基于BIM技术的历史风貌建筑信息保护

刘 康 张金明 柯嘉薇 方 芳

对于城市而言，历史风貌建筑是十分珍贵的文化遗产，承载着城市从创建到发展历程中所有的记忆，具有不可替代的历史价值、艺术价值以及文化价值。若能够实现对历史风貌建筑信息的有效保护和合理利用，则对于城市未来风貌发展、保留原有建筑风格与文化特色都具有十分重要的现实意义[1]。但现有的保护方法更多是以纸质形式来实现对各类信息的采集和保存，缺少数字化、直观化的管理，这样不仅会增加保护工作的工作量，而且在采集各类信息时还会出现不全面、精度低等问题，无法进一步提升保护效果[2]。

针对这一问题，通过引入BIM 技术，介入信息化手段和思路，可以对历史风貌建筑各阶段信息进行采集和保护。BIM技术当前在建筑领域中的应用十分广泛，但在信息保护中的应用却较少[3]。其应用的核心是以计算机作为运行载体，将实际的建筑在计算机中建立一个三维立体化模型，并结合数字化技术对模型进行信息补充和完善。通过这样的方式能够直观、全面以及阶段性地记录并且展示历史风貌建筑的基本信息，更利于其管理、保护等相关工作的进行。

1 历史风貌建筑信息采集与模型构建

1.1 历史风貌建筑显性与隐性信息采集

在历史风貌建筑保护和更新的过程中会产生大量的信息，为实现对信息的有效保护，可将信息划分为显性和隐性两种类型，并分别进行采集。首先，对于显性信息的采集可采用数码拍摄的方式完成[4]。对建筑某些结构上的重要构件进行测绘时，为了确保采集到的现状色彩信息真实，在拍摄的过程中，每一张图像都需要附带两张色卡，其中一种为24 色卡，另一种为白平衡卡。后期在对建筑色彩进行还原时，每张图像上附带的上述两种色卡都能够确保将色彩因素产生的影响降到最低，从而保证建筑色彩信息的真实性[5]。

为进一步提高色彩信息采集的精度，可选择专业数码相机进行拍摄，并确保拍摄的角度与拍摄面始终保持垂直。最后，将利用专业数码相机拍摄的照片以RAW 格式存储，为后续图像处理的可调提供条件[6]。同时，在获取建筑的显性信息时还可引入三维激光扫描技术，确定各个构件位置信息的计算公式为：

式中：Xd、Yd和Zd分别为某一点d在三维坐标中的横轴、纵轴和空间轴坐标；S表示为测定距离；a和b分别为测点与中心点的连线同横轴、纵轴形成的夹角。

按照上述思路完成对所有显性信息的采集，再对历史风貌建筑中所有隐性信息进行采集[7]。在具体操作中，可使用摄像机、录音机及其他设备，对建筑的某一主题以口述历史信息的方式进行采集。从口述内容中挑选出与主题相匹配的信息予以保留，从而实现对历史情况的还原。在采集隐性信息时，需要确保对象大众化，针对社会各个层级、各行业人群进行历史风貌建筑信息中隐性信息的采集。将获取到的信息资料保存并整理成稿，达到建筑背后隐藏历史信息的可视化[8]。同时为体现全面性，在得到上述隐性信息时还可采取档案查询的方式为隐性信息结论的总结提供依据，并确保后续保护方法的保护对象更准确。

1.2 基于BIM 的历史风貌建筑信息模型构建

在获取到历史风貌建筑的显性信息和隐性信息后，引入BIM 技术，对其信息模型进行创建。在创建模型时，将类型学理论引入到Revit 软件中，以便实现模型族样板层级之间的相互关联。基于BIM 技术的模型族样板层关联示意如图1所示。

图1 基于BIM 技术的模型族样板层关联示意

利用Revit 软件中的文件链接协同方式和工作集协同方式可实现对信息模型的多方协同设计。利用第一种方式将dwg 格式文件作为模型外部参照的相似条件，并在Revit 软件中通过复制、协同查询等实现建筑不同专业之间模型文件的交互[9]。利用第二种方式将模型核心结构的支撑文件进行分解，由各个专业负责完成对应的模型设计项目，最后汇总构建成完整的历史风貌建筑信息模型。

2 历史风貌建筑信息保护方法研究

2.1 历史风貌建筑几何数据库与信息数据库构建

在上述构建的历史风貌建筑信息模型中，为实现对信息的合理存储，可针对不同类型信息完成对几何数据库和信息数据库的构建。几何数据库可看作是信息模型的基本单元，其中包含了建筑中各个构件的几何尺寸、基本信息以及环境信息等[10]。几何数据库中包含了多种不同种类和格式的数据，历史风貌建筑几何数据库中的数据类型及对应格式如表1 所示。

按照表1 中的内容将所有几何数据以对应格式存储在几何数据库中，完成对几何数据库的构建。再按照上述思路对建筑信息数据库进行构建，信息数据包括历史信息、艺术信息以及文化信息等，其数据库的格式应更加多样化。根据历史信息相应的文件格式，将各类档案中与历史风貌建筑相关的信息进行记录，并按照如表2 所示的格式将不同类型信息数据输入到信息数据库中。

表1 历史风貌建筑几何数据库中数据类型及对应格式

表2 历史风貌建筑信息数据库数据格式表

2.2 基于阶段化的历史风貌建筑全生命周期信息的保护

为实现对历史风貌建筑全生命周期信息的保护，按照信息模型阶段化的思路，对建筑在各个历史阶段中的建筑结构信息、材料信息、更替信息以及构造改变信息等进行保护。在Revit 软件中，利用其阶段化功能，将建筑从建成以来的各个历史阶段信息进行划分，并将其存储在对应的子模型中，以此实现信息与模型之间的动态链接。在Revit 软件的管理选项卡中，调出阶段化管理面板，在这一面板中对建筑历史阶段进行编辑，并根据建筑发展的实际情况，完成阶段的增添或发展阶段顺序的改变。

以某历史风貌建筑墙体为例，在对相关信息进行保护时，调出与墙体属性相关的信息，采用Revit 软件中的阶段化功能完成对墙体创建阶段和拆除阶段的划分。在实际应用中，拆除不仅表示人为拆除，自然条件破坏也可视为拆除的一种表现类型，从而将各个阶段的各项信息进行合理区分，并将其导入到信息模型中，在保护信息的同时，实现信息的可视化展现。

3 实例应用分析

为了验证上述方法在实际应用中能否实现对历史风貌建筑信息的保护，现以某城市具有历史风貌特点的建筑为例，获取相关的各项信息资料。已知该建筑建成于1950 年，是一栋具有70 余年历史的典型风貌建筑，在10 年前便被确定为该城市重点保护级别的历史风貌建筑。但是由于该建筑建设时间较早，设计时没有考虑到抗震构造的问题，使得建筑受到地震波影响出现了部分坍塌，然而在对该建筑以往信息的提取中，并没有发现地震影响所造成建筑坍塌位置的相关记录。

该建筑的显性信息主要包括建筑平面尺寸（32.54 m×12.25 m）、建筑占地面积（652 m2）以及建筑建造材料等；隐性信息主要包括当时历史背景下的建筑设计理念、建筑材料的运用以及建造工艺等。建筑承载了该城市的文化、历史和技术等，对于了解该城市在特定历史时期的社会状况具有极大的帮助。收集完历史建筑的显性与隐性信息，对其进行信息化保护，首先要建立基于BIM 技术的历史风貌建筑信息模型，并对其容量值进行分析。模型的容量值越大，则表示信息保护提供的信息存储空间越大，越能够保留更多的历史风貌建筑信息。根据上文论述，对基于BIM 技术建立的历史风貌建筑信息模型容量值进行计算，其公式为：

式中：φ为基于BIM 技术的历史风貌建筑信息模型的容量值；W为历史风貌建筑显性信息和隐性信息在传输过程中通道内的总容量；ε为保护过程中信息出现的损失量；K为模型总容量。根据上述论述，记录从1950 年开始的第10 年、20 年、30 年、40 年以及50 年的模型容量值，得到如表3 所示的结果。

表3 本文保护方法中模型容量值记录

对表3 中的数据进行分析，尽管随着年份的增加，模型中不断有新的信息增加（这一部分信息主要来自于建筑结构变化、建筑修复信息等），模型的容量值也在逐渐降低，但在当前的容量值降低速度条件下，该模型仍然可以为历史风貌建筑信息提供100 年左右的信息增加量。

BIM 技术未来也将更加成熟，因此模型容量值能够充分满足信息保护方法中的信息存储空间条件，初步可以证明将BIM 技术应用到历史风貌建筑信息保护方法中具有可行性。

4 结语

通过探究BIM 技术在历史风貌建筑信息保护中的应用，并举例验证其应用的可行性，可见BIM 技术更利于历史风貌建筑信息的保护、管理等相关工作。但由于研究能力有限，上述提出的保护方法对于历史风貌建筑信息保护的效果并没有进行详细的实践研究，因此在后续的研究工作中还需通过实践的方式对其保护效果进行探究，并针对保护过程中可能遇到的问题进行分析，提出相应的优化方法，从而进一步提升该保护方法应用的适应性。