曹思琪, 孙玉梅, 陈永鸿, 李 睿, 李 铁
(昆明理工大学 建筑工程学院, 昆明 650504)
建筑信息模型(BIM)于建筑行业中是新的变革的标志,BIM突破传统的建筑思维模式[1],将建筑信息进行整合。中外建筑行业倾向于将BIM技术应用于建筑的全生命周期管理,但很少有研究探讨BIM技术在建筑遗产中的应用和文献记录方面的价值[2]。建筑遗产作为全人类宝贵的物质、精神财富,中外对建筑遗产的保护都十分重视,近年来BIM技术应用于建筑遗产也得到了进一步的发展[2]。
基于建筑遗产的定义,从BIM在国外建筑遗产中的应用、BIM在国内古建筑中的应用及BIM在国内少数民族建筑中的应用3个方面对BIM技术在建筑遗产中的应用进行文献回顾。
当前,随着信息技术的不断发展,BIM技术逐步被用于建筑遗产研究保护领域,能够使建筑遗产保护过程中遇到的问题高效解决。从BIM技术在建筑遗产中应用的程序,将其划分为3个步骤。
步骤1:使用地面激光扫描或数字摄影测量模型远距离收集调查数据。Murphy等[3]针对欧洲古典建筑采用引入BIM技术到历史遗迹的保护之中,提出BIM用于历史建筑的新方法,即收集三维图像数据、查阅建筑资料细化历史建筑细节、映射构件参数到扫描数据上生成BIM模型、导出结果资料形成云数据。Moano等[4]在对西班牙赛维利亚一座巨型铜时代纪念碑的研究中引入BIM技术和三维扫描点云技术,利用三维扫描点云数据建立具有复杂考古形状的BIM参数对象。Suwardhi等[5]面对位于印度尼西亚的Borobudur寺庙建筑石块劣化程度不断加重的情况,该研究团队通过无人机摄影技术获得Borobudur寺庙的地面图像,详细收集建筑三维信息,使寺庙建筑实现完全数字化,并建立了1∶100的数字高程模型。
步骤2:BIM模型源数据收集后,需要对点云数据进行处理,并进行建筑物或构筑物BIM模型的建立。Murphy等[6]在两项研究(2009、2011年)中开发了历史建筑信息建模(HBIM),这一方法建立目的在于将当代技术与BIM方法整合到建筑遗产保护领域。HBIM充当BIM的插件,它是一个由历史数据构建的参数对象原型库,以及一个用于将参数对象映射到点云和图像测量数据的系统。Murphy等[7]在爱尔兰都柏林的Henrietta街保护建模中,激光扫描后,将正交图像导入到BIM平台ArchiCAD中,通过组合HBIM插件中包含的所有必需库部分来完成建模。Barazzetti等[8]使用Cloud-to-BIM-to-FEM的方法,将点云转换为BIM然后用有限元方法模拟结构行为。
基于BIM技术在建筑遗产中的3个步骤的应用,前两步骤研究较为充分,也提出了不同的方法实现或优化建筑遗产的BIM建模;步骤3是现阶段时期研究者瞩目的研究领域,尝试建筑遗产相关数据库的开发、管理系统的开发等。
近年来,随着BIM技术的兴起,BIM技术开始作为古建筑遗产保护的技术手段。通过数字化建模,能够得到覆盖古建筑遗产项目全寿命周期详细信息的建筑信息模型,使古建筑遗产的保护从传统模式中走出来,以数字化的形式延存。
刘慧媛[12]基于BIM和GIS建立了斗拱信息化模型及得到了时空布局。石若明等[13]利用点云构建了古建筑遗产全息几何模型,配合GIS环境将建立的模型实现共享。惠之瑶等[14]提出了BIM-3D扫描技术的建模方法,以实现根据点云数据建立古建筑遗产revit模型。谭启明[15]将三维扫描技术和无人机倾斜摄影技术与BIM技术相结合,构建了青岛广兴里内院模型。
王令文[16]设计了基于点云数据的古建筑遗产建模方法,对于复杂结构采用Delaunay四面体剖分算法建立三角网模型,对于规则部位则直接构建实体模型。谭洁等[17]利用GDL语言编程,以清代官式建筑为例,基于BIM技术建立了一个单檐庑殿式大木模型。王轩等[18]设计了基于IFC标准的建筑模型转化技术。
王茹等[19]根据图形数据库和扩展字典保存古建筑遗产附加信息,建立了构件信息模型系统。韩婷婷[20]在对明清古建筑构造形式及建造规律深入分析的基础上,以构件为最小粒度单元,对BIM环境下明清古建筑构件库参数化设计展开了研究。
狄雅静等[21]指出BIM技术特有的优势能解决传统信息管理中出现的“信息孤岛”及“信息断流”等问题,实现古建筑全生命周期的管理。王茹等[22-23]基于BIM技术,从古建筑遗产的全生命周期出发,划分各个层次信息,从而构建了古建筑遗产的信息模型。
张祥[24]分析了明清官式建筑遗产构件的参数化建立了BIM信息化模型。王英华等[25]根据BIM的优势,提出结合BIM技术对古建筑遗产保护的详细信息进行参数化存储、建模方式,构建了BIM技术在古建筑遗产保护中的参数化模型。
中国是个多民族国家,不同民族都有着各自独特的文化传统。各少数民族民居由于处在不同地区及气候条件,都形成了具有代表性的民居建筑,如福建的古堡建筑、贵州的屯堡建筑、云南的合院式建筑等。在少数民族建筑中应用BIM技术,并对其进行保护也逐渐成为研究方向。
(4)为了获得最佳的碾压效果,严格控制灰土中的最优含水量,在施工现场一般以手握灰土成团,两手轻捏即碎,即可认为接近最优含水量。
武志东等[26]通过对少数民族聚落系统性调研,通过激光扫描及无人机摄影收集建筑数据,建立了少数民族聚落与民族形态学空间数据标准库,为少数民族建筑保护、发展、改造提供了依据。
李恒凯等[27]以江西白鹭古村客家古村落为研究对象,通过对客家古村落的建筑群的整体布局、建筑物单体及构件的研究,在三维数据采集后对古村落模型进行重建,并形成针对古村落的管理平台。
姜磊等[28]发现汉瑶民族建筑物的结构构建和装饰构建有基本同意、普遍生产的特点,提出采用装配式建筑与BIM技术相结合的方式,对汉瑶民族建筑进行全过程管控,为建设、维护汉瑶民族建筑提供了现代化工程建设思维。
李盼等[29]对芒景村布朗族民居建筑环境因素的数据进行测量,分析该村落存在的结构上及房屋工程和舒适性方便的不足,利用BIM技术对布朗族民居进行仿真分析,完善修缮方案。
于宗琳等[30]分析了珞巴族地形和建筑特点,运用3ds Max制作地形和建筑模型的效果模型,再使用Revit进行参数化模型制作,建立了珞巴族建筑文化数据库,并结合VR虚拟现实技术,实现了珞巴族建筑的数字化保护。
彭永鹏等[31]利用三维激光扫描技术,以BIM技术为支撑,对贵州松桃大湾苗寨建筑的数字化保护进行了详细描述。
阿依丁·米拉提等[32]使用三维激光扫描收集建筑数据,使用BIM进行参数建模,并提出运用3D建筑打印机打印单个构件模型,从而完成整体实体模型构建研究。对保护和发展少数民族建筑文化有巨大的推动作用。
上述,不少学者已经注意到少数民族建筑保护、发展、建设的重要性,并针对其进行了不同程度的研究。但BIM应用于少数民族建筑的研究也具有局限性,大多都是重复当前的BIM应用模式,创新性不足。如何克服BIM在少数民族建筑中应用的难点,提高其适用性,还需要对其深入研究。
BIM技术应用于房屋建筑和工业建筑的优势已经展现出来,在建筑遗产领域的应用也正在逐步地被研究推进。本文在这一背景下,综述了BIM技术应用于建筑遗产领域国内外的研究状况。
对于当前BIM技术应用于建筑遗产的回顾表明,大多数研究人员采用了某一特定的方法为处于历史环境中的建筑遗产提供BIM模型构建和开发。在具体实践中,这一过程从数据收集和数据处理开始,激光扫描图像、点云数据处理;从历史文献和书籍中识别结构细节;创建参数历史物体数据库;明确参数构件及激光图像之间的相关性;最后生成三维虚拟模型。
除了部分应用点较为新颖的研究外,BIM技术在建筑遗产领域的应用大部分还处于简单的三维扫描、建模及单一管理平台的建立使用中,存在着创新和技术发展不足的问题。实际上,现在基于BIM技术对于建筑遗产的应用仅只是与BIM模型的查看器,并没有为建筑遗产保护提供更为实际的帮助及应用。研究中的建筑遗产案例用于也仅停留于建筑遗产的BIM模型建立、三维扫描转换模型接口的优化、BIM建模速度提升等浅层问题,没有更多深入和后续开发。
此外,基于中国多少数民族文化的历史背景,并从少数民族建筑遗产角度出发,结合少数民族建筑遗产保护角度的研究很少,BIM技术在少数民族建筑中的应用研究亟待丰富。
建筑遗产在BIM技术中的应用还有很多方向可以深入拓展研究。首先,研究者应跳脱单一的使用BIM技术对古建筑模型进行建立的目的,应该更多地从BIM模型二次开发应用的角度出发展开拓展研究。其次,国内在建筑遗产BIM模型的应用中可以借鉴国外的研究应用点,使用计算机语言实现BIM模型数据多方面交互应用。再者,少数民族建筑作为中国一类特殊的建筑遗产,是中国独特的物质文化遗产,在少数民族建筑遗产中可以进行进一步的深入研究。
由此可见,从国内BIM技术发展趋势来说,BIM应用于建筑遗产中的大有可为。