HBIM在建筑遗产保护中的应用——以山西陵川小会岭二仙庙为例

王崇恩（天津大学建筑学院 天津 300072；太原理工大学建筑学院 山西太原 030024）

郭正可（山西五建集团有限公司 山西太原 030013）

朱向东（太原理工大学建筑学院 山西太原 030024）

引言

历史建筑信息建模（Historical Building Information Modeling，简称HBIM）是当前古建筑信息保存与管理的一种新的技术手段，它是由历史数据构成代表建筑元素的交互式参数对象，这些元素可以准确地映射到点云或基于图像的调查资料[1]。HBIM理想化的最终阶段是将参数模型原型库的跨软件平台管理系统映射到点云和图像调查数据，参数模型能够将多媒体和纪录片信息与实际建筑物进行比较，实现三维对象相关联，也可以从参数模型中自动生成完整的工程图纸平、立、剖面图和三维模型[2]。历史建筑信息建模（HBIM）的“三维协同”优势贯穿于古建筑保护的勘察、修缮、展示、研究以及监测的全过程。

本文选取山西陵川小会岭二仙庙[3－5]作为研究对象，探讨HBIM在建筑遗产保护中的应用研究。小会岭二仙庙位于山西省陵川县附城镇小会村东南山岭之上，坐北向南，占地面积1167.55平方米。庙宇分上下两进院落共11座建筑，由山门戏台、廊房、献厅构成一进院落；献厅两侧做月亮门区隔二进院，院内有大殿和东西垛殿，现存大殿为宋代遗构，余皆明、清所建。2001年被公布为第五批全国重点文物保护单位（图1、2）。

一、古建筑建模技术

古建筑与其他文物类型不同，具有体型大，结构复杂的特点。一般一座单体建筑至少由几十个或几百个构件组成，有的甚至是几千个构件组成（砖瓦、椽子还不计算在内）[6]。为了更好的实现古建筑参数化建模，将古建筑构件分为屋顶、柱类、梁类、枋类、桁檩类、椽类、瓜柱、垫板、望板、枕木、斗栱、隔扇等，各个部分又可以根据其特点再分为很多种类[7]。本文以小会岭二仙庙的正殿斗栱为例，详细分析各类构件的构成特点和参数化建模的关键参数，建立其参数化模型，总结得到古建筑构件库参数化建模的方法。

小会岭二仙庙正殿大木构件建造规整，用材规范，为宋代遗构。庙前石质焚炉上刻有“嘉祐八年李则为首率修”题记。正殿面阔三间（7.75米），进深六椽（7.45米），平面呈方形，单檐歇山顶。屋顶举折平缓，出檐深远。檐下柱头斗栱五铺作，双杪双下昂，补间斗栱五铺作，双杪双下昂。梁架结构简洁严谨，用材粗大。整个殿宇的建筑形制、结构手法明显带有宋代建筑风格。

（一） 构件参数化建模

北宋崇宁二年（1103年），李诫著《营造法式》，总结了此前营造技术的实践经验，自此后斗栱有了制度、等级、名称、次序、尺寸规定的做法[8]。下面以小会岭二仙庙的柱头铺作栌斗和华栱为例，阐述参数化构件的制作过程。

1.栌斗构件模型制作（图3）

安置点：置于柱头额枋或平板彷上，由暗榫固定。

结构：根据《营造法式》，斗的形制由上到下分为耳、平、欹三部分[9]。

参数信息：根据实测尺寸，坐斗上宽465毫米，上深425毫米，下宽350毫米，下深365毫米。耳、平、欹高度尺寸分别为95毫米、65毫米、115毫米，斗口宽115毫米，凹30毫米，根据数理几何推算得到欹的内凹曲面半径。

模型制作：

创建公制常规模型族样板的族文件，保存名称为栌斗族。

依据常规参数给出的参照平面坐标点，在族类型对话框中根据参数信息设立族的相关参数。运用拉伸命令，创建坐斗的耳（包括隔口包耳）模型；制作与模型z轴上下面等高的参照平面，将模型上下面与对应等高的参照平面锁定；使用标注命令标注参照平面标高，将标注分别与参数“耳平欹”与“平欹”相关联。

使用融合命令，将坐斗的平和欹体块分别制作，使用空心放样命令来拉伸欹的内曲线倒棱，运用标注命令将倒棱的曲面半径标注并与参数Ra、Rb相关联。

通过参数关联尺寸标注的方式，将其他族参数指定给对应的标注相互关联。

验证模型的参数化可变性，尝试调整参数数值进行模型错误检测和调整，完成族模型。

填写构造信息，如构件名称、图片、构件编码、构件模数、彩绘信息以及受损程度等信息；物理特性信息，如弹性模量、材质、强度、力学性能以及抗腐蚀性能、抗虫蚁性能；构件维护信息[10]，维护单位、维护日期、构件维护价格等。

2.华栱构件模型制作（图4）

安置点：置于柱头栌斗泥道栱之上，长轴方向垂直于栌斗面宽，由泥道栱和栌斗榫卯固定。

结构：根据宋代《营造法式》，华栱形制分为上下两部分，分别为单材和栔，合在一起称为足材[11]。

参数信息：根据实测尺寸，华栱单材高为210毫米，足材高为295毫米，华栱宽135毫米，斗口宽115毫米。根据宋代《营造法式》，计算得到各细部尺寸。

模型制作：

创建公制常规模型族样板的族文件，保存名称为一跳华栱族。

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”，短轴尺寸标注为“宽”。

使用拉伸命令和标注，根据参数完成坐斗的栔和隼的制作，使用空心放样命令来拉伸华栱的栱眼以及卷杀。

通过参数关联尺寸标注的方式，把其他族参数指定给对应的标注相互关联。

验证模型的参数化可变性，尝试调整参数数值进行模型错误检测和调整，完成族模型。

填写构造信息。

3.族构件拼装（图5、6）

运用相类似步骤可以制作斗拱其他相应构件，如果是相似的构件可以通过调整族参数获得，斗口尺寸相互关联，将族构件依照施工叠放次序依次导入栌斗族文件中关联斗口尺寸，核对榫卯尺寸的同时依次将模型放置入位。

（二） 古建筑参数化模型

利用构件族构建小会岭二仙庙单檐歇山顶大殿整体信息模型（图7），并在此基础上，归纳总结了部分主要古建筑构件的结构规律，最后对模型进行简单的渲染。在歇山类建筑拼装过程中，严格遵循实际测绘数据，对各部位的构件进行大木安装，确保模型能够符合实际情况的要求。

同理，以小会岭二仙庙献殿（卷棚顶）为例说明建模过程（图8、9）：

（1）依据测绘信息，创建献殿构件族库。

（2）新建项目，命名为献殿，创建平面轴线，调整立面标高。

（3）使用拉伸命令创建献殿基础。

（4）通过轴线位置定位柱网中心点，打开族库中的献殿柱族，载入项目中放置内建模型-献殿柱。

（5）同理依据构造顺序放置各个族构件。

（6）内建模型－屋面，运用放样及空心拉伸命令，制作望板及屋面瓦。

（7）同理内建模型－墙，运用拉伸命令制作献殿墙。

（8）调整参数材质，完成模型。

二、古建筑参数化建模“系统化”框架

（一） 古建筑参数化建模原则

1.遵循“有依据的复原”原则

古建筑资料一般并不完整，细部尺寸和内部构造并不能在以往的古建筑信息记录方法中完整表述，而要制作古建筑参数化模型，就要从资料没有的部分进行推导构件内部构造的工作。对尚存的古建筑本体出现的破损残缺部分的建模，要掌握有依据复原的原则，以尊重原始材料和确凿文献为依据。当推导出的构件违背文物的构件受力原理和逻辑、或严重有碍观瞻时，即应对缺失部分，根据现存构件的形制或同时代、同类型的相同构件加以复原性参数化建模，如建筑物的柱梁、枋、额、斗栱部分等。对于已经损坏的纪念性建筑物、古建筑等文物，因特殊需要建模时，应尽量遵循文献资料和参考同时期古建筑。

2.遵循“古建筑模数制”原则

制作参数化模型，需要体现构件的内在关系，就需要以古建筑的模数制特征为基础来研究古建筑构造。以构件内部关系制作的参数化模型，才有重复利用的价值，例如小会岭二仙庙的各个斗族均是通过修改栌斗族的参数和模型得到的。这样的制作过程可以节约时间，模型可以根据实际需要更改参数获得不同类型，使得为了制作小会岭二仙庙模型所生成的族库，可以直接用于其他宋代建筑模型制作，具有通用性，族库具有实际使用价值。

3.遵循“HBIM系统性”原则

系统性原则也称为整体性原则，它要求把决策对象视为一个系统，以系统整体目标的优化为准绳，协调系统中各分系统的相互关系，以模型整体为优化原则，协调各构件的构成放到整个模型中去以整体的眼光来衡量构件正确性，以模型整体为总目标，协调各个构件的制作顺序和流程。比如铺作的制作，就需要从栌斗开始从最下层一层层向上制作构件，否则不容易协调各构件之间的关系，出现模型错误。

系统性的体现也反映在模型的分布式上，模型不同用途也决定了模型的精度，根据现有条件，这些模型根据需要可能包括：设计模型、施工模型、进度模型、成本模型、制造模型、操作模型等。HBIM“分布式”模型还体现在HBIM模型往往由相关的设计单位、施工单位或者运营单位根据各自工作范围单独建立，最后通过统一的标准合成。

（二） 古建筑参数化建模流程

1.构件信息分类化整理

制作参数化模型之前，首先要做的是参数化构件库的建立，而在构件库建立之前，需要对构件信息进行分类化整理，资料通过收集整理后可以在整体上分成四个部分，即几何信息、材质信息、物理信息、彩绘信息以及其他信息。

所有信息中，几何信息用于参数化族库和模型制作，彩绘信息通过调整软件自带的材质参数记录在模型上，而其他物理信息、化学信息等不能通过模型可视化的信息，可以通过将各个构件的信息制作成相应的族参数记录在各构件族上。通过构件族参数即可浏览构件的全部信息。

2.基础数据和构件的制作方案

根据整理后的几何信息（定位关系参数和构件几何参数），可以对构件的构成进行分析，即构件本身的形体特征以及与其他构件空间组合关系，将构件的类别、族进行归属，例如转角铺作中的栌斗，根据栌斗的外形可以归属于斗这一类别，而根据栌斗位于转角柱头之上这一特征可以将其族构件名称命名为角栌斗。根据构件几何参数制作相应的构件族，将所有构件族制作完成后，提取相应的构件族，载入新的族中，通过关联定位关系参数生成嵌套族，将全部生成的构件族和嵌套族称为族库。从族库中提取需要的构件族和嵌套族，根据实际需要调整模型参数，得到不同的构件类型，载入项目中生成参数化模型（图10）。

3.参数化建模的成果应用

模型的应用按照使用方法划分为两类：传统图纸、表格的打印和屏幕图像显示。

传统图纸、表格打印：参数化模型的一大特点就是可以直接生成传统的平、立、剖等二维平面图、构件详图和相应的表格。

屏幕图像显示：图纸显示方面可以分为传统图纸、表格、动态图、专题图，参数化模型的优势就是可以将模型所包含的信息通过屏幕、个人电脑、移动终端快速查询，直观准确的指导施工过程、教育研究。

模型的应用按照使用领域分，又可以分为三个方向：教学研究、施工指导以及古建筑信息管理。

在教学研究方面，HBIM为教学和研究提供了准确和直观的模型信息，可以通过参数反映构件的内在关系，提高教学的质量和研究的效率。

在古建筑保护方面，古建筑信息管理系统通过HBIM结合RFID的标签芯片，可以使文物的定位及相关参数信息一目了然，快速查询。

灾害预警方面，利用HBIM及相应灾害分析模拟软件，可以在灾害发生前，模拟灾害发生的过程，分析灾害发生的原因，制定避免灾害发生的措施，以及发生灾害后人员疏散、救援支持的应急预案。当灾害发生后，HBIM模型可以提供救援人员紧急状况点的完整信息，这将有效提高突发状况应对措施。

结语

综上，参数化建模要以科学的理念为指导思想，以HBIM软件为技术支持，以成果应用为最终目标。指导思想、HBIM建模技术和成果应用，共同构成古建筑参数化建模的系统框架。本文正是在分析山西古建筑的组成体系结构和构成方式的基础上，结合宋代《营造法式》和测绘数据，归纳了古建筑构件的构造规则和建模方法，完成了小会岭二仙庙的建筑信息模型（图11）。

古建筑历史信息模型的建立将为古建筑保护提供重要资料，也为传承传统建筑遗产提供帮助。