基于BIM技術的歇山古建筑信息模型的創(chuàng)建

楊振威任克彬劉晨輝李新明

(1.河南省文物建筑保護研究院,河南 鄭州 450002；2.河南省文物建筑保護設計研究中心,河南 鄭州 450002；3.中原工學院建筑工程學院,河南鄭州450007)

0 引言

中國傳統(tǒng)古建筑自成體系,在歷朝歷代的發(fā)展過程中不斷完善[1]。正是由于這種承襲古制的傳統(tǒng),以及各地區(qū)、各民族間建筑文化的不盡相同,使得中國古建筑形成了獨具特色的建筑風格和營造手法。加快推進古建筑保護的信息化工作,建設國家文物大數據庫,有效記錄和永久留存每一個極具特色的古建筑成為廣大文物保護工作者討論的焦點[2]。

目前,建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)研究發(fā)展迅速,其在現(xiàn)代建設項目中的應用已有相當的規(guī)模和深度,大大加快了我國數字信息化城市建設,探索將BIM技術擴展應用到專業(yè)領域繁多、信息紛繁復雜的古建筑保護領域具有重要的現(xiàn)實意義。近年來,許多研究人員針對BIM技術在古建筑保護領域的應用進行了一些有意義的嘗試,如石若明等[3]利用點云逆向建立了硬山建筑——府學胡同36號院的古建筑信息模型,實現(xiàn)了GIS環(huán)境下的信息共享；羅翔等[4]以攢尖亭為例,介紹了基于族模型的古建筑參數化建模方法；高溪溪等[5]依托青島廣興里里院,將三維激光掃描與BIM技術結合,深化了三維模型建立的全過程；趙華英等[6]開展了3D激光掃描、BIM技術和GIS技術的創(chuàng)新性嘗試,建立了古建筑信息管理平臺；譚潔等[7]研究利用CDL語言編程,參數化設計建立了一個清代建筑的構件模型。由此可見,現(xiàn)有古建筑信息模型的研究對象多為規(guī)格較低和體量較小的古建筑,其構件數量少,搭建方式簡單；在信息模型的建立過程中,數據采集方式單一,常利用貼圖等手段簡化建筑模型復雜部位構造,未能實現(xiàn)古建筑BIM模型中的構件級信息管理方式。因此,研究規(guī)格等級較高、形制復雜古建筑本體的構件級管理和信息保護具有非常重要的研究價值。

鑒于此,文章以古建筑中規(guī)格等級較高的歇山建筑——鄭州城隍廟大殿為研究對象,利用三維激光掃描技術等措施采集古建筑的幾何數據信息,結合清代古建筑的通則和權衡,建立基于Revit族的構件“族庫”,通過細化構件族建立過程和優(yōu)化構件族傳遞流程的方式實現(xiàn)古建筑構件的參數化設置和復雜部位的構件級搭建。城隍廟大殿BIM模型的建立將有助于實現(xiàn)古建筑多維信息的有效記錄和永久留存,為古建筑全生命周期保護和管理提供新的思路。

1 城隍廟大殿概況

鄭州城隍廟始建于明朝洪武年間,歷經多次修繕,現(xiàn)有建筑均為清代遺存。從建筑群整體組成來看,其留存規(guī)模和完整程度均為鄭州市明清古建筑群之最,2013年被公布為第七批全國重點文物保護單位,其通剖面圖如圖1所示。其中,大殿作為整個城隍廟古建筑群的核心建筑,坐落在中軸線正中位置,如圖2所示。

圖1 城隍廟通剖面圖/m

圖2 鄭州城隍廟大殿圖

大殿為清代典型單檐歇山建筑,其進深和面闊均為三間,九檁周圍廊式柱網,以綠琉璃筒瓦和板瓦覆頂,屋面峻拔陡峭,四角輕盈翹起。南北側為青磚間隔朱漆門窗。屋面部分坐雕花正脊,兩端配大鴟吻；垂脊和戧脊均飾有走獸和雕花[8]。大殿檐下為五踩重昂斗拱,柱頭科平身科變化多樣,五邊形截面昂嘴生動形象[9]。六抹隔扇門也是鄭州城隍廟大殿一大亮點,屬雙交四碗斜交隔扇門,在精致的雕工之下,整個隔扇門顯得玲瓏剔透,令人賞心悅目。城隍廟大殿為研究我國清代歇山古建筑的營造技術提供了重要的實物資料。

2 BIM技術在古建筑管理中的優(yōu)勢

2.1 BIM技術在古建筑模型建立中的優(yōu)勢

古建筑模型的建立是基于Revit 2019軟件實現(xiàn)構件層面上的參數化建模過程。軟件以“族”為基本單元的構建方式,與古建筑構件組合搭建的特點相契合[3],在此基礎上借助軟件的整合能力管理古建筑中的構件,建立參數化的構件“族庫”[10],實現(xiàn)參數化驅動[7],進而強化古建筑信息模型的永久保留。雖然古建筑在規(guī)模和形制上有所差別,但其構件化的搭建、模數化的尺度以及特征化的組合等特點使古建筑高效的參數化建模過程成為可能,而且大大簡化了后期的重復工作,降低了數字化成本。此外,古建筑數量巨大,BIM技術的引入對古建筑保護效率的提升也有重要的應用價值[11]。

2.2 BIM技術在古建筑信息管理中的優(yōu)勢

古建筑全生命周期的信息管理,包含建筑構造、參與方和時間3個維度[12],信息分類見表1。隨著歷史變遷,古建筑信息量越來越大,其管理方式也經歷了從“口傳心授”到現(xiàn)階段以紙質書籍資料、測繪圖紙為主的轉變,但依然無法改變管理過程中存在信息解讀、分析和整理等方面效率較低的問題[13]。建立古建筑BIM模型作為信息平臺,將其視為現(xiàn)代化測繪成果的重要表達形式,進而利用“富含信息的模型”作為信息管理對象。BIM模型的建立將突破古建筑保護信息的壁壘,提高文物的保護效率,不僅帶來管理方式和思維模式的轉變,還為相關方提供了信息交換和共享的平臺。

表1 古建筑全生命周期信息表

3 古建筑信息模型的創(chuàng)建

BIM信息模型的建立是圍繞構件“族”展開的,每一個“族”類型實例對應一個古建筑構件。模型建立過程包括前期數據獲取、參數化構件族庫建立和參數化模型搭建3個階段[3]。

3.1 數據獲取

古建筑模型建立需求的數據來自多方面,不但包括構件的幾何信息,更重要的是古建筑的營造工藝信息。

在古建筑的幾何信息獲取上,由于古建筑具有結構復雜、構件豐富的特點,且模型建立過程對數據精度的要求較高,因此探索一條新型的測繪思路獲取古建筑幾何數據信息尤為重要。將三維激光掃描作為主要的信息采集手段,輔以手工測量和高清紋理照片采集幾何信息,測繪成果可滿足古建筑模型建立所需的相關數據。三維激光掃描儀采用的是Z+F IMAGER 5010C(如圖3所示),具有傳輸、共享便利和兼容性強的特點。數據的獲取流程圖如圖4所示,包含外業(yè)和內業(yè)兩部分工作。外業(yè)數據采集包括點云數據的獲取、手工量測和高清紋理照片攝錄,保證原始數據的完整和準確是這一階段的重點；內業(yè)則是基于Leica Cyclone軟件的數據處理,包括點云的拼接、去噪和坐標轉換等[5]。最終點云文件以坐標量測、切片瀏覽、輪廓線繪制(CAD)和三維模型校核4種使用方式滿足建筑信息模型建立的需求。

圖3 Z+F IMAGER 5010C三維激光掃描儀圖

在古建筑的營造工藝信息獲取方面,清代的《清式營造則例》[14]是研究古建筑構造的經典資料。作為我國古建筑發(fā)展的最后一個階段,清代建筑的形式以及構造的模數制、定型化方面均相當成熟,在模型建立過程中嚴格遵照《清式營造則例》的通則和權衡。以斗拱為例,了解斗拱的復雜構件和其構造關系是建立斗拱等局部構件的基礎。

圖4 前期幾何數據獲取流程圖

3.2 參數化構件族庫建立

古建筑的構件特點使得Revit軟件在“族”的應用上變化豐富。構件族庫是BIM模型建立的基礎,標準和參數化的族庫可簡化后期建模過程。

3.2.1 主體結構部分

主體結構包括臺基、柱和梁枋檁等,上述構件均具有較為規(guī)則的截面和放樣路徑,可在基于公制常規(guī)模型的族樣板中建立,并直接載入到項目中使用,實現(xiàn)參數化驅動。具體流程如下:

(1)幾何模型的建立 點云數據經Leica Cyclone軟件處理后導入CAD中；通過切片瀏覽提取古建筑構件的結構特征,并繪制構件的平面圖和剖面圖；在Revit中,CAD二維線圖可作為構件族建立的底圖,繪制構件模型的輪廓和放樣路徑,經過拉伸、放樣、融合與剪切等一系列組合操作實現(xiàn)幾何構件模型的建立。

(2)設置驅動參數 驅動參數的設置將方便古建筑構件形制、尺寸和材質的參數化調節(jié),以及位置的調整,載入參數化的族庫將減少后期建模過程中的重復工作。

(3)賦予三維模型屬性信息 幾何模型建立后,根據需要添加相應的文本信息或參數,包括名稱、材質、年代和修繕記錄等多維信息。

(4)保存為相應的族文件,載入到項目中進行試用；確定各驅動參數在模型中的有效性。

3.2.2 圍護結構部分

圍護結構包括墻體、六抹隔扇門和四抹檻窗。隔扇門和檻窗上構件較多,安裝有下檻、通連楹、連二楹和單楹木等。以六抹隔扇門族的建立過程為例(如圖5所示),單扇隔扇門族圖5(a)和抱框族圖5(b)的建立過程與主體部分構件族類似,但其形態(tài)各異,精巧復雜；在抱框族的相應位置建立安裝通連楹族、連二楹族和單楹木族等；將單扇隔扇門族和抱框族分別載入到隔扇門族中,經適當參數調整實現(xiàn)四扇隔扇門在抱框內的組合排列；最終完成六抹隔扇門族的建立,如圖5(c)和(d)所示,將其載入Revit項目中進行試用。

圖5 六抹隔扇門模型圖

3.2.3 斗拱部分

斗拱是古建筑中重要的上下承接構件(如圖6所示),一個復雜的斗拱模型由大斗、三才升等“斗”構件和瓜拱、萬拱、廂拱等“拱”構件組成[15]。了解其基本構造和構件間的組合關系,是掌握斗拱建立技術的關鍵。城隍廟大殿所涉及的斗拱共有7種,其中前檐明間柱頭科五踩重昂斗拱較為典型。以其為例進行說明,在建模過程中,基于CAD底圖建立斗拱的“構件族”,如圖6(a)所示；在各構件族中添加相關驅動參數,建立如圖6(b)所示的斗拱構件族庫；將各構件族載入到基于公制常規(guī)模型族建立的“斗拱族”中進行組裝,實現(xiàn)如圖6(c)所示的效果；載入項目中進行試用。參數化的斗拱構件族可根據斗拱的差異實現(xiàn)細部尺寸的調整,以便載入不同的斗拱族。

圖6 斗拱構件族和斗拱族圖

3.2.4 屋頂部分

城隍廟大殿屋頂部分主要包括椽件、望板、灰背層、瓦面和屋脊。城隍廟大殿翼角圖如圖7所示,屋頂椽構件數量較多,翼角部分構造較為復雜,如圖7(a)所示?；诠瞥Ｒ?guī)模型的椽構件族建立后載入項目中,根據量測數據調整椽件的疏密程度和角度,模型如圖7(b)所示,其充分展現(xiàn)了翼角部位的復雜構造。根據材質和位置不同,分別設置木質望板族和石質望板族?；冶硨拥慕t嚴格依據屋面的造型設置其厚度和放樣曲線。

為實現(xiàn)瓦片的精準定位和參數化(角度和長度)調節(jié)功能,“瓦片族”的建立運用了“基于公制常規(guī)模型”和“基于線的公制常規(guī)模型”兩種族樣板,其間經過3層族嵌套,基于上述技術建立的瓦片族可根據屋頂造型自由調節(jié)參數和安裝布置,屋面瓦片族如圖8所示。據此建立屋面不同位置“瓦片層族”,載入Revit項目中進行試用。與文獻[4]和[6]中采用貼圖方式以及瓦片和屋面層合二為一的屋頂建模方式相比,更加精準和真實,后期管理優(yōu)勢也更加突出。圖9為族建立過程中優(yōu)化后的傳遞路徑,不同的構件族采用相應的傳遞路徑,可細化建族過程,實現(xiàn)古建筑信息模型的精準搭建。

圖7 城隍廟大殿翼角圖

圖8 歇山屋面瓦片組合圖

圖9 優(yōu)化后的構件族傳遞路徑圖

3.3 城隍廟大殿參數化模型搭建

基于豐富的參數化構件族庫和歇山建筑的結構特征,開展古建筑信息模型的搭建工作。

古建筑信息模型的建立流程如下:(1)大木作整體構造分析 重點關注梁架、斗拱、翼角和屋頂等復雜部位。(2)古建筑構件定位關系確立 主要包括平面軸網定位和立面標高定位,點云在CAD中的水平剖切可以產生傳統(tǒng)意義上的古建筑平面圖,據此規(guī)整標注古建筑軸線位置；在垂直方向的剖切可以輸出剖面圖,由此標注主要部位的標高位置。(3)細化構件族的搭建順序 模型的建立過程按照古建筑的營造順序確定。(4)古建筑構件裝配 參數化調整各構件族,依據城隍廟大殿的構件和構架形式組裝搭建,其建立的初期成果如圖10所示,依次是臺基、梁架/斗拱、圍護結構、屋頂椽件、屋頂望板/灰背層、屋頂瓦片層[16]和屋頂脊飾等部分。

上述建立的古建筑模型為初期成果,隨著保護時期的變化,模型也將進行相應的構件細化和信息實時更新。古建筑BIM模型最大的優(yōu)勢為可進行參數化、階段化調整,根據不同的保護時期對古建筑信息模型進行補充和完善,長期的信息記錄和更新可有效解決文物建筑保護信息庫缺失等問題,進而根據需要基于模型信息對其進行修復和還原[17],以此實現(xiàn)古建筑全生命周期管理。

圖10 城隍廟大殿建筑信息模型初期成果圖

4 結語

文章以歇山建筑——鄭州城隍廟大殿為例,基于三維激光掃描為主、手工測量和高清紋理照片為輔的幾何數據信息,通過細化建族過程、優(yōu)化族傳遞路徑等方式建立其參數化標準構件族庫,三維激光掃描技術與BIM理念的結合將古建筑多維信息的數字化帶入了新的發(fā)展階段,實現(xiàn)了復雜幾何信息的具象化和隱性歷史建筑信息(歷史、工藝、人文信息)的顯式化,更好地體現(xiàn)了古建筑構件的模數制特點,滿足了古建筑信息數字化保護過程中實時更新、階段化調整以及動態(tài)管理的要求,對于實現(xiàn)古建筑全生命周期的管理具有重要意義。