基于BIM的古建筑信息模型研究
——以山西晉祠魚(yú)沼飛梁為例

王崇恩，白 焱

（太原理工大學(xué)建筑學(xué)院，山西 太原 030024）

我國(guó)各民族的古建筑各具特色，記錄了各時(shí)期古建筑的特點(diǎn)，傳承著深厚的文化，在技術(shù)、文化、藝術(shù)等方面也具有很高的研究?jī)r(jià)值。由于這些古建筑受自然因素及年久失修、人為損害等外界因素的影響，出現(xiàn)不同程度的損壞。若仍通過(guò)傳統(tǒng)技藝對(duì)古建筑進(jìn)行保護(hù)、修復(fù)與完善，必將消耗大量人力、物力、財(cái)力，甚至?xí)o一些古建筑帶來(lái)更為嚴(yán)重的毀損。若不對(duì)其進(jìn)行及時(shí)有效的保護(hù)，古建筑的構(gòu)件信息將會(huì)消失。及時(shí)存儲(chǔ)、保護(hù)、修復(fù)好這些古建筑文化遺產(chǎn)已成為亟待解決的問(wèn)題。

古代傳統(tǒng)的古建筑信息存儲(chǔ)方式包括文字、彩畫(huà)與構(gòu)件大樣圖等，這些資料很容易丟失，且不能完全真實(shí)地反映出古建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，關(guān)聯(lián)性相對(duì)較差。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)逐漸被應(yīng)用到古建筑模型信息中，解決了古建筑修復(fù)、保護(hù)與擴(kuò)建的問(wèn)題，從而使得建筑中的構(gòu)件信息得以永久保存。目前，我國(guó)古建筑保護(hù)應(yīng)用BIM技術(shù)主要體現(xiàn)在：記錄古建筑生命周期的信息、古建筑三維整體模型與局部模型的建立等方面。由于我國(guó)古建筑的獨(dú)特性，必須加強(qiáng)數(shù)字信息化研究，利用BIM技術(shù)來(lái)保護(hù)和傳承彌足珍貴的古建筑信息。

1 BIM技術(shù)在古建筑方面的優(yōu)勢(shì)

1.1 BIM技術(shù)定義

BIM（building information modeling），意即建筑信息化模型。傳統(tǒng)意義上的建筑軟件，例如CAD、Sketch up、Rhino等2D、3D軟件，必須相互配合才能建立古建筑各個(gè)構(gòu)件的模型，呈現(xiàn)出完整的古建筑原貌。傳統(tǒng)意義上的軟件盡管大幅度提高了工作效率，卻并不能存儲(chǔ)模型構(gòu)件信息，如由點(diǎn)、線、面等幾何元素構(gòu)成的CAD。BIM建筑信息模型是一個(gè)數(shù)字化的三維模型，由族庫(kù)里的族構(gòu)件（梁、柱、墻、枋、門、窗）等構(gòu)成，是具有空間與屬性數(shù)據(jù)的虛擬三維模型。

相對(duì)于CAD二維軟件來(lái)說(shuō)，BIM平臺(tái)提供了三維思維，將建筑平面圖設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、建筑能耗、壽命周期等整合在一座建筑模型中，節(jié)省了大量人力、物力、財(cái)力，大大提高了工作效率。隨著現(xiàn)代建筑逐步增加，作為我國(guó)三大支柱產(chǎn)業(yè)的建筑行業(yè)也在迅速發(fā)展。為此，應(yīng)該更加重視保護(hù)傳統(tǒng)文化建筑，加強(qiáng)保護(hù)古建筑構(gòu)件信息，以傳承我國(guó)優(yōu)秀的民族傳統(tǒng)文化。

通過(guò)BIM技術(shù)所提供的平臺(tái)，可更為真實(shí)地記錄古建筑構(gòu)件信息，將其作用發(fā)揮到最大。BIM技術(shù)所構(gòu)建的建筑信息模型最大特點(diǎn)是參數(shù)化。參數(shù)化族構(gòu)件是動(dòng)態(tài)的，能夠體現(xiàn)一座建筑在不同時(shí)期的不同尺寸，且可以與其他構(gòu)件相關(guān)聯(lián)。因此，建筑即使受到不同程度的損害，也可以通過(guò)模型信息將其修復(fù)與還原。BIM技術(shù)強(qiáng)大的信息存儲(chǔ)能力和完善的功能平臺(tái)，為現(xiàn)代建筑及古代遺產(chǎn)建筑保護(hù)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，使遺產(chǎn)保護(hù)工作更高效，也使我國(guó)的古建筑文化源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。

1.2 我國(guó)古建筑的特點(diǎn)

在世界建筑體系中，我國(guó)古代建筑以復(fù)雜而優(yōu)美的結(jié)構(gòu)形成了獨(dú)特的體系。該體系早在3 000多年前的殷商時(shí)期就初步形成，其風(fēng)格優(yōu)雅、結(jié)構(gòu)靈巧。中國(guó)古代建筑的發(fā)展由原始社會(huì)直至現(xiàn)代，都體現(xiàn)著獨(dú)特的建筑結(jié)構(gòu)和規(guī)劃布局。

從構(gòu)造角度看，古建筑有以下特點(diǎn)：①以木材作為主要材料，創(chuàng)造了獨(dú)特的木構(gòu)架，再結(jié)合等級(jí)制度，創(chuàng)造出舒展的形體和宏偉大氣的建筑風(fēng)格；②以模數(shù)化的方式創(chuàng)造各個(gè)構(gòu)件，如柱、梁、枋、斗拱等；③由屋基、屋身、屋頂3大部分組合成一座完整的古建筑。

古建筑的梁架式結(jié)構(gòu)，也是現(xiàn)代建筑的框架式結(jié)構(gòu)。但古建筑的結(jié)構(gòu)材料相對(duì)于現(xiàn)代建筑來(lái)說(shuō)，更容易受外界因素的影響而消耗受損。通過(guò)運(yùn)用BIM技術(shù)，再結(jié)合我國(guó)的《營(yíng)造法式》《園冶》等文獻(xiàn)中模數(shù)制的思想，用REVIT軟件實(shí)現(xiàn)古建筑數(shù)字化存儲(chǔ)，為建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)開(kāi)辟一條新路徑。1.3 BIM與古建筑結(jié)合的優(yōu)勢(shì)

魚(yú)沼飛梁的建模依托REVIT軟件實(shí)現(xiàn)。REVIT集合了BIM平臺(tái)的各種功能，是一種綜合性的分析軟件。借助該軟件可完全還原魚(yú)沼飛梁的建筑模型，古建筑測(cè)繪的構(gòu)件數(shù)據(jù)、建筑結(jié)構(gòu)和細(xì)微的雕刻、古建筑材質(zhì)、物理受力分析也能完整地記錄在模型當(dāng)中。在REVIT軟件中，古建筑的二維平面和三維實(shí)體緊密相關(guān)，在任何一個(gè)二維圖形里修改數(shù)據(jù)，其他關(guān)聯(lián)的立面、剖面都會(huì)進(jìn)行自動(dòng)修改，體現(xiàn)了BIM平臺(tái)的智能化。

另外，REVIT建模的核心是參數(shù)化設(shè)計(jì)。古建筑特有的構(gòu)件——斗拱在《營(yíng)造法式》中有詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄，將斗拱構(gòu)件的各個(gè)尺寸信息輸入到REVIT族中，再根據(jù)公式實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的構(gòu)件模型信息，通過(guò)斗拱就可以關(guān)聯(lián)到其他構(gòu)件信息，從而起到“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的作用。由此，模型中的建筑構(gòu)件都有相互關(guān)聯(lián)的信息數(shù)據(jù)，打開(kāi)三維模型便可隨時(shí)讀取二維圖形的各種信息，以便相關(guān)人員隨時(shí)檢查、修改。從信息采集到信息庫(kù)的建立、從測(cè)繪尺寸到輸入構(gòu)件信息一個(gè)完整的建模過(guò)程，它最終展現(xiàn)了建筑的生命周期，亦等同于模型生命周期，BIM在這一技術(shù)方面具有無(wú)可比擬的專業(yè)優(yōu)勢(shì)。

2 三維信息模型應(yīng)用研究

文章以山西省宋代晉祠魚(yú)沼飛梁為例說(shuō)明三維模型信息的創(chuàng)建過(guò)程。

2.1 創(chuàng)建模型信息的基本流程

建模之前，應(yīng)對(duì)古建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。①用尺子、測(cè)距儀等工具到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得數(shù)據(jù)。②使用三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)掃描，通過(guò)生成的點(diǎn)云測(cè)得魚(yú)沼飛梁的其他數(shù)據(jù)。以二維圖紙和點(diǎn)云測(cè)繪圖為準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片，通過(guò)BIM提供的平臺(tái)，使用REVIT軟件實(shí)現(xiàn)三維信息模型的建立，模型完成后再結(jié)合Photoshop賦予模型材質(zhì)，在REVIT中調(diào)節(jié)材質(zhì)的參數(shù)。③進(jìn)行渲染、存儲(chǔ)信息等，完成模型構(gòu)建。

另外，在建模過(guò)程中要將魚(yú)沼飛梁進(jìn)行分解，將不同的建筑構(gòu)件分離為族構(gòu)件，賦予其參數(shù)化并保存，通過(guò)族構(gòu)件完成魚(yú)沼飛梁模型信息的制作。

2.2 創(chuàng)建三維建筑構(gòu)件信息模型

2.2.1 柱礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

①根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)，運(yùn)用Autodesk CAD軟件繪制魚(yú)沼飛梁平面圖；②在REVIT中新建公制結(jié)構(gòu)柱，根據(jù)構(gòu)建的平面圖和立面圖，創(chuàng)建柱礎(chǔ)與柱子（圖1）；③運(yùn)用修改工具中的連接選項(xiàng)，將柱礎(chǔ)與柱子相連接成為一體。保存公制結(jié)構(gòu)柱文件，將其載入項(xiàng)目，并關(guān)閉族文件，保存名稱為結(jié)構(gòu)柱族。

另外，REVIT中新建公制常規(guī)模型，將測(cè)得的斗拱信息數(shù)據(jù)CAD，導(dǎo)入REVIT中，運(yùn)用拉伸命令對(duì)齊尺寸標(biāo)注命令，根據(jù)斗拱的平面圖、立面圖，創(chuàng)建斗、耳、平、欹以及斗拱模型。運(yùn)用修改工具中的連接選項(xiàng)，將其連接在一起完成模型，賦予木材質(zhì)。將模型保存至斗拱族，載入項(xiàng)目并關(guān)閉族文件。

在族類型對(duì)話框中，根據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)立族參數(shù)。運(yùn)用拉伸命令和標(biāo)注命令，創(chuàng)建參數(shù)化的華栱單材，并將拉伸的水平面長(zhǎng)軸尺寸標(biāo)注關(guān)聯(lián)為“長(zhǎng)”，短軸尺寸標(biāo)注關(guān)聯(lián)為“寬”。

2.2.2 梁架結(jié)構(gòu)

(1)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地和CAD立面圖、剖面圖，將創(chuàng)建好的斗拱族放置于柱子頂端。在REVIT中新建公制結(jié)構(gòu)框架——梁和支撐族，導(dǎo)入點(diǎn)云激光掃描測(cè)繪的梁架結(jié)構(gòu)CAD（圖2）。在族類型中新建類型名為梁架，使用放樣工具，繪制出梁架。完成后將其保存到梁架族類型中，載入項(xiàng)目并關(guān)閉族文件。根據(jù)導(dǎo)入的平面圖、剖面圖，將制作好的梁架按結(jié)構(gòu)位置依次放入，完成整體結(jié)構(gòu)的繪制，最后將其放置于承重的斗拱上。

(2)根據(jù)REVIT導(dǎo)入的CAD剖面圖，在REVIT中使用建筑、樓板命令繪制出樓板，在屬性編輯中修改樓板厚度為140 mm，并賦予地磚材質(zhì)。由于魚(yú)沼飛梁樓板有坡度，按照CAD剖面圖添加分割線，輸入高差值，從而繪制出樓板坡度。另外，運(yùn)用建筑墻體命令，添加青磚材質(zhì)（圖3）。

2.2.3 魚(yú)沼飛梁族構(gòu)件

在REVIT中新建公制結(jié)構(gòu)框架——梁和支撐族，導(dǎo)入望柱CAD平面圖、立面圖，利用拉伸命令，制作望柱族（圖4），并保存至望柱族，載入項(xiàng)目并關(guān)閉族文件。新建常規(guī)模型族，利用拉伸、旋轉(zhuǎn)等命令，制作凈瓶、欄板、抱鼓石（圖5）、雕花等構(gòu)件，完成后進(jìn)行保存并載入項(xiàng)目。

2.2.4 魚(yú)沼飛梁模型

(1)通過(guò)REVIT導(dǎo)入平面圖、立面圖、剖面圖，將上述模型族構(gòu)件利用移動(dòng)、復(fù)制、修剪、連接等工具進(jìn)行組合，完成魚(yú)沼飛梁的整體繪制。

(2)根據(jù)REVIT中的CAD平面圖，結(jié)合地形高差數(shù)值繪制模型剩余部分。創(chuàng)建臺(tái)階、扶手、欄桿、欄板等構(gòu)件，制作完成后將其進(jìn)行組合，通過(guò)BIM平臺(tái)并利用REVIT軟件，將所有詳細(xì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在宋代魚(yú)沼飛梁模型中（圖6）。

3 古建筑參數(shù)化構(gòu)件管理

由于古建筑為木質(zhì)，容易腐朽、開(kāi)裂、受潮，因此年代悠久的古建筑信息容易丟失。另外，古建筑的建造手法大多數(shù)為代代相傳，雖然《營(yíng)造法式》里有部分古建筑構(gòu)件信息，但百科全書(shū)式的建筑記錄幾乎無(wú)存，為研究古建筑構(gòu)件信息帶來(lái)了困難。因此，必須結(jié)合當(dāng)代技術(shù)解決古建筑信息的遺失。古建筑主要包含古建筑尺寸、材質(zhì)屬性、雕刻與彩畫(huà)風(fēng)格、裝配位置、構(gòu)件物理受力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、壽命預(yù)測(cè)、綜合說(shuō)明等信息，收集并保存這些信息，建立古建筑構(gòu)件信息化平臺(tái)，有助于古建筑的保護(hù)，同時(shí)結(jié)合BIM管理平臺(tái)的使用，實(shí)現(xiàn)效率最大化。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章結(jié)合宋代《營(yíng)造法式》和測(cè)繪數(shù)據(jù)，以山西省宋代晉祠魚(yú)沼飛梁為例，分析論述古建筑信息模型的構(gòu)建方法。與此同時(shí)，建立參數(shù)化構(gòu)件族，運(yùn)用相應(yīng)構(gòu)件族建立魚(yú)沼飛梁結(jié)構(gòu)。

我國(guó)存有大量珍貴的古建筑，古建筑構(gòu)件信息的存儲(chǔ)與保護(hù)至關(guān)重要。選擇BIM作為存儲(chǔ)古建筑構(gòu)件信息的平臺(tái)，利用現(xiàn)代科技新技術(shù)來(lái)解決較為繁雜的古建筑構(gòu)件信息記錄，使我國(guó)古建筑三維信息更直觀地呈現(xiàn)在REVIT三維模型中。與此同時(shí)，各個(gè)構(gòu)件信息可隨意被調(diào)用。BIM技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)模型信息管理與信息共享，使讀者、觀看者、研究者可以全面詳細(xì)地了解古建筑[1-2]。隨著社會(huì)科學(xué)的發(fā)展，BIM技術(shù)既為山西省古建筑信息管理提供了平臺(tái)，又為后人更好地研究與學(xué)習(xí)古建筑創(chuàng)造了條件[3-4]。