提供精确支持。
二、案例研究
我们选择了西班牙安达卢西亚自治区韦尔瓦省的拉帕尔马（La Palma del Condado）火车站，一座具有遗产价值的工业建筑作为研究对象。该建筑建于1880年，工程师为海梅·丰特·埃斯科拉（Jaime Font Escolá），业主为吉列尔莫·桑德海姆（Guillermo Sundheim）[18]（图1）。与由马德里—萨拉戈萨—阿利坎特（Madrid-Zaragoza-Alicante，MZA）铁路公司管理的塞维利亚—韦尔瓦72号线上的其他车站一样，该车站也是新穆德哈尔（Neo-Mudejar）风格。这种较新的建筑风格主要是在19世纪末、20世纪初的公共建筑中采用的[19]。该建筑的所有外立面都使用了裸露的陶瓷砖，在门窗上重现了新穆德哈尔风格的特色，使用了马蹄形拱门（图2）。门上的马蹄形拱门由两道圆形线条组成，一道直径较小，一道直径较大，使用同一圆心，并使用与墙体相同的砖块[19][20]。在较大的拱上，垛口（salmer）或基底檐口（basal voussoir）处宽度最小，而拱顶石（keystone）处宽度最大，从垛口到拱顶石，宽度的变化是渐进的（图3a、b）。关于一楼的窗户，其建筑布局沿用了特有的马蹄形拱门形状，窗楣和门楣的排列方式与门相同，但这里是用单砖砌成的（图3c）。在其上部，包含了新穆德哈尔风格的另一个典型元素——阿尔菲兹（Alfiz）（图3d），其内部的拱顶装饰有十字形。在其下部，机制砖块被用来创造对称的几何图形，被称为马蜂窝形砖块。目前由于保护不足，建筑物已经严重老化，这是从未来介入（保护）角度看，该建筑物被选为研究对象的另一个主要原因。
图1 1892年的拉帕尔马火车站图（作者供图）
图2 2023年的拉帕尔马火车站北立面（作者供图）
图3 拉帕尔马火车站门窗建筑风格（作者供图）
a.目前的门；b.Arco de Herradura类型的图形和形式分析；c.一楼窗户现状；d.历史上带有阿尔菲兹的门
三、研究方法
（一）数据收集和处理
勘测开始时，首先使用Leica BLK360便携式激光扫描仪（PLS），在1.5米高的三脚架上进行了19次TLS勘测，该设备已在其他项目中使用过[21]。在第二次勘测中，使用超过5米高的伸缩式三脚架对第一层屋顶进行了扫描。在对扫描仪获取的数据进行后期处理时，使用了Cyclone Register360，这是Leica Geosystems的一款软件，其中包含一种云对云匹配算法，可自动配准重叠的点云[22]。这款新近开发的软件是管理不同记录并生成报告的直观工具，可确保所获数据的质量（图4）。
图4 数据收集（作者供图）
a.便携式激光扫描仪设备（第1次勘测）；b.对19次TLS测量的后期处理和数据验证；c.使用三脚架和杆子扫描第一层屋顶（第2次勘测）
对于数据集，就控制点而言，它们曾多次被用于正式的建筑测量控制[23]，并可在几何模型之后建立分析模型。多斯· 桑托斯（Dos Santos）等揭示了对记录进行地理参照时地面控制点尺寸控制的复杂性[24]，这一过程必须通过毫米精度的地形测量设备进行验证。为此，使用了精度为2mm的Leica Flexline TS02全站仪（TS）[25]。使用Leica Viva GS08 Plus全球导航卫星系统接收器进行记录[26]，可利用实时运动测量技术（RTK）记录感兴趣点的空间位置，静态模式精度为5mm+0.5ppm，垂直模式精度为10mm+0.5ppm。该系统基于全球卫星导航系统 GPS、GLONASS和Galileo，可获取额外数据以提高定位精度。
航空摄影测量工作使用的是大疆Mavic2 Enterprise Dual无人机，起飞重量不到910克。这架无人机在同一个云台上装有两台相机：1）一台M2ED红外相机，配有一个非制冷Vox微测辐射热计和一个HFOV镜头，57º，光圈为f/1.1，像素间距为12µm；2）M2ED视觉相机，配有3英寸CMOS传感器，有效像素为1200万，FVO镜头约为85º，等效焦距35mm，光圈为f/2.8。两个传感器均可输出Jpeg格式和MP4视频格式。操作系统通过智能控制器执行，该控制器可实时查看视觉和热成像两种光谱。大疆无人机有四种智能飞行计划模式，包括“斜飞计划”，该计划的最低飞行高度为25米，这表示无人机获取图像的地面采样距离（GSD）为0.76cm/px。在案例研究中，使用航空摄影测量法，调整了50米高的斜向飞行计划，无人飞行器获取图像的地面取样距离（GSD）为1.53cm/px[27]。摄影测量过程在 Agisoft Metashape软件中进行（图5）。
图5 UAV拍摄的火车站屋顶照片处理，以及Agisoft Metashape软件显示的摄影测量过程（作者供图）
（二）TLS与UAV工作流程耦合
最后，对TLS和UAV点云进行耦合分析和比较（见表1）。最佳拟合记录由Leica Cyclone 3DR软件处理（图6、7）。
表1 TLS和UAV点云拟合分析
图6 点云之间的最佳拟合记录，由TLS（右上角）和UAV（右下角）采集，Leica Cyclone 3DR 软件处理（作者供图）
图7 TLS和UAV点云的最佳拟合配准结果（作者供图）
（三）扫描至BIM流程
BIM项目中的参数化建模根据TLS和UAV勘测提供的信息启动，因此在HBIM项目中有效组织大数据至关重要。所有的这些数据都以点云为单位，按其位置或主题加以区分。之后可根据建造系统推进语义分割过程，对其进行适当分类[28]。该过程产生了5个点云组，并用Leica Cyclone 3DR（e57格式）进行了分割。插入HBIM项目后，这些云组将转换为参数库（lcf格式），并引用到项目的同一来源。为了实现灵活的可视化和可操作性，数据集根据其位置（室内、室外点云）或子部分（如屋顶层）分层管理（图8）。
图8 将点云组（e57格式）导入项目参数库（lcf格式）(A)；在HBIM项目里进行地理配准（B）和楼层设置（C）（作者供图）
在分析的案例中，通过摄影测量后处理获得的UAV勘测数据被添加到一个特定层中，用于屋顶监测任务（TLS设备未捕获屋顶数据）。
（四）HBIM项目中的参数化建模
参数库（lcf格式文件）被链接到项目中，并放置在为点云定义的文件夹中，这种方法可以减小项目的文件大小（减轻存储压力）。这样，建模必须按图层分组进行规划，以流畅的方式工作，只保留适当的可见图层：例如建筑物外部、内部、第一层屋顶、第二层屋顶。在建模过程中，使用了基本的族（family）：墙、柱、板、梁、模板、屋顶、门和窗（图9）。对于穆德哈尔建筑的特色要素，我们根据几何描述语言（GDL）创建了参数对象，突出了门窗阿尔菲兹的构造（图10）。
图9 HBIM项目的测量图：模型的北立面和轴测图（A）；拉帕尔马火车站的纹理立面图（南和西）以及矢量剖面图（B）（作者供图）
图10 在HBIM项目中创建自定义参数对象、分类和编目（作者供图）
对于包含植物装饰的复杂元素，如支撑雨棚的浇铸柱头和柱子，则采用基于SfM摄影测量的网格到BIM流程，以提高细节层次（LoD）。工作流程在Agisoft Metashape软件环境中执行，获得纹理化、缩放和优化的网格（图11a）。通过 3DS/3DM到GSM的转换过程，可将三维对象插入到HBIM项目中。在项目的当前开发阶段，已确定发展精度等级（LoD）为200，因此柱子最初是用 Morph工具建模的（图11b）。
图11 铸柱的纹理三维网格（SfM流程，Agisoft Metashape软件处理）（A）；雨棚部分的三维矢量细节（ArchiCAD软件处理）（B）；所选对象使用变形工具制作（LoD200）（作者供图）
（五）语义分类
BIM方法的一个主要组成部分是数据、图形和元数据的互操作性，以便 HBIM项目中的所有参与者和合作者都能使用共同语言共享这些数据、图形和元数据。尽管现如今遗产领域的语义和术语基础仍不完善，但是一个合格的BIM项目必须包含按照其管理机构进行严格分类的建筑、艺术和历史要素的语义组件，从而确保文化遗产保护与干预过程中的所有参与者的跨学科操作[29]。这样，该模型就可以在文化遗产干预和保护的所有参与者之间实现跨学科互操作。在加固西班牙赫雷斯（Jerez）大教堂大型壁柱的干预案例中，笔者所在团队建立了一个结构元素系统，对所有部件进行分段、加固（reinforcement）和加固系统（consolidation system）分类[30]。语义分类允许使用标准化数据库来构建模型，以定义每个元素的属性，这对于使用可在不同CAD/BIM建模应用程序之间互操作的语义方法进行有效的遗产保护至关重要。HBIM环境中的建模工作不断取得进展，但我们已经意识到，由于历史遗产的复杂性，其在忠实再现方面存在着局限性；另外还需要充分传输多学科数据，既要考虑到其社会文化价值，又要考虑到历史建筑的保护活动。本体论的存在对于促进互操作性至关重要，它允许通过定义描述领域的类、属性和关系，将现实的代表性模型概念化。笔者团队的研究提出了一种定义本体的方法和工具，该工具能够管理和共享在保护过程中按照预防性和有规划的保护方法获得的信息和数据[31]。
在这一阶段的工作中，对火车站的结构系统、墙体元素、楼板、壁柱、屋顶、装饰元素（如特色门窗）进行了识别和适当分类。每个元素的编码都是基于标准的BIM分类SCFclassV2–Spain。随后，在 ArchiCAD软件中进行过滤和管理，包括以下几个阶段：1）按特定层和类型纳入典型元素；2）确定修复阶段，是现有的、待干预的还是新的；3）指定其作为建筑系统的功能，是结构系统还是覆层系统；4）其在建筑群中的位置，是内部元素还是外部元素。模型中的所有组成部分都被赋予“现有”的临时状态。在未来的修复中，将在模型的属性分布中确定变化状态（拆除、干预或替换）[32]。
（六）开放式BIM的互操作性
选择开放式BIM方法意味着项目将以IFC格式进行共享，其中包含适当的、已达成共识的语义分类。这样一来，无论是项目参与者还是外部人员，都能自主地探索模型、识别元素和获取数量。
根据国家或地区标准完成车站建模和分类后，模型将从ArchiCAD导出。然后，可以从任何OpenBIM平台打开和浏览该模型（图9）。图12显示了BIMVision界面中的模型。
图12 在 BIMVision 中浏览IFC模型（作者供图）
必须对建模过程进行评估，以便根据所达到的开发水平以及TLS和UAV设备获得的真实准确信息进行验证[33]。为此，采用了BIM模型（IFC格式）和插入HBIM项目点云的比较程序（图13）。在此之前，必须对模型进行过滤，以便只获得建筑外部的信息；这是因为该模型是通过TLS扫描和摄影测量取得的。此外还应隐藏那些不太相关的装饰元素（瓷砖）和与原状家具不同的（从标准化BIM对象库中插入的）类型化家具。
图13 BIM 模型（IFC格式）与参考点云的对齐（Cyclone3DR 软件处理）（作者供图）
使用Cyclone3DR软件可以进行BIM对齐，从而可以配准参考点云和以IFC格式导入的3D模型。执行命令时，界面被一分为二：左边是点云，右边是3D模型外部表面对象。所选的IFC对象将是附加到固定对象（点云）上的对象。通过对象的预对齐，两个坐标系将重合，因此有必要在点云参考框架中定义坐标系的正确方向。进行预对齐后，必须确定用于计算最佳拟合的最大吸引距离。一般建议保留Z轴方向（图14），计算的数值如表2。
图14 BIM点云对齐的最终结果（Cyclone3DR软件处理）（作者供图）
表2 建模评估的数值
四、结果讨论
本文详细介绍了SCAN-UAV-HBIM工作流程应用于工业遗产案例，从高精度设备提供的数据收集到三维模型的评估。三维建模的验证被确定为研究的主要目标，将BIM模型与应用于火车站的 TLS和UAV勘测所提供的点云进行比较。在比对过程中，IFC模型的1491个参数化元素被分成9个组或类型。表3显示了结果摘要，指明了无数据分析的元素、未安装的元素、不完整的元素和已正确安装的元素。
表3 干预要素类型以及IFC模型和点云对齐过程中获得的结果
通过检查流程提供的数据（见表4），为每个覆盖带确定了覆盖阈值和容差。最后一栏显示了在上述范围内分类的元素，结论是正确安装的元素数量远远高于其他元素，在总共1491个元素中，有1390个（93.226%）正确安装。因此，我们可以认为该历史建筑信息模型的准确性是可以接受的。
表4 每个覆盖带的覆盖阈值、容差（%）和数量
最后，该模型对于向社会传播遗产也非常有效，突出了该镇的逆工业化进程；这些遗产与该地区的葡萄酒生产和人口运输有关，是拉帕尔马发展和进步的基础支柱。最终，如图15所示，依据该模型建立起火车站及其周边环境的虚拟游览系统。
图15 拉帕尔马火车站模型的虚拟渲染图（Lumion软件处理）（作者供图）
五、结语
构建一个具有历史价值的BIM需要从分析已有文献来识别历史背景开始，着重凸显建筑的社会、文化价值。在过程中需要使用精确的技术（TLS&UAV）来捕捉真实的几何形状，可以进行充分的诊断、测量和虚拟监测，发现建筑中存在的翘曲、坍塌、缝隙等缺问题。HBIM项目提供了最新的平面测量（方法），提供了迄今为止尚不存在的文件，这将为建筑维护和未来的干预措施提供支持。一个真实、可用的纹理三维模型可以支持语义元数据，构成一个跨学科数据库。本文中应用于建筑遗产的BIM方法促进了相关人员之间的合作，并提供了数据传输的可靠性。根据建模的发展精度等级/发展等级（LoD200），该方法的工作流程产生了精确的参数化模型，并得到了大量适当安装的语义片段或元素的支撑（超过90%）。
[本研究由西班牙塞维利亚大学“VII自主研究计划”资助]
作者简介
胡安·恩里克·涅托·胡里安（Juan E. Nieto-Julián），建筑师，西班牙塞维利亚大学建筑工程学院工程与建筑图形表达系教授。
胡安·安东尼奥·马西亚斯·帕蒂诺（Juan A. Macias-Patino），建筑师，塞维利亚大学建筑工程学院工程与建筑图形表达系博士候选人。
丹尼尔·阿尔卡德（Daniel Alcalde），塞维利亚大学建筑工程安全与健康专业硕士候选人。
胡安·何塞·莫亚诺·坎波斯（Juan Moyano），通讯作者，jmoyano@us.es，塞维利亚大学建筑工程学院工程与建筑图形表达系副教授。
项天宇，英国巴斯大学建筑与土木工程系博士候选人。
（文章参考文献和注释略）
责任编辑：孙秀丽
微信编辑：刘瑛楠
微信审核：孙秀丽