基于BIM 技術(shù)的古建筑模型構(gòu)建
——以蘭州市至公堂為例

山 嵐 馬力鶴 張寧鋒

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling）的簡稱。近年來，隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，以及我國對(duì)古建筑保護(hù)工作的不斷重視，古建筑保護(hù)領(lǐng)域也逐步應(yīng)用到BIM技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)在古建筑數(shù)字化保護(hù)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)?！癇IM+古建筑數(shù)字化保護(hù)”其基礎(chǔ)是在獲得古建筑相關(guān)數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上對(duì)古建進(jìn)行三維建模。至公堂作為蘭州歷史文化中一個(gè)重要的發(fā)展節(jié)點(diǎn)，代表著甘肅科舉制度一個(gè)跨越性的階段。本研究以甘肅省蘭州市至公堂古建筑為例，通過BIM技術(shù)對(duì)該清代古建筑建立真實(shí)尺寸的三維模型，可為類似的古建筑數(shù)字化技術(shù)保護(hù)工作提供參考與借鑒。

1 BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

BIM 技術(shù)的特點(diǎn)在于“所建即所得”，在古建筑數(shù)字化保護(hù)工作中的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。依托BIM技術(shù)實(shí)施建模，能夠快速建立包含古建筑幾何信息及非幾何信息的三維模型，能夠提高古建筑保護(hù)與研究的信息化程度，后期可對(duì)模型進(jìn)行屬性信息的添加，成果具有一定的擴(kuò)展性與后期利用性，在一定程度上能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)繪圖紙作為古建筑設(shè)計(jì)建造資料進(jìn)行存檔，建立歷史文物建筑的科技技術(shù)信息資料庫，支持對(duì)歷史古建筑物的恢復(fù)建成和歷史意義的傳承，在古建筑保護(hù)工作中具有一定的創(chuàng)新性[1]。

2 BIM 技術(shù)建模具體實(shí)施

2.1 建模流程

中國古建筑以木結(jié)構(gòu)體系為主體，歷經(jīng)了漫長的發(fā)展歷史。按照等級(jí)規(guī)格的不同，古建筑在建筑形式、構(gòu)造方式、建筑材料、工藝技術(shù)以及構(gòu)造法式等方面作出了統(tǒng)一的規(guī)定，形成較為統(tǒng)一的風(fēng)格[3-4]。至公堂建筑制式為十三檁五脊懸山頂，面闊七間21.7 米，進(jìn)深12 米，青磚砌五花山墻，琉璃筒瓦屋面，而臺(tái)基、木構(gòu)架和屋頂是古建筑基本的組成部分。該明清古建筑建造時(shí)的一般施工順序?yàn)椋号_(tái)基——立柱——梁架——屋頂——墻體——彩繪，對(duì)于至公堂古建筑利用BIM技術(shù)建模的流程也由此順序進(jìn)行。構(gòu)件各部分尺寸信息和結(jié)構(gòu)信息通過前期調(diào)研、數(shù)據(jù)資料的獲取得到，將所得二維圖紙導(dǎo)入Revit 軟件即可創(chuàng)建古建筑三維模型。

2.2 具體實(shí)施

根據(jù)建模時(shí)臺(tái)基、立柱、梁架、屋頂、墻體等先后順序，以下選取立柱、梁架兩大類主體的模型創(chuàng)建進(jìn)行說明。

2.2.1 立柱的三維模型創(chuàng)建

柱的功能是承載上部梁架的重量，它在中國古代建筑中占有十分重要的位置。三維建模的基本步驟為：創(chuàng)建柱身，以柱底圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，確定基線方向，輸入柱身底圓直徑、頂圓直徑，存儲(chǔ)立柱構(gòu)件的名稱及尺寸信息，點(diǎn)擊確定按鈕即可生成柱的三維模型。根據(jù)至公堂的立柱總數(shù)及間距，對(duì)所有立柱進(jìn)行復(fù)制構(gòu)建生成立柱模型，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 立柱的三維模型

2.2.2 梁架的三維模型創(chuàng)建

梁的功能是承載其上構(gòu)件的荷載并將之轉(zhuǎn)載給前后兩柱，是古代建筑結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件之一。至公堂古建筑的梁架創(chuàng)建為長方體，梁架創(chuàng)建基本步驟為：a.在進(jìn)行好原點(diǎn)設(shè)置、基線方向設(shè)置后，輸入長寬高尺寸，創(chuàng)建初始長方體；b.創(chuàng)建梁的“抬頭”，計(jì)算各點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行布爾運(yùn)算，創(chuàng)建出架梁的“抬頭”；c.創(chuàng)建檁椀，按照尺寸進(jìn)行實(shí)體圓柱構(gòu)建后做布爾運(yùn)算得到檁椀，并通過鏡像得到架梁；d. 根據(jù)同樣的方法，創(chuàng)建其他的梁架類構(gòu)件；e.進(jìn)行梁架三維模型的組裝。部分組裝后模型如圖2 所示。

依據(jù)同樣的建模原理，系統(tǒng)地分項(xiàng)建族，分別生成該古建筑的臺(tái)基、屋頂、墻體、雕花等三維模型。

2.3 建模成果

建模族庫構(gòu)件包含屋頂梁架、臺(tái)基、墻體、立柱、屋頂、雕花等。分族建模完成后的成果如圖3 所示。

圖2 至公堂立柱、屋頂梁架組裝三維模型

圖3 至公堂古建筑分族建模各部分成果圖

在完成以上部件模型的基礎(chǔ)上，通過賦予建筑顏色、材質(zhì)、強(qiáng)度等非幾何信息，以三維模型為載體實(shí)現(xiàn)古建各部分三維模型的拼接，并進(jìn)行環(huán)境的渲染，得到最終至公堂古建筑三維建模后的成果圖，如圖4 所示。

圖4 至公堂古建筑三維建模最終效果圖

圖5 設(shè)置不同標(biāo)高解決模型構(gòu)建問題

3 技術(shù)問題及解決

在利用Revit 軟件實(shí)施建模的過程中，遇到以下問題，并逐一進(jìn)行解決：

第一，建模邏輯問題。對(duì)于鋼筋混凝土等現(xiàn)代建筑，其建模過程相對(duì)來說比較自由。而古建筑存在很多的構(gòu)件，所以在建模的過程中，應(yīng)該更加注重建模的邏輯性。通過了解古建筑的建造過程，將這一個(gè)過程運(yùn)用到Revit 的建模，這樣建模過程就符合相應(yīng)的邏輯順序，能提高對(duì)古建筑的建模效率。

第二，傳統(tǒng)的梁架體系如何建模的問題。古建筑中的結(jié)構(gòu)體系是梁架結(jié)構(gòu)，力通過梁、檁傳遞給立柱，再傳給臺(tái)基。但是古建筑梁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，至公堂建筑形式是十六檁四步廊，梁、檁相互交錯(cuò)且數(shù)量很多，建模較為復(fù)雜。為解決這一問題，三維建模過程中通過設(shè)置不同的標(biāo)高，將梁、檁層層疊放上去，形成梁架的整體結(jié)構(gòu)體系，便可解決建模中遇到的這一技術(shù)問題。如圖5所示。

第三，異形模型建模與搭建問題。在整個(gè)建模過程中，斗拱、雕花、脊獸等這些小構(gòu)件，直接用Revit 建模難度較大，所以變換思路通過草圖大師（Skechup）和犀牛（rhino6）軟件輔助建立了雕花等異形模型，然后通過Revit 中的體量和場(chǎng)地命令，內(nèi)建體量命令，將異形模型導(dǎo)入Revit，進(jìn)而完成整個(gè)模型的搭建。

4 總結(jié)與展望

本次研究將BIM技術(shù)與古建筑保護(hù)工作相結(jié)合，以至公堂古建筑為對(duì)象，利用Revit 建模軟件建立包含該古建筑幾何信息的三維模型，雖然實(shí)現(xiàn)了至公堂古建筑三維建模的建立，但是在更完善地記錄該古建筑的真實(shí)尺寸，并賦予該古建屬性信息（如建筑材料、構(gòu)造方式、工藝技術(shù)、歷史文化等）技術(shù)方面仍顯欠缺。對(duì)古建筑三維建模構(gòu)建后，進(jìn)行歷史文物信息資料庫的建立，繼續(xù)將BIM技術(shù)與現(xiàn)代化電子信息技術(shù)手段相融合，探究開展古建筑數(shù)字化保護(hù)和傳承研究的數(shù)據(jù)平臺(tái)，創(chuàng)新文保工作者對(duì)歷史古建筑的維護(hù)與管理工作，將作為本課題繼續(xù)研究的方向。