HBIM在建筑遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用
——以山西陵川小會(huì)嶺二仙廟為例

王崇恩（天津大學(xué)建筑學(xué)院 天津 300072；太原理工大學(xué)建筑學(xué)院 山西太原 030024）

郭正可（山西五建集團(tuán)有限公司 山西太原 030013）

朱向東（太原理工大學(xué)建筑學(xué)院 山西太原 030024）

引言

歷史建筑信息建模（Historical Building Information Modeling，簡稱HBIM）是當(dāng)前古建筑信息保存與管理的一種新的技術(shù)手段，它是由歷史數(shù)據(jù)構(gòu)成代表建筑元素的交互式參數(shù)對象，這些元素可以準(zhǔn)確地映射到點(diǎn)云或基于圖像的調(diào)查資料[1]。HBIM理想化的最終階段是將參數(shù)模型原型庫的跨軟件平臺管理系統(tǒng)映射到點(diǎn)云和圖像調(diào)查數(shù)據(jù)，參數(shù)模型能夠?qū)⒍嗝襟w和紀(jì)錄片信息與實(shí)際建筑物進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)三維對象相關(guān)聯(lián)，也可以從參數(shù)模型中自動(dòng)生成完整的工程圖紙平、立、剖面圖和三維模型[2]。歷史建筑信息建模（HBIM）的“三維協(xié)同”優(yōu)勢貫穿于古建筑保護(hù)的勘察、修繕、展示、研究以及監(jiān)測的全過程。

本文選取山西陵川小會(huì)嶺二仙廟[3－5]作為研究對象，探討HBIM在建筑遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用研究。小會(huì)嶺二仙廟位于山西省陵川縣附城鎮(zhèn)小會(huì)村東南山嶺之上，坐北向南，占地面積1167.55平方米。廟宇分上下兩進(jìn)院落共11座建筑，由山門戲臺、廊房、獻(xiàn)廳構(gòu)成一進(jìn)院落；獻(xiàn)廳兩側(cè)做月亮門區(qū)隔二進(jìn)院，院內(nèi)有大殿和東西垛殿，現(xiàn)存大殿為宋代遺構(gòu)，余皆明、清所建。2001年被公布為第五批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位（圖1、2）。

一、古建筑建模技術(shù)

古建筑與其他文物類型不同，具有體型大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。一般一座單體建筑至少由幾十個(gè)或幾百個(gè)構(gòu)件組成，有的甚至是幾千個(gè)構(gòu)件組成（磚瓦、椽子還不計(jì)算在內(nèi)）[6]。為了更好的實(shí)現(xiàn)古建筑參數(shù)化建模，將古建筑構(gòu)件分為屋頂、柱類、梁類、枋類、桁檁類、椽類、瓜柱、墊板、望板、枕木、斗栱、隔扇等，各個(gè)部分又可以根據(jù)其特點(diǎn)再分為很多種類[7]。本文以小會(huì)嶺二仙廟的正殿斗栱為例，詳細(xì)分析各類構(gòu)件的構(gòu)成特點(diǎn)和參數(shù)化建模的關(guān)鍵參數(shù)，建立其參數(shù)化模型，總結(jié)得到古建筑構(gòu)件庫參數(shù)化建模的方法。

小會(huì)嶺二仙廟正殿大木構(gòu)件建造規(guī)整，用材規(guī)范，為宋代遺構(gòu)。廟前石質(zhì)焚爐上刻有“嘉祐八年李則為首率修”題記。正殿面闊三間（7.75米），進(jìn)深六椽（7.45米），平面呈方形，單檐歇山頂。屋頂舉折平緩，出檐深遠(yuǎn)。檐下柱頭斗栱五鋪?zhàn)?，雙杪雙下昂，補(bǔ)間斗栱五鋪?zhàn)?，雙杪雙下昂。梁架結(jié)構(gòu)簡潔嚴(yán)謹(jǐn)，用材粗大。整個(gè)殿宇的建筑形制、結(jié)構(gòu)手法明顯帶有宋代建筑風(fēng)格。

（一） 構(gòu)件參數(shù)化建模

北宋崇寧二年（1103年），李誡著《營造法式》，總結(jié)了此前營造技術(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，自此后斗栱有了制度、等級、名稱、次序、尺寸規(guī)定的做法[8]。下面以小會(huì)嶺二仙廟的柱頭鋪?zhàn)鳈径泛腿A栱為例，闡述參數(shù)化構(gòu)件的制作過程。

1.櫨斗構(gòu)件模型制作（圖3）

安置點(diǎn)：置于柱頭額枋或平板彷上，由暗榫固定。

結(jié)構(gòu)：根據(jù)《營造法式》，斗的形制由上到下分為耳、平、欹三部分[9]。

參數(shù)信息：根據(jù)實(shí)測尺寸，坐斗上寬465毫米，上深425毫米，下寬350毫米，下深365毫米。耳、平、欹高度尺寸分別為95毫米、65毫米、115毫米，斗口寬115毫米，凹30毫米，根據(jù)數(shù)理幾何推算得到欹的內(nèi)凹曲面半徑。

模型制作：

創(chuàng)建公制常規(guī)模型族樣板的族文件，保存名稱為櫨斗族。

依據(jù)常規(guī)參數(shù)給出的參照平面坐標(biāo)點(diǎn)，在族類型對話框中根據(jù)參數(shù)信息設(shè)立族的相關(guān)參數(shù)。運(yùn)用拉伸命令，創(chuàng)建坐斗的耳（包括隔口包耳）模型；制作與模型z軸上下面等高的參照平面，將模型上下面與對應(yīng)等高的參照平面鎖定；使用標(biāo)注命令標(biāo)注參照平面標(biāo)高，將標(biāo)注分別與參數(shù)“耳平欹”與“平欹”相關(guān)聯(lián)。

使用融合命令，將坐斗的平和欹體塊分別制作，使用空心放樣命令來拉伸欹的內(nèi)曲線倒棱，運(yùn)用標(biāo)注命令將倒棱的曲面半徑標(biāo)注并與參數(shù)Ra、Rb相關(guān)聯(lián)。

通過參數(shù)關(guān)聯(lián)尺寸標(biāo)注的方式，將其他族參數(shù)指定給對應(yīng)的標(biāo)注相互關(guān)聯(lián)。

驗(yàn)證模型的參數(shù)化可變性，嘗試調(diào)整參數(shù)數(shù)值進(jìn)行模型錯(cuò)誤檢測和調(diào)整，完成族模型。

填寫構(gòu)造信息，如構(gòu)件名稱、圖片、構(gòu)件編碼、構(gòu)件模數(shù)、彩繪信息以及受損程度等信息；物理特性信息，如彈性模量、材質(zhì)、強(qiáng)度、力學(xué)性能以及抗腐蝕性能、抗蟲蟻性能；構(gòu)件維護(hù)信息[10]，維護(hù)單位、維護(hù)日期、構(gòu)件維護(hù)價(jià)格等。

2.華栱構(gòu)件模型制作（圖4）

安置點(diǎn)：置于柱頭櫨斗泥道栱之上，長軸方向垂直于櫨斗面寬，由泥道栱和櫨斗榫卯固定。

結(jié)構(gòu)：根據(jù)宋代《營造法式》，華栱形制分為上下兩部分，分別為單材和栔，合在一起稱為足材[11]。

參數(shù)信息：根據(jù)實(shí)測尺寸，華栱單材高為210毫米，足材高為295毫米，華栱寬135毫米，斗口寬115毫米。根據(jù)宋代《營造法式》，計(jì)算得到各細(xì)部尺寸。

模型制作：

創(chuàng)建公制常規(guī)模型族樣板的族文件，保存名稱為一跳華栱族。

在族類型對話框中根據(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軸尺寸標(biāo)注關(guān)聯(lián)為“長”，短軸尺寸標(biāo)注為“寬”。

使用拉伸命令和標(biāo)注，根據(jù)參數(shù)完成坐斗的栔和隼的制作，使用空心放樣命令來拉伸華栱的栱眼以及卷殺。

通過參數(shù)關(guān)聯(lián)尺寸標(biāo)注的方式，把其他族參數(shù)指定給對應(yīng)的標(biāo)注相互關(guān)聯(lián)。

驗(yàn)證模型的參數(shù)化可變性，嘗試調(diào)整參數(shù)數(shù)值進(jìn)行模型錯(cuò)誤檢測和調(diào)整，完成族模型。

填寫構(gòu)造信息。

3.族構(gòu)件拼裝（圖5、6）

運(yùn)用相類似步驟可以制作斗拱其他相應(yīng)構(gòu)件，如果是相似的構(gòu)件可以通過調(diào)整族參數(shù)獲得，斗口尺寸相互關(guān)聯(lián)，將族構(gòu)件依照施工疊放次序依次導(dǎo)入櫨斗族文件中關(guān)聯(lián)斗口尺寸，核對榫卯尺寸的同時(shí)依次將模型放置入位。

（二） 古建筑參數(shù)化模型

利用構(gòu)件族構(gòu)建小會(huì)嶺二仙廟單檐歇山頂大殿整體信息模型（圖7），并在此基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了部分主要古建筑構(gòu)件的結(jié)構(gòu)規(guī)律，最后對模型進(jìn)行簡單的渲染。在歇山類建筑拼裝過程中，嚴(yán)格遵循實(shí)際測繪數(shù)據(jù)，對各部位的構(gòu)件進(jìn)行大木安裝，確保模型能夠符合實(shí)際情況的要求。

同理，以小會(huì)嶺二仙廟獻(xiàn)殿（卷棚頂）為例說明建模過程（圖8、9）：

（1）依據(jù)測繪信息，創(chuàng)建獻(xiàn)殿構(gòu)件族庫。

（2）新建項(xiàng)目，命名為獻(xiàn)殿，創(chuàng)建平面軸線，調(diào)整立面標(biāo)高。

（3）使用拉伸命令創(chuàng)建獻(xiàn)殿基礎(chǔ)。

（4）通過軸線位置定位柱網(wǎng)中心點(diǎn)，打開族庫中的獻(xiàn)殿柱族，載入項(xiàng)目中放置內(nèi)建模型-獻(xiàn)殿柱。

（5）同理依據(jù)構(gòu)造順序放置各個(gè)族構(gòu)件。

（6）內(nèi)建模型－屋面，運(yùn)用放樣及空心拉伸命令，制作望板及屋面瓦。

（7）同理內(nèi)建模型－墻，運(yùn)用拉伸命令制作獻(xiàn)殿墻。

（8）調(diào)整參數(shù)材質(zhì)，完成模型。

二、古建筑參數(shù)化建?！跋到y(tǒng)化”框架

（一） 古建筑參數(shù)化建模原則

1.遵循“有依據(jù)的復(fù)原”原則

古建筑資料一般并不完整，細(xì)部尺寸和內(nèi)部構(gòu)造并不能在以往的古建筑信息記錄方法中完整表述，而要制作古建筑參數(shù)化模型，就要從資料沒有的部分進(jìn)行推導(dǎo)構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)造的工作。對尚存的古建筑本體出現(xiàn)的破損殘缺部分的建模，要掌握有依據(jù)復(fù)原的原則，以尊重原始材料和確鑿文獻(xiàn)為依據(jù)。當(dāng)推導(dǎo)出的構(gòu)件違背文物的構(gòu)件受力原理和邏輯、或嚴(yán)重有礙觀瞻時(shí)，即應(yīng)對缺失部分，根據(jù)現(xiàn)存構(gòu)件的形制或同時(shí)代、同類型的相同構(gòu)件加以復(fù)原性參數(shù)化建模，如建筑物的柱梁、枋、額、斗栱部分等。對于已經(jīng)損壞的紀(jì)念性建筑物、古建筑等文物，因特殊需要建模時(shí)，應(yīng)盡量遵循文獻(xiàn)資料和參考同時(shí)期古建筑。

2.遵循“古建筑模數(shù)制”原則

制作參數(shù)化模型，需要體現(xiàn)構(gòu)件的內(nèi)在關(guān)系，就需要以古建筑的模數(shù)制特征為基礎(chǔ)來研究古建筑構(gòu)造。以構(gòu)件內(nèi)部關(guān)系制作的參數(shù)化模型，才有重復(fù)利用的價(jià)值，例如小會(huì)嶺二仙廟的各個(gè)斗族均是通過修改櫨斗族的參數(shù)和模型得到的。這樣的制作過程可以節(jié)約時(shí)間，模型可以根據(jù)實(shí)際需要更改參數(shù)獲得不同類型，使得為了制作小會(huì)嶺二仙廟模型所生成的族庫，可以直接用于其他宋代建筑模型制作，具有通用性，族庫具有實(shí)際使用價(jià)值。

3.遵循“HBIM系統(tǒng)性”原則

系統(tǒng)性原則也稱為整體性原則，它要求把決策對象視為一個(gè)系統(tǒng)，以系統(tǒng)整體目標(biāo)的優(yōu)化為準(zhǔn)繩，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各分系統(tǒng)的相互關(guān)系，以模型整體為優(yōu)化原則，協(xié)調(diào)各構(gòu)件的構(gòu)成放到整個(gè)模型中去以整體的眼光來衡量構(gòu)件正確性，以模型整體為總目標(biāo)，協(xié)調(diào)各個(gè)構(gòu)件的制作順序和流程。比如鋪?zhàn)鞯闹谱鳎托枰獜臋径烽_始從最下層一層層向上制作構(gòu)件，否則不容易協(xié)調(diào)各構(gòu)件之間的關(guān)系，出現(xiàn)模型錯(cuò)誤。

系統(tǒng)性的體現(xiàn)也反映在模型的分布式上，模型不同用途也決定了模型的精度，根據(jù)現(xiàn)有條件，這些模型根據(jù)需要可能包括：設(shè)計(jì)模型、施工模型、進(jìn)度模型、成本模型、制造模型、操作模型等。HBIM“分布式”模型還體現(xiàn)在HBIM模型往往由相關(guān)的設(shè)計(jì)單位、施工單位或者運(yùn)營單位根據(jù)各自工作范圍單獨(dú)建立，最后通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)合成。

（二） 古建筑參數(shù)化建模流程

1.構(gòu)件信息分類化整理

制作參數(shù)化模型之前，首先要做的是參數(shù)化構(gòu)件庫的建立，而在構(gòu)件庫建立之前，需要對構(gòu)件信息進(jìn)行分類化整理，資料通過收集整理后可以在整體上分成四個(gè)部分，即幾何信息、材質(zhì)信息、物理信息、彩繪信息以及其他信息。

所有信息中，幾何信息用于參數(shù)化族庫和模型制作，彩繪信息通過調(diào)整軟件自帶的材質(zhì)參數(shù)記錄在模型上，而其他物理信息、化學(xué)信息等不能通過模型可視化的信息，可以通過將各個(gè)構(gòu)件的信息制作成相應(yīng)的族參數(shù)記錄在各構(gòu)件族上。通過構(gòu)件族參數(shù)即可瀏覽構(gòu)件的全部信息。

2.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和構(gòu)件的制作方案

根據(jù)整理后的幾何信息（定位關(guān)系參數(shù)和構(gòu)件幾何參數(shù)），可以對構(gòu)件的構(gòu)成進(jìn)行分析，即構(gòu)件本身的形體特征以及與其他構(gòu)件空間組合關(guān)系，將構(gòu)件的類別、族進(jìn)行歸屬，例如轉(zhuǎn)角鋪?zhàn)髦械臋径?，根?jù)櫨斗的外形可以歸屬于斗這一類別，而根據(jù)櫨斗位于轉(zhuǎn)角柱頭之上這一特征可以將其族構(gòu)件名稱命名為角櫨斗。根據(jù)構(gòu)件幾何參數(shù)制作相應(yīng)的構(gòu)件族，將所有構(gòu)件族制作完成后，提取相應(yīng)的構(gòu)件族，載入新的族中，通過關(guān)聯(lián)定位關(guān)系參數(shù)生成嵌套族，將全部生成的構(gòu)件族和嵌套族稱為族庫。從族庫中提取需要的構(gòu)件族和嵌套族，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整模型參數(shù)，得到不同的構(gòu)件類型，載入項(xiàng)目中生成參數(shù)化模型（圖10）。

3.參數(shù)化建模的成果應(yīng)用

模型的應(yīng)用按照使用方法劃分為兩類：傳統(tǒng)圖紙、表格的打印和屏幕圖像顯示。

傳統(tǒng)圖紙、表格打?。簠?shù)化模型的一大特點(diǎn)就是可以直接生成傳統(tǒng)的平、立、剖等二維平面圖、構(gòu)件詳圖和相應(yīng)的表格。

屏幕圖像顯示：圖紙顯示方面可以分為傳統(tǒng)圖紙、表格、動(dòng)態(tài)圖、專題圖，參數(shù)化模型的優(yōu)勢就是可以將模型所包含的信息通過屏幕、個(gè)人電腦、移動(dòng)終端快速查詢，直觀準(zhǔn)確的指導(dǎo)施工過程、教育研究。

模型的應(yīng)用按照使用領(lǐng)域分，又可以分為三個(gè)方向：教學(xué)研究、施工指導(dǎo)以及古建筑信息管理。

在教學(xué)研究方面，HBIM為教學(xué)和研究提供了準(zhǔn)確和直觀的模型信息，可以通過參數(shù)反映構(gòu)件的內(nèi)在關(guān)系，提高教學(xué)的質(zhì)量和研究的效率。

在古建筑保護(hù)方面，古建筑信息管理系統(tǒng)通過HBIM結(jié)合RFID的標(biāo)簽芯片，可以使文物的定位及相關(guān)參數(shù)信息一目了然，快速查詢。

災(zāi)害預(yù)警方面，利用HBIM及相應(yīng)災(zāi)害分析模擬軟件，可以在災(zāi)害發(fā)生前，模擬災(zāi)害發(fā)生的過程，分析災(zāi)害發(fā)生的原因，制定避免災(zāi)害發(fā)生的措施，以及發(fā)生災(zāi)害后人員疏散、救援支持的應(yīng)急預(yù)案。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生后，HBIM模型可以提供救援人員緊急狀況點(diǎn)的完整信息，這將有效提高突發(fā)狀況應(yīng)對措施。

結(jié)語

綜上，參數(shù)化建模要以科學(xué)的理念為指導(dǎo)思想，以HBIM軟件為技術(shù)支持，以成果應(yīng)用為最終目標(biāo)。指導(dǎo)思想、HBIM建模技術(shù)和成果應(yīng)用，共同構(gòu)成古建筑參數(shù)化建模的系統(tǒng)框架。本文正是在分析山西古建筑的組成體系結(jié)構(gòu)和構(gòu)成方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合宋代《營造法式》和測繪數(shù)據(jù)，歸納了古建筑構(gòu)件的構(gòu)造規(guī)則和建模方法，完成了小會(huì)嶺二仙廟的建筑信息模型（圖11）。

古建筑歷史信息模型的建立將為古建筑保護(hù)提供重要資料，也為傳承傳統(tǒng)建筑遺產(chǎn)提供幫助。