基于BIM技术的民族建筑构件参数化建模方法研究

蔡 军，封声凤，苏 莹，邱秀丽，刘彩云，潘德武

(贺州学院 建筑与电气工程学院，广西 贺州 542899)

民族建筑作为民族文化的重要载体，承载着包括建筑构件、图腾、图案、文字、符号、雕塑、壁画等少数民族文化，它见证了民族建筑历史的发展与变革。近年来，由于新兴建筑文化对中国民族建筑文化的影响，建筑行业的新技术、新材料、新方法对民族建筑技艺传承产生断层的影响，自然因素、人为因素对民族建筑本体的损害等等原因，致使中国部分民族建筑数量快速锐减，民族建筑文化面临灭绝，有必要对民族建筑的保护寻求发展路径。

与民族建筑具有同样的建筑样式复杂和多样性的古建筑，在设计过程中采用传统的设计软件和方法存在较大的难度和需要耗费大量的时间。为简化建模过程，相关研究人员已对测绘技术或者BIM技术对复杂的古建筑进行快速建模，如杨振威等[1-2]利用BIM技术等对古建筑进行信息化建模，高溪溪等[3]结合三维激光扫描仪与BIM技术对古建筑进行参数化建模。

但相关人员利用BIM技术在民族建筑建模方面利用较少，但根据研究人员在古建筑方面的研究成果[4-5]，并结合BIM技术在古建筑构件参数化建模方面的应用[6-8]进行民族建筑构件参数化建模研究。以岭南地区民族建筑构件的封火墙为研究对象,分析封火墙的建筑构件内在规律，对民族建筑构件进行参数化建模，从而建立封火墙构件“族”库，为民族建筑数字化保护提供帮助。

1 BIM技术参数化建模方法研究

高岱等[9]为进行古建筑构件的参数建模方法研究，根据中国古典建筑斗拱建筑构件尺寸关系建立相应的函数关系，从而设定相对应的自变量和因变量，在进行建模过程中对自变量进行修改从而可进行生成其他规格的建筑构件。

而对于民族建筑参数化建模方面，吴海俊[10]根据安徽当地的徽派建筑结构，归纳并定义徽派建筑中构件的参数类型，以及确定各构件参数之间的函数关系、构件间的组合比例和约束关系，从而可实现改变徽派建筑的1个基本参数 ，即可快速有效地生成徽派建筑。

为实现复杂建筑模型的参数化建模，魏颖[11]通过Rhino软件处理具有非线性曲线、曲面特点的建筑构件，并且结合Grasshopper[12]可视化编程语言对其进行参数化处理实现参数化建模。

而对于其他部分复杂且无规律的特殊建筑构件，为对其进行快速建模，石力文[13]、邓林建[14]等利用三维激光扫描仪对特殊构件进行扫描形成点云模型，并结合Revit软件进行BIM模型的重建，从而实现快速建模的目的。

2 民族建筑构件模型及参数关系

封火墙构件的主要作用是在相邻民居发生火灾的情况下能够隔断火源。封火墙建筑构件类型主要包括镬耳墙、马鞍墙、马头墙三种主要类型。因马头墙的外观较为简单，本文主要以镬耳墙、马鞍墙为例。为探索镬耳墙、马鞍墙内在的规律，将三种类型构件外观进行简化并建立各个尺寸之间的代数关系，从而为建立封火墙构件“族”库中的归一化模型做准备。封火墙的部位主要包括：墙顶(E)、墙肩(A)、墙腰(D)、墙胯(B)、墙长(L)、内衬(C)、模型内部墙高(H)等。

2.1 镬耳墙模型及参数关系

镬耳墙的简易模型如图1。基本特点是模型两边对称，模型的墙肩(A)为半圆弧，模型的腰部(D)为直线段和模型的墙胯(B)为1/4圆弧段，模型底部总长为L，根据镬耳墙实际情况进行模型参数设置，将A、B、C、D、E等参数设置为自变量，模型其他参数设置为因变量，自变量之间对应关系：A=r，B=3 r，C=0.3 r，D=0 r、0.5 r、1 r，因变量与自变量之间关系：L=2B+2A=8 r，其中镬耳墙的墙体厚分别为120 mm、240 mm、370 mm。

图1 镬耳墙简易模型

2.2 马鞍墙模型I及参数关系

马鞍墙有两种典型的模型，第一种马鞍墙是由镬耳墙衍生而来的，即马鞍墙在镬耳墙的顶部增加了一段直线段,具体简易图形如图2；第二种马鞍墙是由第一种马鞍墙简化而来的，即将第一种马鞍墙顶部两端的弧线段转化为直线段，如图3。

图2 马鞍墙简易模型I

马鞍墙I模型基本参数与镬耳墙的类似，增加一个新参数墙顶(E)，E的取值范围0～6 r。其余参数：A=r，B=3 r，C=0.3 r，D=0 r、0.5 r、1 r，马鞍墙长度为L=2B+2A+E=8 r+E。

图3 马鞍墙简易模型II

2.3 马鞍墙模型II及参数关系

马鞍墙模型II与马鞍墙模型I之间的区别在于，马鞍墙模型II将马鞍墙模型I顶部与腰部的圆角倒角连接改为直角倒角连接，简易图形如图3。

马鞍墙II模型由马鞍墙I演化而来，即在原马鞍墙I的基础上取消了顶部弧形段改为直线段，E的取值范围0～6 r。其余参数：A=r，B=3 r，C=0.3 r，D=0 r、0.5 r、1 r，马鞍墙长度为L=2B+E=6 r+E。

3 BIM软件参数化建模方法

3.1 封火墙“族”库归一化建模思路

中国民族建筑种类繁多，在历史进程和不同区域中同类型构件出现多种形状的演化，使得利用BIM技术相关软件对民族建筑构件进行参数化建模的工作量大大增加，从而导致参数化建模生成的“族”体系内存过大。为了能系统地传承和保护民族建筑，需要对同类型民族建筑构件进行归一化处理，即将不同形状的同类型民族建筑构件归类统一处理形成可用单个“族”进行参数化生成。

谥号属于古代礼制的一个重要方面，具有很强的社会功能。程颐云：“古之君子之相其君，而能致天下于大治者，无他术，善恶明而劝惩之道至焉尔。劝得其道，而天下乐为善，惩得其道，而天下惧为恶，二者为政之大权也。然行之必始于朝廷，而至要莫先于谥法。何则？刑罚虽严，可警于一时，爵赏虽重，不及于后世，惟美恶之谥一定，则荣辱之名不朽矣，故历代圣君贤相，莫不持此以厉世风也。”太子获得的谥号会随着史书、碑刻等载体流传于世，是对宗室子弟的较为有效的一种教育手段，有利于引导他们和睦相处并遵守皇权至上的礼仪制度。

根据封火墙的简易模型图中的图1～3可知，由于马鞍墙I的参数较多，可将其作为镬耳墙和马鞍墙II的归一化模型，镬耳墙和马鞍墙II模型可在其基础上进行演化生成。不同类型封火墙的演化过程如下：

(1)镬耳墙模型。镬耳墙模型与马鞍墙I模型对比主要差别在于：马鞍墙I模型顶部存在有一定长度的墙顶，镬耳墙模型没有墙顶部位，或者是墙顶的长度较小。镬耳墙模型具体的演化方法是将马鞍墙I模型(归一化模型)的墙顶(E)参数设置为一个量级较小的数值(因软件中参数设置不允许出现为0的情形)。

(2)马鞍墙II模型。马鞍墙II模型与马鞍墙I模型对比主要差别在于：马鞍墙I模型顶部(墙顶)两端存在有一定弧长的墙肩，其弧度可近似为90度，马鞍墙II模型顶部(墙顶)两端的没有墙肩，具体的演化方法是将马鞍墙I模型墙肩的弧长设置为一个量级较小的数值，即可演化成马鞍墙II模型。

依托BIM技术的Revit软件，根据马鞍墙I的参数关系，构建马鞍墙I的参数化模型，通过改变马鞍墙I的部分参数，从而形成不同规格的马鞍墙I模型，或者马鞍墙II或者镬耳墙模型，从而实现民族建筑构件参数化建模的目的。

3.2 封火墙“族”库建模演化过程

封火墙“族”库建模的具体步骤：(1)将不同类型的封火墙构件进行归一化处理,为马鞍墙简易模型I，取马鞍墙简易模型I的一半进行建模；(2)将马鞍墙简易模型I(归一化模型)五个部位分别建模，标注尺寸并建立尺寸关联关系。由于模型部分区域存在一定弧度，所以模型部分部位的最外层、中间层和最内层的尺寸之间存在一定的差异，其他的直线段的尺寸基本相同。从模型的最外层到中间层和最内层区域的尺寸的设置方式：墙顶均设置为E，墙肩为A、a、a1，墙腰均为D，墙胯为B、b、b1，内衬厚度为C，底部长度为L，最内层区域的墙高为H，具体如图4；(3)将模型进行镜像复制，形成完整的模型；(4)修改按照3.1节的方式修改相应的参数，使马鞍墙简易模型I转化为马鞍墙简易模型II和镬耳墙模型；(5)对模型进行贴图形成较为真实的封火墙结构。

图4 封火墙“族”模型尺寸设置

为确保能够将马鞍墙简易模型I转化为马鞍墙简易模型II和镬耳墙模型，对相应的参数进行设置对应的关系。将A、B、C、D、E等参数设置为自变量，将其余参数设置为因变量。相应的关系为：H=a1+b1+C+D；L=E+A+B；a=A-C；a1=A-2×C；b=B+C；b1=B+2×C，具体设置如图5。

表1 封火墙"族"模型的参数关系设置

3.3 封火墙“族”库建模结果

将封火墙“族”库的“族”模型，即归一化模型进行镜像之后形成马鞍墙I模型，结果如图6。为将马鞍墙I模型转化为马鞍墙II模型，需将顶部弧形段的半径为较小的数值，且需确保最内层顶部弧形半径a1=A-2×C为正，此外模型中C=200 mm,则需将顶部弧形半径A设置为401 mm，此时a1=1 mm相对于其他参数而言为一量级较小的值，结果如图7。为将模型马鞍墙I模型转化为镬耳墙模型，则需将顶部直线段的长度E设置为1 mm，具体如图8。

图6 封火墙族——马鞍墙简易模型I

图7 封火墙族——马鞍墙简易模型II

图8 封火墙族——镬耳墙模型

4 模型美化与推广应用

为了美化创建的模型，走访调研岭南地区民族传统村落，采集、分类、汇总封火墙主体的材质图像，并对图像标注地理、年代、民族等信息导入至Revit软件中形成民族建筑封火墙构件的材质信息库。最后对模型进行贴相关材质图4成较为真实的封火墙结构，具体如图9。

图9 镬耳墙美化模型

为进一步推广与传承民族建筑，将美化的模型VR技术相结合，并且将其应用在地方民族文化博物馆以及民族传统村落景区中进行展览。其方法不仅能实现为民族博物馆和传统村落景区吸引游客，也能让游客进一步了解民族建筑的演化发展过程。

5 结 论

文中以岭南地区民族建筑构件的封火墙为例，基于BIM技术对民族建筑构件进行参数建模研究，通过建立民族构件尺寸之间的参数关系，可形成同类型民族建筑构件“族”，从而可实现快速建模的目的和减小“族”存储空间。

部分民族建筑构件的局部较为复杂，对于局部复杂的封火墙，为更好地反映封火墙的真实特征，可采用Revit软件建模与点云建模相结合的方式，其中局部构造(细部构造，较为复杂的部分)可采用三维激光扫描仪对其进行扫描形成点云模型，从而生成细部复杂的模型，其余简单部分的可采用Revit软件参数化建模的方式。

文中描述的民族建筑构件参数化建模方法对于实现民族建筑构件快速建模具有重要意义，对于传承、推广和保护民族建筑具有一定的实践指导意义。