基于BIM技术的合肥包公祠保护与修缮研究

季文媚,汪立才,马俊晨

安徽建筑大学 1.建筑与规划学院;2.安徽省国土空间规划与生态研究院,安徽合肥,230601

古建筑保护与修缮项目是一个高度分散的管理系统,且依赖于不同专业团体(包括业主、承包商、建筑师和工程师等)之间的相互协调,因而成为限制其经济规模的重要因素,间接导致施工过程与修缮文本的统一性降低。项目施工造价和施工进度是否契合于所拟工程预算和施工模拟计划,所依照的工艺做法和所应遵守的原则是否为传统地方做法和保护明文准则,皆有待考据。这些市场特征导致建筑保护与修缮行业的历史表现长期欠佳,致使市场标准化不足、创新和数字化进度缓慢及客户满意度低、交付过程繁琐等[1]。

BIM技术带来的曙光——建筑信息化建模(BIM)是一个借助共享化数字系统的搭建来贯穿建筑全生命周期(设计、施工、运营)的产业模式,并提供可靠决策支持的过程。BIM的全称是Building Infornation Model,指在建筑工程项目中将传统二维表达图纸变为由有材质数据、物理特性和几何数据的三维模型来进行表达,最终形成一个汇总建筑所有基础数据的数据库[2]。数据库不仅包含建筑及构筑物所拥有的尺寸大小和连接方式,还可以赋予构件残损病害信息、材料覆盖属性、标准样板展示和力学受力特征等。每一个数据信息并非单独的个体,它们彼此存有紧密关联性。

1 BIM技术应用特征

1.1 可视化展示

目前多数古建筑工程项目仍以图纸或者CAD为工程信息的载体[3],继而利用SU、3DMAX等软件进行基础建模,仅作为效果图向客户展示,导致信息传达不到位,使BIM的优势之处得以体现。如今市场上BIM的建模软件以revit为主,revit在建模过程中,精确到古建筑各个构件,如立柱、梁架、墙壁和瓦件等,木构件之间的榫卯结构的连接关系也能得以精确定位,极大减少了施工配料时间和返工次数;在施工模拟过程中,将BIM模型导入fuzor软件进行同步处理(图1),设置整体项目计划的开始日期和结束期限,作为进度模拟时间轴,在每一段时间内选择相应构件创建进度条,4D动画模拟便可得以清晰地展示。BIM的可视化不只是模型构造信息可视化,更在于项目文本制作、现场施工修复沟通过程及运营后期维护管理都在可视化状态下进行。

图1 项目可视化展示图

1.2 原真性保护

“原真性”一词是英文“Authenticity” 的中文释义,起源于中世纪的欧洲,曾用于宗教、时代精神和价值观念等领域[4]。对于历史建筑而言,其原真性的保护集中体现在建筑形制、建筑结构、原有材料和工艺技术等四个方面[5],BIM技术给予原真性保护工作极大支持。首先利用3D激光扫描设备对历史文物进行全方位扫描,获得数据后用配套软件(如geomagic)进行点云去噪、平滑等数据预处理(可借助SCAN TO BIM插件)。数据处理完成后转入revit,在revit中建立相应族文件,按照专业要求设置对应的属性信息,每一步添加更详细的说明及资料。最后在现场利用BIM驱动和指导施工。

1.3 数据库构建

传统建筑与现代建筑在信息模型管理与分析方面存在较多一致性,主要是基于软件平台间的协同操作与分析路径[6]。BIM按数据类型可分为几何数据和图文数据。几何数据包含构件内部几何形态和与外部关联的坐标信息,图文数据指族参数属性的添加,对所属构件进行分类、解释,这些参数可以作为共享参数上传云端数据库,不同项目可以此为参照进行分类整理。数据库的功能为标准化修缮设计提供了极大便利,对建筑文化的传承与发展提供了无限可能。

2 历史建筑项目概述

2.1 历史沿革

包公祠[7],又名“包肃孝公祠”(图2),坐落于安徽省合肥市,坐北朝南,占地面积约 0.81 公顷。包公祠史建于北宋,明中期移迁今址,明清两代多有修缮,清末李鸿章出资重修,基本规模布局沿袭至今(图3)。祠内存有包拯及其子嗣大量珍贵的历史资料及附属文物[8],包公祠的保护对优秀历史文化的传承具有重要意义。

图2 包公祠鸟瞰图

图3 包公祠历史沿革图

2.2 平面布局

祠堂建筑原构保存完整,由正殿、东西厢房、游廊等组成(图4)。建筑整体风格为清代遗构,天井式院落布局,中轴对称,朴素典雅。正墙为一堵“高门脸”,上覆叠瓦,墙角雕有花边图案,做法讲究,气势恢宏;正门入内为一方天井,尺寸宽敞,增加院内通风采光;东西则为俩厢房内展有历代包拯画像,包式宗谱等;正殿为两面坡小瓦木结构平房,面阔五间,室内构架装饰考究,墙砖、牛腿拱、梁架等均有雕刻和彩绘;游廊环绕正殿及东、西厢房四周墙体外围而建, 长约 40 米,正殿与厢房的回廊合为“抄手回廊式”,分成 前“遊步”后“副阶”,侧面呈歇山屋面状,将小中见大“匠 意”得以升华。

图4 包公祠平面布局图

2.3 风险评估

包公祠主要建筑为南向的正殿以及东西向的厢房,建筑结构为传统木结构,历经百余年,其建筑主体难免受到人为或自然因素的影响造成残损破坏。其一,因合肥位于江淮之间,空气湿润,夏季多雨,木质材料难以保存其原有面貌,加快木构件的糟朽与病害,亦出现砖石构件表面局部风化酥碱、抱柱油漆和墙体抹灰脱落、彩画装饰受潮霉化等现象。其二,包公祠自开放以来,客流量与日俱增,参观朝拜者络绎不绝,尤其是旅游高峰时期,景区内人满为患,对建筑和文物本身也带来诸多风险。其三,20世纪以来政府持续对包公祠进行拨款修缮工作,由于前期调研和资料收集不足,对文物的修缮难以依据传统工艺做法,也间接造成了文物的二次损害。因此,标准化修缮措施的制定工作迫在眉睫。

3 BIM基本模型建构

3.1 族类别的选取

在revit软件中,“族”是组成建筑的基本要素,也是revit最核心的概念。在建模过程中根据项目需要,尤其是传统建筑的木作结构,对不同构件进行分类从而甄别合适的族类别,可以大大节省建模时间。不同的族类别带有不同参数和属性,但可以通过共享参数的建立达到参数的完整性,例如立柱与穿枋之间的榫卯尺寸,内外铺装的排列方式,墙体、屋面的材料分层等。revit族根据软件自身定义以及实际项目情况可分为三大类,分别为系统族、外部族和自建族。

(1)系统族为软件在项目样板自带的族[9],其所具有的自身参数类型不可进行更替,但满足基本需求。包公祠内的围护构件,如墙体、栏杆和门窗等皆可使用系统族创建。

(2)外部族指软件内部不自带,需要通过外部导入的族,如构件坞、族库大师等外部插件的使用,相对程度上能够填补系统族不完善的缺陷。但如今外部族开发的重点始终停留于房建方向,对于传统建筑的开发利用少之又少。

(3)自建族多适用于异形结构和细部装饰的建构,需先新建一个族页面,创建一组在项目中使用的自定义构件。由于新建页面无构件位置和尺寸信息,只能重新导入CAD底图进行参照建模,因此可先借助常规模型在项目内进行构件创建,继而复制到新建族页面中进行参数的设置,最终导入原本项目文件中,达到项目之间的共享。

3.2 自建族的绘制

自建族通过参数化约束手段来实现几何形体尺寸及位置的联动作用[10]。自建族类型可根据构件所属类型进行细分,这也是建模前期的准备工作。如立柱的族按纵深方向可分为脊柱、金柱、檐柱和廊柱等,按外形可分为直柱、梭柱;亦有按柱的功能、截面形状分类的,不胜枚举。建模之初,首先在合适的族样板(一般采用公制常规模型样板)内创造参照线和参照平面,并且对其进行尺寸丈量;通过融合、拉伸、放样融合、空心形状等命令做出构件基本型,再将各个边线与参照线或参照平面对齐;接着建立实例或类型的共享参数属性(图5),再将其与对齐尺寸标注关联;最后导入项目样板中,可根据实际需要对参数进行精准修改。

图5 共享参数设置图

3.3 木排架的细化

包公祠所属建筑排架形式是基于构件族库而体现,主要分为入口前堂、东西厢房和正殿等三类木排架。由于建筑整体风貌统一,构件基本样式类似,处于同一通例基础上的构件适用于不同构架,如直柱、步梁和牛腿等。通过BIM成果的展示,使建筑排架、单一构件、榫卯结构一目了然,进而得出结构特征分析(图6)。包公祠木构架融合“抬梁式”和“抬梁穿斗结合式”两种梁架结构[11],前堂、厢房、正殿排架之间又经过枋件进行串接,围合成一进天井院落。整体工艺做法讲究,又不失地方特色,通过外扩天井围合面积,增大院落场所空间,同时满足正殿室内通风采光需求。

图6 木排架结构特征图

4 基于BIM的建筑保护与修缮

4.1 残损信息平台搭建

完整的建筑保护设计方案文本不仅包含建筑历史沿革、建筑形制、价值评估等基本章序,还囊括建筑主体勘测及残损状况统计、残损因素的推理以及后期修缮措施的分析。其中,残损信息统计的环节是整个方案文本的核心,也是残损评估乃至后期修复的依据。由此可见,历史建筑残损信息的处理能力尤为重要。基于BIM的残损信息管理在传统CAD制图模式下,增加了构件与残损信息的实时联动作用。在提取残损信息关键字段同时,将构件所处位置和构件相关信息快速、完整地展示,并通过选取构件本身直接进行快速修改。主要有两种方式可以进行残损信息的处理,其一是运用标记注释,其二是与Excel表格的联动作用。

4.1.1 标记注释的运用

在revit软件中新建项目图纸并命名,将各个图层分别导入并锁定视图;在标题栏选择注释,点击按类别标记;选中图框内残损待修缮构件,双击进入文字框进行构件现状的描述。可通过“云线批注”和“填充区域”的使用,对残损区域较大的部位进行圈出、覆盖,使整个图例的展示更加直观、清晰(图7)。该方法满足建筑本体及附属设施的残损展示,但仍属于2D功能的延续,对于庞大体量的建筑群的信息管理仍存有一定局限性,不能批量地进行信息修改及各部件残损状况的比对。

图7 残损信息图

4.1.2 与Excel表格的联动

族属性信息添加的传统做法是逐一添加,对其信息内容的更改也是逐一更改,导致项目整体效率较低,准确度有待提升,通过BIMone插件的使用使所属信息与Excel表格进行交互联动,能有效地解决此类问题。首先新建明细表(根据项目实际需要选择相应类别、可用字段),通过BIMone将明细表导出为本地Excel文件,并对文件命名;打开Excel表格将工作表保护模式撤销,进行族属性信息的添加或信息内容的批量更改;再次将已做修改的Excel表格导入项目文件,明细表内容自动发生修整。在明细表中如何发现冲突信息,可选择将其在模型中高亮显示并进行答疑(图8)。基于Excel表格的同步联动作用可对保护建筑进行逐一分析,分析条例含残损状况、残损因素及修复意见等,同时为后期修复手法的针对性研究做铺垫,如表1所示。

表1 残损统计表

图8 表格创建流程图

4.2 施工修缮做法演绎

通过残损信息平台的搭建,对保护建筑所需修复构件的所处位置和残损程度进行直观展示,对不同病害要素进行分类、汇总,这是对建筑差异化、针对性修缮措施的前提和依据。根据信息表可知包公祠整体保存现状相对较好,木构架及地面铺装保存较为完整,保护与修缮任务较轻,重点修复内容主要集中于干裂梁柱面层的生漆修补工程以及墙体表面空鼓、脱落的修复处理。

4.2.1 生漆修补

首先是前期打磨阶段,所需材料有油灰、腻子、桐油和麻布等,对残损梁柱表面做地仗处理,使构件表皮光滑平整。接着是所需颜料的选取与处理,古代用料多为矿石材料,常见材料有:朱砂、铅粉、胭脂、赭石和石青等,这些矿物质需经过研磨、淘、澄、飞、跌的制作过程方可使用:在研磨过程中根据颜料颗粒的粗细对颜料的深浅进行区分,将研磨完成的颜料泡入水中淘洗并加入胶水使其澄清;沉淀一段时间后将水面上层较轻的颜料及底层所沉淀的杂质进行取出撇除,这项工作要反复进行;最后是利用所调制的颜料进行梁柱面层的均匀涂抹,头道漆后进行二次涂抹。此外,考虑到包公祠处于亚热带湿润季风气候,可在颜料中加入少量明矾,起防霉防潮作用。

4.2.2 墙体粉饰

墙体所遭受的残损程度决定着不同修复措施的采取与运用。根据对现状墙体的勘测可知,墙体残损现状以因雨水侵蚀和日积月累的风化作用而造成的墙体表层局部鼓包、空鼓及外露砖墙显现的砖体残缺、酥碱为主,由于残损级别略低,多数残损部位仅需对其表面进行抛光打磨、二次粉刷工作,抛光打磨遵循着勾抹、打点、漫干活、漫水活等四个流程,这种修复手法较为简易且不伤及墙体。针对整体保存尚好,但局部酥碱的墙体,则需进行剔凿挖补及摘砌工作,方法是:将残损砖块进行移除,将备好的同形制同材料的砖块嵌入墙体并用灰浆进行粘结,待灰浆风干之后再进行打点、抹灰工作[12]。

5 结 语

古建筑保护是对建筑主体结构及建筑所属文化信息的保护,古建筑修缮则是处于“修旧如旧”基本准则下的修缮[13]。古建筑保护与修缮的难点在于资料收集的完善程度及与原有材质形制、工艺做法的精确度和契合度。古建筑修缮中运用BIM所体现的优势主要有两点:其一,通过前期采集的电子信息数据,精确记录古建筑的二维、三维信息,并利于数据保存;其二,对各古建筑信息汇聚后,可组建一个精确的“大数据库”,便于后期维保和传承利用。本文以包公祠为研究对象,采用BIM技术提出相应保护与修缮举措的技术路线,为目下历史建筑的保护以及修缮文本的制作提供参考。