基于BIM技术的歇山古建筑信息模型的创建

杨振威任克彬刘晨辉李新明

(1.河南省文物建筑保护研究院,河南 郑州 450002；2.河南省文物建筑保护设计研究中心,河南 郑州 450002；3.中原工学院建筑工程学院,河南郑州450007)

0 引言

中国传统古建筑自成体系,在历朝历代的发展过程中不断完善[1]。正是由于这种承袭古制的传统,以及各地区、各民族间建筑文化的不尽相同,使得中国古建筑形成了独具特色的建筑风格和营造手法。加快推进古建筑保护的信息化工作,建设国家文物大数据库,有效记录和永久留存每一个极具特色的古建筑成为广大文物保护工作者讨论的焦点[2]。

目前,建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)研究发展迅速,其在现代建设项目中的应用已有相当的规模和深度,大大加快了我国数字信息化城市建设,探索将BIM技术扩展应用到专业领域繁多、信息纷繁复杂的古建筑保护领域具有重要的现实意义。近年来,许多研究人员针对BIM技术在古建筑保护领域的应用进行了一些有意义的尝试,如石若明等[3]利用点云逆向建立了硬山建筑——府学胡同36号院的古建筑信息模型,实现了GIS环境下的信息共享；罗翔等[4]以攒尖亭为例,介绍了基于族模型的古建筑参数化建模方法；高溪溪等[5]依托青岛广兴里里院,将三维激光扫描与BIM技术结合,深化了三维模型建立的全过程；赵华英等[6]开展了3D激光扫描、BIM技术和GIS技术的创新性尝试,建立了古建筑信息管理平台；谭洁等[7]研究利用CDL语言编程,参数化设计建立了一个清代建筑的构件模型。由此可见,现有古建筑信息模型的研究对象多为规格较低和体量较小的古建筑,其构件数量少,搭建方式简单；在信息模型的建立过程中,数据采集方式单一,常利用贴图等手段简化建筑模型复杂部位构造,未能实现古建筑BIM模型中的构件级信息管理方式。因此,研究规格等级较高、形制复杂古建筑本体的构件级管理和信息保护具有非常重要的研究价值。

鉴于此,文章以古建筑中规格等级较高的歇山建筑——郑州城隍庙大殿为研究对象,利用三维激光扫描技术等措施采集古建筑的几何数据信息,结合清代古建筑的通则和权衡,建立基于Revit族的构件“族库”,通过细化构件族建立过程和优化构件族传递流程的方式实现古建筑构件的参数化设置和复杂部位的构件级搭建。城隍庙大殿BIM模型的建立将有助于实现古建筑多维信息的有效记录和永久留存,为古建筑全生命周期保护和管理提供新的思路。

1 城隍庙大殿概况

郑州城隍庙始建于明朝洪武年间,历经多次修缮,现有建筑均为清代遗存。从建筑群整体组成来看,其留存规模和完整程度均为郑州市明清古建筑群之最,2013年被公布为第七批全国重点文物保护单位,其通剖面图如图1所示。其中,大殿作为整个城隍庙古建筑群的核心建筑,坐落在中轴线正中位置,如图2所示。

图1 城隍庙通剖面图/m

图2 郑州城隍庙大殿图

大殿为清代典型单檐歇山建筑,其进深和面阔均为三间,九檩周围廊式柱网,以绿琉璃筒瓦和板瓦覆顶,屋面峻拔陡峭,四角轻盈翘起。南北侧为青砖间隔朱漆门窗。屋面部分坐雕花正脊,两端配大鸱吻；垂脊和戗脊均饰有走兽和雕花[8]。大殿檐下为五踩重昂斗拱,柱头科平身科变化多样,五边形截面昂嘴生动形象[9]。六抹隔扇门也是郑州城隍庙大殿一大亮点,属双交四碗斜交隔扇门,在精致的雕工之下,整个隔扇门显得玲珑剔透,令人赏心悦目。城隍庙大殿为研究我国清代歇山古建筑的营造技术提供了重要的实物资料。

2 BIM技术在古建筑管理中的优势

2.1 BIM技术在古建筑模型建立中的优势

古建筑模型的建立是基于Revit 2019软件实现构件层面上的参数化建模过程。软件以“族”为基本单元的构建方式,与古建筑构件组合搭建的特点相契合[3],在此基础上借助软件的整合能力管理古建筑中的构件,建立参数化的构件“族库”[10],实现参数化驱动[7],进而强化古建筑信息模型的永久保留。虽然古建筑在规模和形制上有所差别,但其构件化的搭建、模数化的尺度以及特征化的组合等特点使古建筑高效的参数化建模过程成为可能,而且大大简化了后期的重复工作,降低了数字化成本。此外,古建筑数量巨大,BIM技术的引入对古建筑保护效率的提升也有重要的应用价值[11]。

2.2 BIM技术在古建筑信息管理中的优势

古建筑全生命周期的信息管理,包含建筑构造、参与方和时间3个维度[12],信息分类见表1。随着历史变迁,古建筑信息量越来越大,其管理方式也经历了从“口传心授”到现阶段以纸质书籍资料、测绘图纸为主的转变,但依然无法改变管理过程中存在信息解读、分析和整理等方面效率较低的问题[13]。建立古建筑BIM模型作为信息平台,将其视为现代化测绘成果的重要表达形式,进而利用“富含信息的模型”作为信息管理对象。BIM模型的建立将突破古建筑保护信息的壁垒,提高文物的保护效率,不仅带来管理方式和思维模式的转变,还为相关方提供了信息交换和共享的平台。

表1 古建筑全生命周期信息表

3 古建筑信息模型的创建

BIM信息模型的建立是围绕构件“族”展开的,每一个“族”类型实例对应一个古建筑构件。模型建立过程包括前期数据获取、参数化构件族库建立和参数化模型搭建3个阶段[3]。

3.1 数据获取

古建筑模型建立需求的数据来自多方面,不但包括构件的几何信息,更重要的是古建筑的营造工艺信息。

在古建筑的几何信息获取上,由于古建筑具有结构复杂、构件丰富的特点,且模型建立过程对数据精度的要求较高,因此探索一条新型的测绘思路获取古建筑几何数据信息尤为重要。将三维激光扫描作为主要的信息采集手段,辅以手工测量和高清纹理照片采集几何信息,测绘成果可满足古建筑模型建立所需的相关数据。三维激光扫描仪采用的是Z+F IMAGER 5010C(如图3所示),具有传输、共享便利和兼容性强的特点。数据的获取流程图如图4所示,包含外业和内业两部分工作。外业数据采集包括点云数据的获取、手工量测和高清纹理照片摄录,保证原始数据的完整和准确是这一阶段的重点；内业则是基于Leica Cyclone软件的数据处理,包括点云的拼接、去噪和坐标转换等[5]。最终点云文件以坐标量测、切片浏览、轮廓线绘制(CAD)和三维模型校核4种使用方式满足建筑信息模型建立的需求。

图3 Z+F IMAGER 5010C三维激光扫描仪图

在古建筑的营造工艺信息获取方面,清代的《清式营造则例》[14]是研究古建筑构造的经典资料。作为我国古建筑发展的最后一个阶段,清代建筑的形式以及构造的模数制、定型化方面均相当成熟,在模型建立过程中严格遵照《清式营造则例》的通则和权衡。以斗拱为例,了解斗拱的复杂构件和其构造关系是建立斗拱等局部构件的基础。

图4 前期几何数据获取流程图

3.2 参数化构件族库建立

古建筑的构件特点使得Revit软件在“族”的应用上变化丰富。构件族库是BIM模型建立的基础,标准和参数化的族库可简化后期建模过程。

3.2.1 主体结构部分

主体结构包括台基、柱和梁枋檩等,上述构件均具有较为规则的截面和放样路径,可在基于公制常规模型的族样板中建立,并直接载入到项目中使用,实现参数化驱动。具体流程如下:

(1)几何模型的建立 点云数据经Leica Cyclone软件处理后导入CAD中；通过切片浏览提取古建筑构件的结构特征,并绘制构件的平面图和剖面图；在Revit中,CAD二维线图可作为构件族建立的底图,绘制构件模型的轮廓和放样路径,经过拉伸、放样、融合与剪切等一系列组合操作实现几何构件模型的建立。

(2)设置驱动参数 驱动参数的设置将方便古建筑构件形制、尺寸和材质的参数化调节,以及位置的调整,载入参数化的族库将减少后期建模过程中的重复工作。

(3)赋予三维模型属性信息 几何模型建立后,根据需要添加相应的文本信息或参数,包括名称、材质、年代和修缮记录等多维信息。

(4)保存为相应的族文件,载入到项目中进行试用；确定各驱动参数在模型中的有效性。

3.2.2 围护结构部分

围护结构包括墙体、六抹隔扇门和四抹槛窗。隔扇门和槛窗上构件较多,安装有下槛、通连楹、连二楹和单楹木等。以六抹隔扇门族的建立过程为例(如图5所示),单扇隔扇门族图5(a)和抱框族图5(b)的建立过程与主体部分构件族类似,但其形态各异,精巧复杂；在抱框族的相应位置建立安装通连楹族、连二楹族和单楹木族等；将单扇隔扇门族和抱框族分别载入到隔扇门族中,经适当参数调整实现四扇隔扇门在抱框内的组合排列；最终完成六抹隔扇门族的建立,如图5(c)和(d)所示,将其载入Revit项目中进行试用。

图5 六抹隔扇门模型图

3.2.3 斗拱部分

斗拱是古建筑中重要的上下承接构件(如图6所示),一个复杂的斗拱模型由大斗、三才升等“斗”构件和瓜拱、万拱、厢拱等“拱”构件组成[15]。了解其基本构造和构件间的组合关系,是掌握斗拱建立技术的关键。城隍庙大殿所涉及的斗拱共有7种,其中前檐明间柱头科五踩重昂斗拱较为典型。以其为例进行说明,在建模过程中,基于CAD底图建立斗拱的“构件族”,如图6(a)所示；在各构件族中添加相关驱动参数,建立如图6(b)所示的斗拱构件族库；将各构件族载入到基于公制常规模型族建立的“斗拱族”中进行组装,实现如图6(c)所示的效果；载入项目中进行试用。参数化的斗拱构件族可根据斗拱的差异实现细部尺寸的调整,以便载入不同的斗拱族。

图6 斗拱构件族和斗拱族图

3.2.4 屋顶部分

城隍庙大殿屋顶部分主要包括椽件、望板、灰背层、瓦面和屋脊。城隍庙大殿翼角图如图7所示,屋顶椽构件数量较多,翼角部分构造较为复杂,如图7(a)所示。基于公制常规模型的椽构件族建立后载入项目中,根据量测数据调整椽件的疏密程度和角度,模型如图7(b)所示,其充分展现了翼角部位的复杂构造。根据材质和位置不同,分别设置木质望板族和石质望板族。灰背层的建立则严格依据屋面的造型设置其厚度和放样曲线。

为实现瓦片的精准定位和参数化(角度和长度)调节功能,“瓦片族”的建立运用了“基于公制常规模型”和“基于线的公制常规模型”两种族样板,其间经过3层族嵌套,基于上述技术建立的瓦片族可根据屋顶造型自由调节参数和安装布置,屋面瓦片族如图8所示。据此建立屋面不同位置“瓦片层族”,载入Revit项目中进行试用。与文献[4]和[6]中采用贴图方式以及瓦片和屋面层合二为一的屋顶建模方式相比,更加精准和真实,后期管理优势也更加突出。图9为族建立过程中优化后的传递路径,不同的构件族采用相应的传递路径,可细化建族过程,实现古建筑信息模型的精准搭建。

图7 城隍庙大殿翼角图

图8 歇山屋面瓦片组合图

图9 优化后的构件族传递路径图

3.3 城隍庙大殿参数化模型搭建

基于丰富的参数化构件族库和歇山建筑的结构特征,开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)大木作整体构造分析 重点关注梁架、斗拱、翼角和屋顶等复杂部位。(2)古建筑构件定位关系确立 主要包括平面轴网定位和立面标高定位,点云在CAD中的水平剖切可以产生传统意义上的古建筑平面图,据此规整标注古建筑轴线位置；在垂直方向的剖切可以输出剖面图,由此标注主要部位的标高位置。(3)细化构件族的搭建顺序 模型的建立过程按照古建筑的营造顺序确定。(4)古建筑构件装配 参数化调整各构件族,依据城隍庙大殿的构件和构架形式组装搭建,其建立的初期成果如图10所示,依次是台基、梁架/斗拱、围护结构、屋顶椽件、屋顶望板/灰背层、屋顶瓦片层[16]和屋顶脊饰等部分。

上述建立的古建筑模型为初期成果,随着保护时期的变化,模型也将进行相应的构件细化和信息实时更新。古建筑BIM模型最大的优势为可进行参数化、阶段化调整,根据不同的保护时期对古建筑信息模型进行补充和完善,长期的信息记录和更新可有效解决文物建筑保护信息库缺失等问题,进而根据需要基于模型信息对其进行修复和还原[17],以此实现古建筑全生命周期管理。

图10 城隍庙大殿建筑信息模型初期成果图

4 结语

文章以歇山建筑——郑州城隍庙大殿为例,基于三维激光扫描为主、手工测量和高清纹理照片为辅的几何数据信息,通过细化建族过程、优化族传递路径等方式建立其参数化标准构件族库,三维激光扫描技术与BIM理念的结合将古建筑多维信息的数字化带入了新的发展阶段,实现了复杂几何信息的具象化和隐性历史建筑信息(历史、工艺、人文信息)的显式化,更好地体现了古建筑构件的模数制特点,满足了古建筑信息数字化保护过程中实时更新、阶段化调整以及动态管理的要求,对于实现古建筑全生命周期的管理具有重要意义。