白族传统民居BIM构件库体系构建研究

李筱琪，赵 静，韩 菡，杨荣彬

(1.大理大学 工程学院，云南 大理 671003；2.云南大学 建筑与规划学院，云南 昆明 650091)

白族传统民居作为白族文化的重要内容之一，具有物质与精神的双重价值，应得到有力的保护[1].

建筑信息模型技术(Building Information Modeling，BIM)的概念自1970年被提出，近几年在国内外的建筑行业受到了越来越多的关注和应用.BIM技术是利用数字模型对项目进行设计、施工和运营的过程[2].BIM技术具备完善的建筑信息模型，以3D模型为载体，集成建筑、结构、管道、施工及运维等建设项目的相关信息，为工程设计与施工提供相互协调、一致的信息模型，有助于提高建设行业的效率并节省能源[3].目前BIM研究中，信息化应用、深化设计以及项目管理为主要关注热点和研究重点，实际应用于包括建筑、市政、桥梁等领域.

基于白族传统民居保护发展的需求及BIM技术在建筑工程领域广泛的应用前景，文中提出BIM技术在白族传统民居保护中的应用.通过BIM参数化建模技术构建白族传统民居建筑构件模型库，解决古建筑模型与信息的兼容，模型信息的复用等问题，使白族传统民居数字化保护更加系统化且具实用性.

1 BIM技术在古建筑保护中的应用

1.1 应用现状

目前国内古建筑保护中BIM技术的运用主要集中在古建筑生命周期的信息方面，具体应用分为：基于三维数字技术的全息几何模型、整体建筑信息模型、局部构件信息模型、基于BIM的古建筑全生命周期管理及分析、近景摄影测量、三维激光扫描技术、构件BIM云服务系统等方面[4].其中整体建筑信息模型与局部构件信息模型为本研究主要关注内容，已有研究成果包括：王婉等[5]对古建筑结构和构件进行分析，用VB编程语言对古建筑进行数字化与参数化的描述.王茹课题组“基于BIM的明清古建筑数字化保护与修复方法研究”，开发了明清古建筑信息设计平台，为古建筑构件参数化信息模型库的建立和管理提供了基础平台[6],对古建构件信息标准化以及关键信息的量化提取的方法进行了研究，并设计出利用图形数据库储存古建筑附加信息的明清古建筑构件信息模型系统[7].谭洁等[8]以利用GDL语言编程方法实现了古建筑参数化三维模型的生成，并用此方法成功搭建单檐庑殿大木作模型.石若明等[9]以府学胡同36号院为例，介绍了Revit族文件的创建步骤，及以“搭建”的形式实现模型正向创建的过程.Liu等[10]提出了一种基于宋代材份制的参数化木构件系统，并创建出基于XML的模型文件展示和描述宋代古建筑的施工过程.Li等[11]提出一种基于ADE(application domain extension)中CityGML(city geography markup language)的中国古建筑屋顶模型的简化建模的方法.

1.2 古建筑构件的BIM参数化设计

参数化设计是指在预先定义的参数条件下，通过改动模型某些部分的尺寸，自动完成模型中相关联部分的改动，从而实现尺寸对模型的驱动，驱动所需几何信息和拓扑信息由计算机自动提取[8].中国传统木结构建筑具有模数化、标准化、程式化等特点，严格按照模数制，规范了古代建筑的营造，房屋大小、等级、造价等都有严格控制.营造时从建筑的基本构件入手，各工段分别制作构件，之后现场拼装完成，即是预装、拼装式建筑的营造要义[12].这些特点与BIM参数化建模的思路与理念相符.在建立三维模型的同时采用参数化建模，将古建筑的内在规律植入模型，构件保存重要的尺寸约束关系，当重新调用构件时，只需简洁的参数化设置就能快速创建模型，实现参数对模型的驱动，提高工作效率[13].目前，BIM建筑软件中支持参数化设计开发的有ArchiCAD里的几何描述语言工具GDL(geometric description language)，Bentley里的自定义物体(custom objects)，Autodesk里的上下文驱动变更引擎(context-driven change engine)等.

ArchiCAD 作为广泛使用的主流BIM软件，其内置的GDL语言编译器也在发展.ArchiCAD模型是包含了全部建筑信息的3D数据库，用户输入的数据被储存在数据库中，并提取出三维形体数据，通过GDL语言编译器编译成3D几何形体，然后通过渲染引擎完成渲染，最终输出为可视化的三维形体[12].GDL几何描述语言，是智能化参数驱动构件的基础，其语句格式类似于Basic语言，通过调用内置几何体函数，并对相应的参数赋值后，便可在计算机中绘制任意形态的形体，并且几何系统的尺寸和形态可以随着可变参数的改变而做出相应的变换[14].GDL语言内置大量几何体函数，如图1以GDL多面体命令PRISM_ n,h,x1,y1,s1, …,xn,yn,sn为例，其中，n为多面体边数，h为多面体高度，x,y为定义多面体各端点的坐标，s为控制各端点开始的边和侧面的状态码，通过坐标转换、参数赋值与设定可变量等操作，就能定义相应几何形状的变量属性以及开发包含可变参数的对象.GDL参数化对象包含构件的二维图形符号、三维模型及文字描述等所需的所有信息，除材质、样式、尺寸外还可以储存造价信息，还具有模型轻量化、规范化、本地化模版、高效协同设计等优点.

图1 PRISM_ 几何形状模型定义

GDL技术有多种应用模式，ArchiCAD软件中自带有GDL编辑器，在编辑对话框中，包括细节、参数、组分、描述符等设置，以及样板、2D、3D、参数、界面等脚本编辑窗口，对象描述部分可添加建筑构件的相关介绍等信息，还可以预览所编辑对象的二维、三维视图等.如图2.

图2 GDL 编辑器对话框

基于以上优点，本研究将采用该计算机语言编程工具进行白族传统民居建筑构件库的建立.

2 BIM技术在白族传统民居建筑中应用的意义及价值

2.1 白族传统民居建筑特点及营建现状

大理白族传统民居结构体系源于中国传统木构建筑，在吸收汉文化的同时又保留了自己的民族特色，经过长期的演变发展形成了具有白族地域化特征的民居形式.利用木构架的组合，形成独具特色的“三坊一照壁”、“四合五天井”、“六合同春”等合院式布局.[15-17]目前针对白族传统民居的研究主要以建筑风格、装饰艺术及文化方面的意义为主，针对民居保护与传承方面的关注较少.

白族传统民居营建中，工匠基本沿袭传统师徒制，房屋设计建造全凭工匠师傅的经验技术，民居营造经验技术、常用尺度往往以“口诀”形式口口相传，设计图纸、相关书籍稀缺，优秀工匠并不易寻得，使白族传统民居营造技艺的传承变成一个迫在眉睫、存在挑战，同时也是一项极有价值的研究工作.

2.2 白族传统民居BIM构件库的作用和优势

计算机辅助设计的发展，为古建筑数字化保护提供了更多的可能性，大大提高保护效率.传统民居建筑设计灵活，结构多变，营建标准不统一，根据测绘数据重建的三维建筑模型只针对特定的建筑，费时费力重建的模型往往没有复用性，限制了其应用价值[18].因此，根据BIM技术的信息完备性和参数化设计方面的优势，将BIM参数化技术运用到白族民居建筑的保护中，首先能建立一个存储白族传统民居完整建筑信息的建筑信息模型(BIM)构件库，为白族传统民居数字化保护提供理论基础；其次，构件的参数化应用能使模型具备复用性和移植性，在新的设计、营建项目中被便捷地使用，为模型赋予了的实践的意义.

3 白族传统民居BIM构件库的构建及应用

3.1 白族传统民居BIM构件库

通过查阅白族传统民居建筑相关文献资料、实地调研及测绘、走访传统民居营建工匠，总结出白族传统民居建筑特点，包括平面组合模式、常用木构架结构形式、建筑构成元素等，汇总相关信息完成白族传统民居建筑构件库的构建.根据民居木构架系统、屋顶、围护、装饰元素等进行分类，白族传统民居构件库构建的研究框架如图3所示.

图3 白族传统民居BIM构件库体系构建框架

构件库主要包含木构架系统、屋顶、围护、装饰等构件，每个构件为一个GDL对象形式，每个对象保存了该构件的所有信息，可调用查看；同时在新建模型时，将对象集合导入ArchiCAD对象图库便可直接调用.图4为白族传统民居构件库体系.构件储存的相关信息包括：尺寸、表面材质、建筑材料、二维符号、三维模型、线型颜色、相关介绍等，在建模复用时，可以根据实际设计需要进行相关参数的设置.

图4 白族传统民居构件库体系

3.2 白族传统民居构件参数化

3.2.1 木构架系统

木构架系统构件包括柱、梁、枋、板、柱础等.根据白族传统民居常用木构架构件尺寸表1[16]，运用GDL三维形状如BLOCK、CONE、CYLIND、PRISM等语句创建参数化木构架构件模型，根据不同构件的类型，设置参数的取值范围.首先在参数面板中增加参数变量，并在参数脚本中给变量赋值，这样使用者首先根据设计要求选择构件类型，并在相应的赋值范围内确定变量，在保证设计自由度的同时避免设计错误.

表1 白族传统民居木构架构件尺寸表

在木构架构件调用面板中调用构件并设置相应参数可完成木构架的模型搭建，如图5，在构件调用时确定变量，包括构件的空间位置、尺寸、材质，并可赋予造价、制造商等相关信息，用于后期进行统计造价等工作.图6为以白族传统民居明楼带厦木构架为例，运用柱、梁、枋等构件所创建的木构架模型.

图5 木构架构件调用面板 图6 明楼带厦木构架模型

3.2.2 屋顶系统

白族传统民居屋顶为硬山式，屋顶系统模型由檩条、椽子、瓦、飞檐等构件组成，根据屋顶构件空间位置及组合规律，可以应用GDL编程中的坐标转换、FOR循环语句、宏调用等命令，设置相应的可变参数，能创建包含有重复循环对象如椽子、瓦等构件的模型，完成屋顶系统的构建.屋顶模型部分3D脚本如图7.

图7 屋顶模型3D脚本编写

GDL支持可移动热点功能，在特定节点编写可移动热点后，使用者在模型复用时，能在2D或3D设计窗口中能根据不同的建筑尺度自由拖移可移动热点，灵活直观地改变屋顶的举折和高度，赋予模型一定的自由度.可移动热点语句为HOTSPOTx,y,z[,unID[,paramReference[,flags[,displayParam[,customDescription]]]]][19]，其中x，y，z定义点的坐标，unID为该点的独立编码，paramReference为所要改变的参数，flag为热点属性：以1表示基准点、2表示移动点、3表示参照点，displayParam、customDescription为拖移点时所显示的相应信息.屋顶模型中，所设置的可变参数包括檩条间距、升起高度和椽子间距，可以通过结合循环语句与可移动热点的方式改变模型的尺寸，在改变檩条长度时，椽子的改变并非只是尺寸上的变化，而是程序根据所设定的参数进行计算，在保持椽子间距不变的前提下，增加或减少椽子的数量，以保证构件尺寸的正确，这也是参数化构件模型优势所在，如图8.

图8 屋顶系统及可移动热点(红点)

3.2.3 围护系统

围护系统主要包括门、窗构件，在GDL对象编辑时，应将门、窗构件子类定义为洞口——墙洞口——门(墙)、窗(墙)子类，以保证安插门、窗时洞口开设的准确性，并且能运用该子类下的相关预定义参数进行对象的创建.预定义参数中包括门框、门面板、2D表现、3D表现、材质等门构件的相关设置.如图9所示.

图9 门对象子类参数面板

3.2.4 其他元素

除以上构件，所创建的构件库还包括照壁、大门、墙面装饰(墙面彩绘、围屏装饰等)、木雕装饰(吊柱、梁头、挂枋、梁托)等极具白族传统民居建筑特色元素的构件，见图4.

3.3 白族传统民居构件库的应用

3.3.1 建筑三维模型搭建

白族传统民居同中国古建筑体系一样，一般以“间”为单位组成三间单幢建筑，称为“坊”.根据家庭人口和经济实力，院落通过“坊”演变出多种平面布局，形成丰富、灵活的庭院空间，以适应不同的生活需求.图10以一坊房屋为例，调用所编写的构件，设置相关参数，便能快速地完成建筑三维模型的搭建.

图10 白族传统民居建筑模型设计过程

3.3.2 建筑信息管理

创建的白族传统民居建筑构件库，在建筑信息管理的应用主要包括以下两方面：首先，因为白族传统民居建筑元素及构成纷繁复杂，营造技艺掌握在工匠手中，缺乏图纸及相应标准规范，不利于白族传统民居的保护及传承，而BIM建筑信息模型携带构件包括形状、尺寸、材料、用途等相关信息，这些以数字化形式保留的信息，将在白族传统民居保护中发挥重要的作用.其次，在新营建项目中，匠人凭借经验与客户交流，客户有时不具备房屋营建的相关知识，则会存在沟通等方面的困难，造成一些不必要的浪费，若建立BIM参数化模型，许多问题便可迎刃而解.包含有建筑全信息的三维模型能将建成的建筑效果直观地呈现出来，在实际营建项目中，方便项目的展示、沟通与交流，并且BIM的可出图性，清单统计，以及在施工模拟等方面的优势，能协助在设计和施工时的沟通交流，减少设计工作量与成本，优化设计流程.表2为门、窗工程量统计清单，能协助工程量统计，利于预算与采购，且根据BIM的一体化和协调性，在对模型进行改动时，所有相关内容将自动进行联动更改，准确便捷且能减少不必要的浪费.

表2 门窗一览表

4 结语与展望

本文结合BIM的理念搭建了白族传统民居建筑数字化研究的框架，运用ArchiCAD中GDL参数化语言编程工具对白族传统民居建筑的主要构件进行三维建模，并赋予相应的信息，创建了白族传统民居建筑构件库.讨论了参数化的三维模型在白族传统民居保护中的优越性、模型的复用性以及在新营建项目中的可行性.保护与传承相辅相成，此构件库的建立，为白族传统民居建筑的保护提供了数字化的信息平台，相信随着计算机辅助设计的不断普及，将会取得更加广泛的应用.