基于BIM的古建筑信息模型研究——以山西晋祠鱼沼飞梁为例

王崇恩，白 焱

（太原理工大学建筑学院，山西 太原 030024）

我国各民族的古建筑各具特色，记录了各时期古建筑的特点，传承着深厚的文化，在技术、文化、艺术等方面也具有很高的研究价值。由于这些古建筑受自然因素及年久失修、人为损害等外界因素的影响，出现不同程度的损坏。若仍通过传统技艺对古建筑进行保护、修复与完善，必将消耗大量人力、物力、财力，甚至会给一些古建筑带来更为严重的毁损。若不对其进行及时有效的保护，古建筑的构件信息将会消失。及时存储、保护、修复好这些古建筑文化遗产已成为亟待解决的问题。

古代传统的古建筑信息存储方式包括文字、彩画与构件大样图等，这些资料很容易丢失，且不能完全真实地反映出古建筑的结构特点，关联性相对较差。随着现代科学技术的发展，BIM技术逐渐被应用到古建筑模型信息中，解决了古建筑修复、保护与扩建的问题，从而使得建筑中的构件信息得以永久保存。目前，我国古建筑保护应用BIM技术主要体现在：记录古建筑生命周期的信息、古建筑三维整体模型与局部模型的建立等方面。由于我国古建筑的独特性，必须加强数字信息化研究，利用BIM技术来保护和传承弥足珍贵的古建筑信息。

1 BIM技术在古建筑方面的优势

1.1 BIM技术定义

BIM（building information modeling），意即建筑信息化模型。传统意义上的建筑软件，例如CAD、Sketch up、Rhino等2D、3D软件，必须相互配合才能建立古建筑各个构件的模型，呈现出完整的古建筑原貌。传统意义上的软件尽管大幅度提高了工作效率，却并不能存储模型构件信息，如由点、线、面等几何元素构成的CAD。BIM建筑信息模型是一个数字化的三维模型，由族库里的族构件（梁、柱、墙、枋、门、窗）等构成，是具有空间与属性数据的虚拟三维模型。

相对于CAD二维软件来说，BIM平台提供了三维思维，将建筑平面图设计、施工图设计、方案设计、建筑能耗、寿命周期等整合在一座建筑模型中，节省了大量人力、物力、财力，大大提高了工作效率。随着现代建筑逐步增加，作为我国三大支柱产业的建筑行业也在迅速发展。为此，应该更加重视保护传统文化建筑，加强保护古建筑构件信息，以传承我国优秀的民族传统文化。

通过BIM技术所提供的平台，可更为真实地记录古建筑构件信息，将其作用发挥到最大。BIM技术所构建的建筑信息模型最大特点是参数化。参数化族构件是动态的，能够体现一座建筑在不同时期的不同尺寸，且可以与其他构件相关联。因此，建筑即使受到不同程度的损害，也可以通过模型信息将其修复与还原。BIM技术强大的信息存储能力和完善的功能平台，为现代建筑及古代遗产建筑保护提供了强大的技术支持，使遗产保护工作更高效，也使我国的古建筑文化源远流长。

1.2 我国古建筑的特点

在世界建筑体系中，我国古代建筑以复杂而优美的结构形成了独特的体系。该体系早在3 000多年前的殷商时期就初步形成，其风格优雅、结构灵巧。中国古代建筑的发展由原始社会直至现代，都体现着独特的建筑结构和规划布局。

从构造角度看，古建筑有以下特点：①以木材作为主要材料，创造了独特的木构架，再结合等级制度，创造出舒展的形体和宏伟大气的建筑风格；②以模数化的方式创造各个构件，如柱、梁、枋、斗拱等；③由屋基、屋身、屋顶3大部分组合成一座完整的古建筑。

古建筑的梁架式结构，也是现代建筑的框架式结构。但古建筑的结构材料相对于现代建筑来说，更容易受外界因素的影响而消耗受损。通过运用BIM技术，再结合我国的《营造法式》《园冶》等文献中模数制的思想，用REVIT软件实现古建筑数字化存储，为建筑文化遗产保护开辟一条新路径。1.3 BIM与古建筑结合的优势

鱼沼飞梁的建模依托REVIT软件实现。REVIT集合了BIM平台的各种功能，是一种综合性的分析软件。借助该软件可完全还原鱼沼飞梁的建筑模型，古建筑测绘的构件数据、建筑结构和细微的雕刻、古建筑材质、物理受力分析也能完整地记录在模型当中。在REVIT软件中，古建筑的二维平面和三维实体紧密相关，在任何一个二维图形里修改数据，其他关联的立面、剖面都会进行自动修改，体现了BIM平台的智能化。

另外，REVIT建模的核心是参数化设计。古建筑特有的构件——斗拱在《营造法式》中有详细的数据记录，将斗拱构件的各个尺寸信息输入到REVIT族中，再根据公式实现参数化的构件模型信息，通过斗拱就可以关联到其他构件信息，从而起到“牵一发而动全身”的作用。由此，模型中的建筑构件都有相互关联的信息数据，打开三维模型便可随时读取二维图形的各种信息，以便相关人员随时检查、修改。从信息采集到信息库的建立、从测绘尺寸到输入构件信息一个完整的建模过程，它最终展现了建筑的生命周期，亦等同于模型生命周期，BIM在这一技术方面具有无可比拟的专业优势。

2 三维信息模型应用研究

文章以山西省宋代晋祠鱼沼飞梁为例说明三维模型信息的创建过程。

2.1 创建模型信息的基本流程

建模之前，应对古建筑进行数据收集。①用尺子、测距仪等工具到现场测得数据。②使用三维坐标测量机扫描，通过生成的点云测得鱼沼飞梁的其他数据。以二维图纸和点云测绘图为准，结合现场拍摄的照片，通过BIM提供的平台，使用REVIT软件实现三维信息模型的建立，模型完成后再结合Photoshop赋予模型材质，在REVIT中调节材质的参数。③进行渲染、存储信息等，完成模型构建。

另外，在建模过程中要将鱼沼飞梁进行分解，将不同的建筑构件分离为族构件，赋予其参数化并保存，通过族构件完成鱼沼飞梁模型信息的制作。

2.2 创建三维建筑构件信息模型

2.2.1 柱础结构

①根据现场测量的数据，运用Autodesk CAD软件绘制鱼沼飞梁平面图；②在REVIT中新建公制结构柱，根据构建的平面图和立面图，创建柱础与柱子（图1）；③运用修改工具中的连接选项，将柱础与柱子相连接成为一体。保存公制结构柱文件，将其载入项目，并关闭族文件，保存名称为结构柱族。

另外，REVIT中新建公制常规模型，将测得的斗拱信息数据CAD，导入REVIT中，运用拉伸命令对齐尺寸标注命令，根据斗拱的平面图、立面图，创建斗、耳、平、欹以及斗拱模型。运用修改工具中的连接选项，将其连接在一起完成模型，赋予木材质。将模型保存至斗拱族，载入项目并关闭族文件。

在族类型对话框中，根据数据设立族参数。运用拉伸命令和标注命令，创建参数化的华栱单材，并将拉伸的水平面长轴尺寸标注关联为“长”，短轴尺寸标注关联为“宽”。

2.2.2 梁架结构

(1)根据实际场地和CAD立面图、剖面图，将创建好的斗拱族放置于柱子顶端。在REVIT中新建公制结构框架——梁和支撑族，导入点云激光扫描测绘的梁架结构CAD（图2）。在族类型中新建类型名为梁架，使用放样工具，绘制出梁架。完成后将其保存到梁架族类型中，载入项目并关闭族文件。根据导入的平面图、剖面图，将制作好的梁架按结构位置依次放入，完成整体结构的绘制，最后将其放置于承重的斗拱上。

(2)根据REVIT导入的CAD剖面图，在REVIT中使用建筑、楼板命令绘制出楼板，在属性编辑中修改楼板厚度为140 mm，并赋予地砖材质。由于鱼沼飞梁楼板有坡度，按照CAD剖面图添加分割线，输入高差值，从而绘制出楼板坡度。另外，运用建筑墙体命令，添加青砖材质（图3）。

2.2.3 鱼沼飞梁族构件

在REVIT中新建公制结构框架——梁和支撑族，导入望柱CAD平面图、立面图，利用拉伸命令，制作望柱族（图4），并保存至望柱族，载入项目并关闭族文件。新建常规模型族，利用拉伸、旋转等命令，制作净瓶、栏板、抱鼓石（图5）、雕花等构件，完成后进行保存并载入项目。

2.2.4 鱼沼飞梁模型

(1)通过REVIT导入平面图、立面图、剖面图，将上述模型族构件利用移动、复制、修剪、连接等工具进行组合，完成鱼沼飞梁的整体绘制。

(2)根据REVIT中的CAD平面图，结合地形高差数值绘制模型剩余部分。创建台阶、扶手、栏杆、栏板等构件，制作完成后将其进行组合，通过BIM平台并利用REVIT软件，将所有详细数据存储在宋代鱼沼飞梁模型中（图6）。

3 古建筑参数化构件管理

由于古建筑为木质，容易腐朽、开裂、受潮，因此年代悠久的古建筑信息容易丢失。另外，古建筑的建造手法大多数为代代相传，虽然《营造法式》里有部分古建筑构件信息，但百科全书式的建筑记录几乎无存，为研究古建筑构件信息带来了困难。因此，必须结合当代技术解决古建筑信息的遗失。古建筑主要包含古建筑尺寸、材质属性、雕刻与彩画风格、装配位置、构件物理受力、结构稳定、寿命预测、综合说明等信息，收集并保存这些信息，建立古建筑构件信息化平台，有助于古建筑的保护，同时结合BIM管理平台的使用，实现效率最大化。

4 结束语

文章结合宋代《营造法式》和测绘数据，以山西省宋代晋祠鱼沼飞梁为例，分析论述古建筑信息模型的构建方法。与此同时，建立参数化构件族，运用相应构件族建立鱼沼飞梁结构。

我国存有大量珍贵的古建筑，古建筑构件信息的存储与保护至关重要。选择BIM作为存储古建筑构件信息的平台，利用现代科技新技术来解决较为繁杂的古建筑构件信息记录，使我国古建筑三维信息更直观地呈现在REVIT三维模型中。与此同时，各个构件信息可随意被调用。BIM技术可以更好地实现模型信息管理与信息共享，使读者、观看者、研究者可以全面详细地了解古建筑[1-2]。随着社会科学的发展，BIM技术既为山西省古建筑信息管理提供了平台，又为后人更好地研究与学习古建筑创造了条件[3-4]。