建筑物三维图形测绘方法.docx

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建筑物三维图形测绘方法

建筑物三维图形测绘

一、三维建筑图

从平面图测绘过渡到三维建筑图（可衍生出平面图、立面图、剖面图、轴测图、效果图等）测绘，应注意其异同之点，并按其特点采取相应的测绘方法。

平面图主要测定地物的“平面特征点”：

直线两端点、圆弧起、中、终点、矩形角点等，据此就可画出平面图形，例如测定墙角点，取点不论高低，都能代表外墙的平面特征点。

测绘三维图时，平面图测定点位的规则大部分仍应遵守，但应增加新的测绘规则，例如有时特征点的取点位置有三维的规定，除了平面位置，还有高低的规定，例如墙脚点、屋檐点、门窗角点等，可以称为“三维特征点”。

测绘三维建筑图的目的一般有两种：

（1）简体三维模型—测绘建筑物外形，例如外墙、屋檐、女儿墙、斜屋盖的轮廓线等。

由此形成能简略代表各种建筑物外形的各种立面图、轴测图、透视图、外观效果图、数字化城市的三维地形图等；

（2）精细三维模型—测绘建筑物外形、内部结构和细部构造，除了可以形成上述的各种简体模型以外，还可以形成建筑物的详细外观的三维效果图、各层平面图、建筑剖面图、室内效果图、建筑细部详图等，用于个别特殊建筑、历史性建筑的保护和资料存档。

测绘三维建筑图必须了解建筑物的基本结构和细部构造（有关参考资料如：

《房屋建筑工程基本知识》、《建筑施工技术》、《AutoCAD建筑图形设计与天正建筑Arch工程实践》等），根据其结构控制和构造特点测定其相应的特征点，并要求对所采集的点位信息具有一定的代表性和可检核性。

例如，同一墙面的墙脚点、同一屋盖的屋檐点应为同高，平面和立面上应符合结构要求等。

二、房屋建筑的结构和特征点测定

房屋建筑基本结构大致分为：

承重墙结构、框架结构、混合结构。

对于承重墙结构，外墙及内承重墙为测定的主体；对于框架结构，柱列及外墙为测定的主体。

据此，拟合“建筑轴线”，作为控制和检核。

混合结构为承重墙结构和框架结构的混合，墙和柱为测定的主体。

房屋建筑细部构造有：

墙壁、柱梁、屋盖（屋面、屋顶）、门窗、台阶、楼梯、地坪、楼板、天花板、建筑装饰等，其特征点测定各有规则。

数据采集原则为：

采集特征信息，避免冗余采集，应有必要的检核。

（1）墙壁

墙壁有外墙、内墙、承重墙、隔墙、窗间墙、山墙、墙墩、女儿墙、围墙、装饰墙。

外墙的基部有勒脚或装饰性的须弥座等，外墙外有散水、明沟等附属结构物。

墙壁的角点是建筑物的重要特征点，墙壁的三维表达必须有基底点（墙脚点，墙与室外地坪或散水的交点）和顶点，因此，墙壁的角点至少测定代表墙顶和墙底的上下两点。

一堵墙壁的基底点和顶点必须有多点验证其标高的一致性。

同一墙面上的各点应验证其共面性。

墙墩为墩与墙的结合，墩的棱线必须测定。

门洞、窗洞、通气孔为墙体的空缺部分，应测定洞口在墙面的角点（矩形的洞口如果不能测定4点则至少测3点），作为门窗等定位的依据之一。

平屋顶的外围一般有一圈女儿墙，测定的特征点应能表达女儿墙的高度和厚度。

围墙和装饰墙往往有各种附属的构件、透漏或图案，应测定若干特征点作适当的表达。

墙体的厚度必须作为重要的构建参数测定。

墙体测定是构建建筑物主体和拟合建筑轴线的重要依据，因此在测定墙体时应有对建筑物的整体概念和对建筑轴线分布的概念。

（2）柱梁

建筑物的柱列分为：

框架结构的承重柱、门柱、廊柱、厅柱等。

其中心位置是拟合建筑轴线的重要依据。

方柱测定其顶部和底部的角点，圆柱至少测定顶部和底部的3个圆周点。

架于柱顶部的每根横梁至少测定能表达其2个断面的点位。

应分别表达主梁和次梁。

（3）屋盖

屋盖又称屋顶或屋面，分为：

平屋面、斜屋面、拱形屋面等。

平屋面也有一定的小坡度（例如1／30），以便散水，一般在周边有天沟和女儿墙，测定的点位应能作适当的表达；平屋顶的附属物有上人孔、排气管、通风管等也必须测定。

斜屋面的周边角点、屋脊和屋面沟的起、终点为应测定的特征点，使能正确表达屋面的各个斜面的空间位置；斜屋面周边的封檐板、封山板应测定其特征点。

屋盖的附属物例如天沟、水落管、水斗等也应测定其特征点，作适当的表达。

（4）门窗

门窗是房屋建筑的重要组成部分，种类繁多，形式各异。

可以将其分类和分型号，取其典型进行精细测定其细部结构，形成相对图形的图块或图形文件；构建建筑物三维图形时，按定位点插入门窗（和建筑设计时的情况相类似）。

门窗的附属物例如门柱、门楣、窗台、雨蓬等应实测其特征点，便于作图。

（5）台阶

通向室外的门外通道一般都有台阶（少数是平面或斜面通道）。

台阶应实测其梯级及其附属结构物，例如平台、花坛、矮墙、栏杆等的特征点。

（6）楼梯

楼梯有室外楼梯和室内楼梯，按其形式分为单跑楼梯、双跑楼梯、三跑楼梯、螺旋形楼梯等，应实测其梯级、平台、扶手栏杆等。

（7）地坪楼板

建筑物大门进厅的室内地坪的标高一般作为零标高（±0），应进行精确测定，作为归化其余各点标高的依据。

各层楼面地坪也应测定其标高，并测出楼面板的厚度。

（8）天花板

现代建筑物的都有各种形式的吊顶应测定其范围和标高。

（9）建筑装饰

建筑装饰作为建筑物的一种构件，种类繁多，简繁不一。

如果是批量的装饰构件，且尚能按特征点测绘其图形，则可精细测绘其中一件，制成图块或图形文件，再测定各个构件的定位点，按定位点定位。

如果属于复杂的建筑装饰，且为单件，则宜于用近景摄影测量或三维激光扫描的方法获取其图形，再按测定的控制点进行定位。

三、建筑轴线拟合和建立建筑坐标系

（1）拟合建筑轴线

建筑轴线为建筑物设计时的平面控制网，先规划建筑轴线，然后进行建筑物主体和细部的平面和立面设计。

建筑物三维图形测绘是建筑设计和建筑施工的逆过程，此时，建筑物作为一种地物已是客观存在，当进行建筑物特征点的数据采集，初步形成建筑物的平面图形以后，即可对建筑轴线进行拟合。

采用“拟合”（Fitting）这个数学名词是因为建筑物施工有误差，时间过程也会使建筑物产生形变或残缺，采集数据时也有一定的误差，因此，不可能精确无误地恢复原有建筑轴线的平面位置，而只能是采取拟合的原则。

当然，误差和形变不会太大，轴线位置的活动余地也不会多，因此，所谓“拟合”可以采取目估趋近的办法。

拟合建筑轴线的主要根据是墙体、柱体的中线，以及建筑设计图上轴线的间距一般为整米数或整分米数（建筑图尺寸以毫米为单位，即至少最后两位数为“0”），并顾及其布设的合理性，例如分布的均匀性和对称性等。

拟合所得的建筑轴线网格对建筑物平面图形的测绘成果起控制和检核作用，也是进一步对建筑物图形处理的依据。

如果测绘成果是作为历史文物保护资料或提供给建筑设计者作为维修或改造的原始资料，则建筑轴线更是十分必要的。

（2）用坐标变换建立建筑坐标系

建筑物为按一定规则设计的几何实体，其布局的依据为建筑轴线，绝大部分建筑构件都平行或垂直于建筑轴线；即使旋转一定的角度，也以建筑轴线为依据。

因此，需要按建筑轴线旋转坐标轴，使成为独立的“建筑坐标系”，这样便于利用CAD的各种作图手段对建筑实体图形进行构建、加工和修饰。

按照拟合的建筑轴线网格，可以在CAD图上量测轴线的大地方位角和图形左下角的整数大地坐标值（“大地”是指这一地区统一的国家坐标系或城市坐标系而言），据此进行坐标轴的平移和旋转（坐标变换），使建筑轴线的网格平行于坐标轴，使坐标值去掉大数部分（整千米、整百米）而得到数据的简化。

图1所示为同济大学旭日楼三维建筑图测绘时拟合的建筑轴线网格，以及根据建筑轴线而量测得到的坐标变换参数：

建筑坐标系原点的大地坐标值和建筑主轴线的大地方位角（建筑坐标系的平面坐标旋转角度）。

图1建筑轴线的拟合和坐标变换参数的量测

四、建筑物实体的构建

（1）建筑物三维图形的实体构建

用全站仪采集空间离散点位进行建筑物三维图形测绘，关键在于正确构建建筑物构件的实体图形。

在CAD绘图中，只有实体（Solid）图形才能进行消隐、着色、渲染、阴影、拉伸、集运算等三维图形的处理。

而对于实体的形成，CAD有其一定的规则。

所谓图形构建（Constitution）不同于平面图形的绘制，不能简单地用实测点位的连线并作某些补充或修饰来完成；而是以实测点位为基础，以建筑构件的特性为依据，用拟合的方法来完成。

例如对一堵平直墙壁上的点位数据采集，在墙的基底部位的点位的连线按墙壁的特性应该是在同一高程上的一条狭长的矩形，但由于墙体的施工误差、形变和测量误差而获得的结果不严格是矩形，且不在同一高程面上，在这时就需要用拟合的方法使之成为具有同一高程的矩形面域，然后才能按墙的高度进行拉伸而形成实体，这就是这堵墙壁的实体图形构建过程。

其余建筑构件的构建均依此类推。

（2）建立图层

用CAD构建三维建筑图的实体时，一般按建筑构件的种类例如墙壁、梁柱、门窗等分别建立图层，也可以再按作图需要建立必要的图层。

例如某个实体形成后，观察时会遮住其他图形，妨碍进一步作图，如果该实体有独立的图层，则必要时可暂时关闭该实体的图层。

因此，合理的分层有利于作图和成果的管理，但不必要的分层过细也应避免。

（3）创建墙壁梁柱门窗等实体

对于墙壁梁柱门窗等建筑物可先构建平面图形，形成面域（Region），然后进行拉伸（Extrude），创建立方体、板体、柱体、梁体、角锥体等实体。

图形拉伸是创建建筑物实体的主要方法，分为“拉伸”和“拉伸面”。

前者是在CAD的“创建实体（Solid）”菜单中将某一个面域拉伸为三维实体，后者是在“实体编辑”（Solidedit）菜单中指定三维实体的某一个“面”进行拉伸。

创建墙壁用垂直拉伸，创建斜屋盖用具有倾斜角的拉伸。

建筑附属构件的实体构建方法一般为先在XY平面上作图，形成面域，然后拉伸一定的高度，形成基底在XY平面、左下角点为坐标原点的实体，再按测定点的坐标用移动（Move）手段使实体在三维空间移动，使其各就各位。

如果一体多用，则利用剪辑板进行复制和粘贴则更为方便。

任何一个平面可以利用用户坐标系（UCS）使成为XY平面，同样可以采用在XY平面上作图，再进行拉伸的方法以创建各种实体。

利用三维阵列（3DARRAY）绘制成行、成列、成层的建筑实体，例如柱列、栏杆等。

利用“集运算”（又称“布尔运算”，有并集Union，差集Subtract，交集Intersect）对各种实体进行加工。

例如用差集在墙体上开门洞和窗洞；用并集形成各种组合体，例如横档和直档合并成门窗的框架；用交集取两实体的共同部分，形成各种特殊形体。

（4）预制构件的制块与插入

建筑物中具有一定数量的预制构件（例如梁、柱、门、窗、栏杆、装饰物等）一般具有统一的规格和尺寸，仅是分布的空间位置不同。

宜于量测一个代表性构件的详细尺寸，建立三维图形的图块（Block）或图形文件；作图时用插入（Insert）方法使其在建筑三维图中定位，必要时再作方位的旋转。

插入图块的三维尺寸（X、Y、Z方向）必要时可按指定的百分比分别进行调整（例如门窗高度、宽度和厚度的分别调整），更增加应用“预制－插入”方法的灵活性。

图2所示的线框视图为上海市杨浦区历史性建筑—“飞机楼”屋顶的圆形层台栏杆的栏柱和不同半径的围栏的预制构件单体。

根据精确测定的细部尺寸，每一构件绘制成图形文件。

每个构件上有一个定位点（独立坐标系的原点），例如栏柱的定位点在顶部中心。

在数据采集的现场，测定每个构件定位点的三维坐标和层台圆心的位置。

在CAD中构建层台的图形时，根据定位点插入各个栏杆构件并作向心旋转。

经过体着色后的层台的轴测视图如图3所示。

图2层台栏杆的预制构件制成图块

（5）三维视图及用户坐标系的利用

三维建筑图的成图过程中，三维视图（包括俯视、仰视、主视、背视、左视、右视—总称“六视”，各种轴测投影视图）、三维动态观测和用户坐标系（UCS）等工具应充分利用。

六视中的后五视实际上即为特定的用户坐标系，在其中作图尤为方便。

三维动态观测常用于对已绘制实体图形的总体观察和细部修正。

图3层台栏杆的实体图形构建

（6）建筑实体的着色和渲染

对三维图形的着色（Shade）和渲染（Render）能产生各个实体表面的多种颜色浓淡、明暗和隐蔽，以及光线反射强弱（反差）的效果，使实体具有立体感；而且使构成实体的线条的颜色转变成实体表面的颜色，由此可以更清晰地观察所绘建筑物的整体和各个细部。

常用着色方式（Shademode）有消隐（H）、平面着色（F）、体着色（G）、带边框平面着色（L）和带边框体着色（O）。

三维建筑图的最终成果中也应包括建筑物着色或渲染图的输出。

图4所示为同济大学旭日楼三维建筑图测绘成果的某一轴测投影视图，用“体着色”功能所得到的视觉效果。

所设置的图形线条颜色转变为实体表面的颜色，并按照轴测投影所设置的标准光源，随实体表面的位置和方向而得到光照明暗和颜色浓淡的立体效果。

为了详细观察，可以将图形作任意比例的放大，例如图5所示为旭日楼正门部分的放大图像。

（7）建筑实体的透视投影

三维视图中的六视图和各种轴测视图都属于平行投影（用平行光源将物体投影到某一平面上），它能正确反映物体的实际形状和尺寸，但是并不完全符合人们的视觉和照相原理—中心投影。

中心投影又称透视投影，原理是用点光源（所在位置称为“透视点”）将物体投影到某一平面上。

中增设对实体图形进行透视投影的功能，在命令行输入改变系统变量（透视）的命令，设置该参数为“0”，则为平行投影；设置该参数为“1”，则为透视投影。

进行透视投影时，还需要用工具栏中的视图／相机快捷键显示输入选项，分别设置相机的位置（透视点）、目标位置（相机视角的指向和相片框）、相机高度、镜头长度（焦距，单位：

毫米）等参数，然后再用“输入选项”中的“视图”和“切换到相机视图”选项，使显示指定参数的实体图形透视图。

图4旭日楼体着色轴测视图

图5旭日楼轴测视图正门放大图像

建筑实体的透视投影完全符合人眼的视觉，相当于用照相机对实物摄取的一张像片。

图6所示为同济大学旭日楼建筑实体三维图形在某一透视点的透视投影图。

图7所示为飞机楼三维图形透视图。

图8、图9为文远楼在不同方向的透视图。

图形处理中的虚拟现实（）技术，对三维实体图形不仅可以产生各种透视投影图，还可以用材质、光源、贴图、背景等高级渲染的图形处理方法制成各种逼真的场景，例如建筑物设计的外观和室内效果图等。

图6旭日楼东南方向透视图

图7飞机楼三维图形

图8飞机楼三维图形透视图

图9文远楼东北方向透视图（宽屏幕）

图10文远楼东南方向透视图（宽屏幕）

图11文远楼东南方向透视图（宽屏幕）

图12增加周边道路和树木后的文远楼透视图

图13古典厅堂三维模型透视图