大型木造建筑物的计算机仿真和质量控制

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1、第? ? ? ? 卷第 ? 期 ? 月 武汉测绘 科 技人学 学 报 ? ? ? 、? ? ? ? 一? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? !? 一? ? ? ? ? ?,? ? ? ? ? ? ? ? ? 一 ? ?飞 ? ? ? 大型木造建筑物的计算机仿真和质量控制 许妙忠朱宜查 ?武汉测绘科技大学侧绘遥感信息工程国家币点实脸室 武汉 市路喻路 ? ? 号 ?以? ? 摘 要利用传统测量方法和现代测绘技 术相结合 对人型木造建筑物进行计算机三维模型构造并以此对 整个重建?几程进行测量监控 ? 也对一些新 的设备和技术在占建筑领域的 应用作了有益 的尝试 。 结果表明 ? 在 占文

2、物 占建筑 维护和重建过程中 用计算机三维仿真来保存完整数据资料和对施 ?几过程进 行质量监控是一 种合适 的方法 。 关扭词 ? ?仿真 ? 占建筑 ? 质址控制 ? ? ? ? 分类号 ? ? ? ? ? ? ? 一 ? ? ? ?, ? 在古文物古建筑的维护 、 保养 、 修复和重建工 作中 ? 测绘工作是十分重要的环节 , 但 一 般的二维 平面图 和立面 图在使用中总受诸多限制 。 香港志 莲净苑从筹备到实施历经数十载 , 佛寺的规模和 构架参考了中国 、 日本以及东南亚地区大 最 实物 和 文献资料 , 咨询了众多国内外著名木构造专家 和 瓦专家的意见 , 并在施工过程中不断改进完

3、善 ? 工程的高标准和严要求也对测绘工作提 出 ? 更 新 更高的要求 。 本文基于建筑物计算机二维模型 的 构造 ? 描述了在志莲净苑仿唐佛寺重建 ? 二程 中利 用计算机三维仿真保存完 整 数据资料和对施 ?几过 程进行质量监控的方法和手段 。 ? 工作目标及主要任务 在古建筑设计和施 ? ? ? ?扣 目前普遍采用 的 二 维设计图 和结构分建图常存在 列 问题 ? ? ?设计者 之 间设? 一? 一 思想和设计方案的交流 和沟通 比较困难 , 不利于协调建筑物 的统 性 、 完 核性和艺术性 。 ?图纸的专业性很 强 , 难以理解 更不利? 屯 交流和保存 。 ? ? 绘制各种设计图和

4、分件图的 ? ? ? 作址很 大 , 作业周期长 , 对图纸的更改 ? 分困 难 和费时 。 们 ? 不利于对施工过程进行质 址控制 。 座 建 筑物从 设计到 峻工 有 多道 ? ?序 , 光凭经验 来控制 质最是 远远 不够的 。 因此 ? 笔者工 作的目标 是 用 ? 空 问 实体模 型取代大 量 的二维平面图纸 ? 一 方而保存 份? 观准确的 ? 数据资料 ? 另 方而利用计算 机组 装技术和测绘手段 来监 测 整 个施工 过程 , 确保工 程质 量 。 主要 工作 过程和任务 如下 ? ? 了解古建筑设计思 想 , 熟悉其工艺流程 ? ? ?对建筑物所有构件进行实物测 量 , 获取

5、详 细 而完整 的第 一手 资料 ? 同时 对构件外观和加工 质量进行第 一 次检 查评定 ? ? ?用 ? ? ? 等软件建立所有单一构件 的计算机二维实体模型库 ? ? ?在计算机 上进行建筑物局部和整体预组 装 , 进 一 步 检查构件质敏 预测实际 安装精度 提 供各类图纸给相关人员 ? ? ? 通 过近景摄影测 量 和工程 测量 ? 对 峻 一? 后 的建筑物进行质 鼓评估 ? ? ? 探讨数字摄影 测 量新技术在古建筑领域 的应 用方法 。 ? 数据获取与记录 在木结构建筑领域 、 对 大木构架?柱 、 梁 、 仿 、 牛 、 拱等?的制作与安装有较高要求 , 精度为? ? 级 ,

6、 因此 , 对数据 获取 的精度要求很高 。 另 一 方面 , 获取数据的 效率在志莲净苑重建 ? ?二程中 ? 分关 键 ? 因为木构件不仅形状 ? ? 变万化 , 而比构件数 狱 ? 分庞 大 仅人雄 ? ? ? 殿就 多达 ? ? 余件 。 所以 , 在实际 ?作 卜 必 须采用快 速和有效的 办法 。 ? 直接 缎测 。 对? ? 上要山平而构成的构件 ? 用经 检 定后的 ? , ?泛或? ? ? 心?气接狱取它们的?泛 、? 并 考虑温 度改正后标于构件草图上 。 ? ?近景摄 影测 狱方法 。 近景摄 影测 狱经常用 ? ? 建筑领域 本 ?几程中用狱测 用摄影 机 ? ? ?

7、收稿?期 ? , ? 一。? ? ? 许妙忠 男 抓岁 高级工程师 现从 ? ?摄彩侧 从?遥感研究 第 ? 期许妙忠等 ? 人型木造 建筑物 的计算 机仿真和质最控制 ?”摄取立体像对 , 在解析测 图仪上测制建筑物 的立面图 。 由于 近年来数字近景摄影测量已逐渐 成熟并作为一种有效的测量手段广泛用于工业领 域 , 所以在志莲净苑工程中 , 对于一些复杂表面的 构件 , 采用数码 ? ? 相机十?计算机?摄影测 量软件? ? ? ? ? ? ? 和? ? ? ?获取其三维空 间数据 , 建立三维立体模型 。 作业流程如 图 ? 。 ?相机检校? 去 ? 被摄 目标特征点标 定? 备 ?获取

8、相对或绝对控制数据? 去 些构件详尽 的表面形状和结构 。 。一? 碑扩 、 不 犯 ?红 ?人 、 口 ? ? ? ? , 一 ?二扮 一 犷 声 ? 误 , 丁一 户 滚 图? ? ?模型的一些实例 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。? ? ? ? ? 建筑物的计算机立体组装和质? 控制 去 ?精度评定? 图 ? 建立三维立体模型流程图 ? ? ? ? 、? ? ? ? ,? 、? ? ,?只 ? ? ? ? 工程测量办法 。 为了获取建筑物峻工后 的 质最检测数据 ? 采用 全站仪 ? ?,? ? ? ? ? 进行实地测 量 ? 获取建筑物特定位置的 三维空 间 数据 。 ?

9、构件的计算机三维实体模型库的 建立 目前 , 主要利用计算机图形建立与处理技术 和? ? 技术建立大量物体完全表面 的二维模 型 。 在志莲净苑重建工程中 , 土 要采用?来建 立建筑物单一构件的计算机三维立体模型 。 在实 际作业 中 ? 用? ?,?,? 语言对 ? ? ? ? 的 二维 建模功能进行了改进和扩充 , 像多点线框结 构一 次成面 、 隐藏线的快速处理等 ? 取得 了比较好的效 果 。 消隐前后的构件三维模型例子 见图 ? 。 在古建筑领域 ? 为了结构或美观上 的需要 , 有 些构件采用 了特殊工艺或在构件表面增加了许多 装饰性细节内容 , 对此仅利用? ? 来表达 是 十

10、 分困难的 。 为 了保存完整资料 , 作者用 数码 ? 相机直接拍摄或用普通相机拍摄后经彩色扫描仪 扫描获取这些构件的彩色数字影像 , 然后把它们 输入计算机用 ? ? ?, ? ? 等软件加工处理后转人 相应构件计算机模型库 , 用 影像和模型来描述这 古建筑工匠有句俗语 , 叫 “大 木怕 安” 。 一是说 大木安装是对制作工作的检验 , 制作过程中任何 疏漏 、 偏差等质量问题在安装中都会暴露出来 ? 另 一层意思是 , 大木安装是 很不容易的事 ? 要将成千 上万件大木构件在现场有条不紊地安装起来 必 须遵循 一套科学 、 严 格 的规律和程序 , 即先内后 外 、 先下 后上 、

11、上架装齐 、 局部检查 、 上架构件 、 顺 序安装 、 中线相对 、 勤校 勤量 。 用计算机进行建筑物的三 维组装时 ? 也 基 本 上遵循 上述原则 ? 利用 ? ? 二维 和三维图 形编 辑功能逐步进行 。 但必 须考虑两个问题 ? 首先组装 成 果也用于检测 加 工质量 ? 获取构件结合误差数 据 ? 因此 , 必须考虑相邻构件之颜色组合 ? 其次一 幢建筑物有成千上 万个构件 把它们组装起来后 的数据量是卜 分惊人 的 , 这给计算机上 的 图形处 理 、 显示和输出带来很大 的困 难 。 所以茬卖际工作 中 , 采 用 由小 到 大 、 逐 步安 装 、 反复检 查 的组装过 程

12、 ? 并充分利用 ? ? 中组块 、 分 层 技术 尽 量减 少 数据量 。 ? ? 局部组装 在相关构件的计算机三维模型建立以后 ? 立 即进行局部组装 , 用来检查单个构件以及检测 构 件结合编差 检查 无误时作为单独组块存贮备用 。 图 ? 是 一组 斗拱组装结果 。 ? ? ? ? 分层组装和整体组装 考虑到计算机数据处理和图形 显示的 速 度 ? 在组装时把幢建筑物分成几层 ? 每 层作为单 独的 一个部分分别组装 , 从各个方面反复检查 无 误时当作一 个层块存贮 。 图 ? 为志莲净苑天王殿 柱层和 斗拱层 的计算机组装图 。 武汉测绘科技 大 学 学 报 ? ? 年 呼犁 彰

13、产熟乒习 图 ? 一组斗拱组装图 ? ? ? ? ?一? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 一? ? 把每一层块在建筑物总体框架上按顺序组装 在一起就构成了建筑物 三维立体总 图 。 图 ? 为大 雄宝殿整体组装后的 正立面 图 。 事实上 ? 从获取原始数据到建筑物计算机组 装 , 整个过程也是 对古建筑施工进行质量控制的 过程 。 量测构件获取原始数据时 , 检查 了构件的外 观以发现明 显错误 , 通过局部组装 、 可以发现构件 结合部的偏差 , 把这些信息提供给施工人 员以便 得到及时改正 。 分层组装和整体组装后 , 可以从不 同角度观察建筑物的总体效果 , 获取特定区

14、域的 数据信息 , 输出各种类型 的二维和三维 图纸 , 供相 关人员参考和决策 。 在建筑物峻工后 , 通过工程测 量或近景摄影 测量 , 以检查建筑物 的各种变形 和 偏差及对称性不符值等 , 并迅速反馈给施工人员 。 图 ? 柱层和斗拱层计算机组装图 ? ? ? 琳 ? ? ,? ? ? ? 一? ? 只? ,?一? ? ? ?一? ? ? ? ? ? ? ? ? 图 ? 大雄宝殿整体组装后的止立面图 ? ! # % lt i(, n ( ) fM ; lin H : 一11 5 结论 物的 三维数字档案已经建立 , 藉此可以多角度 随 时输出构件以及各种组装图 的二维和三维图 纸 。

15、笔者的 工作表明 , 在古建筑古文物的维护 和重建 方面 , 用计算机三维仿真来保存完整资料和 对整 个施工过程进行质量控制是十分有效和重要 的 。 致谢 :李欣、 陈志勇 、 杨杰 、 伍大洲 、 江万寿和 何志紊先生参加了本次工作 , 在此一并致谢! 参考 文 献 通过计算机三维仿真 , 发现和检测出许多问 题并使之获得及时的 处理 , 从而给志莲净苑重建 工程的顺利进行提供了保证 。 志莲净苑主 要建筑 1 马炳 坚 .中 国占建筑 木作 营 造技 术.北 京 :科 学 出版 社 , 1995 2 房屋修缮标准与法规选编 .北 京:中国建筑卜业出版 社.1985 3Atkin、() nl亏 . ( l () se R an g e l h 。 ) t ()gr a mm e t r y a n d M a- e 11in e Vi、i() n . W llit r le s l u bli、h ing , 1996 第l期许妙忠等 :大型木造建筑物的计算机仿真和质t 控制3l C o mP ute r Sim ulatio na nd Q u ality C o ntr ol fo rB u ild ing o f theL a