國內(nèi)BIM 在建筑遺產(chǎn)保護的應(yīng)用研究

李東

（廣州大學(xué)，廣東 廣州510000）

1 概述

這些年來，隨著國內(nèi)外BIM技術(shù)的不斷更新以及遺產(chǎn)保護理念的不斷深化,BIM 技術(shù)的應(yīng)用范圍已經(jīng)不只停留在建筑單體的設(shè)計上，伴隨著更多遺產(chǎn)對象的復(fù)雜性和保護實踐不同需求,使得信息記錄工作面臨巨大的挑戰(zhàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，不僅僅可以在現(xiàn)代建筑的設(shè)計以及建筑的周期管理中應(yīng)用BIM技術(shù)，還可以將其延伸至遺產(chǎn)保護的領(lǐng)域中。2009 年墨菲（Murphy）提出了HBIM（Historic Building Information Modelling）的概念及相應(yīng)的工作流程。研究人員認為HBIM不能只局限于具體信息的補充,應(yīng)建立“索引框架模型”，能夠展示全局信息的索引框架。點云僅僅是數(shù)據(jù)來源之一，BIM 模型對點云的映射不應(yīng)成為HBIM建模的必要條件。利用BIM技術(shù)參數(shù)化、可視化、一致性的優(yōu)勢和特點，通過對個案的詳細研究進行建筑遺產(chǎn)基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)的測量、提取、整理分析，開展基于BIM技術(shù)的對象信息模型建構(gòu)思路和策略的初步研究，提出過程參數(shù)化保護、建筑可視化保護, 營造虛擬化保護的解決方案，建立可隨時可以調(diào)用的點云數(shù)據(jù)族庫。對近些年來國內(nèi)研究人員在此領(lǐng)域的研究成果進行總結(jié)、歸納、整理以及分析,對BIM在我國建筑行業(yè)的未來發(fā)展及應(yīng)用打下堅實的理論基礎(chǔ)。

2 BIM 在國內(nèi)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

美國喬治亞技術(shù)學(xué)院建筑與計算機專業(yè)的查克·伊斯曼博士于30 多年前提出BIM的模型概念:“建筑信息模型集成了所有的幾何模型信息、功能要求及構(gòu)件性能,利用一個單獨的建筑模型涵蓋建筑項目全壽命周期內(nèi)的所有信息,包括過程信息,如施工進度、建造過程、維護管理過程等?！眹H標(biāo)準(zhǔn)組織設(shè)施信息委員會（Facilities Information Council）對BIM的定義是:“建筑信息模型, 是在開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下對設(shè)施的物理和功能特性及其 相關(guān)的項目生命周期信息的可計算或運算的形式表現(xiàn),與建筑信息模型相關(guān)的所有信息組織在一個連續(xù)的應(yīng)用程序中,并允許進行獲取、修改操作?！?/p>

不同于GIS 只能收集地理信息數(shù)據(jù)，BIM 可以彌補GIS 技術(shù)的短板，對建筑所在地的氣候條件、地理位置信息、內(nèi)部構(gòu)件等進行數(shù)據(jù)化處理及分析。還可通過BIM技術(shù)針對建筑物的特性進行模擬,使得規(guī)劃建筑方位、體量、形態(tài)、立面更加合理及科學(xué),從而創(chuàng)造出更宜人的建筑空間及舒適的公共空間。

2.1 國內(nèi)BIM建模發(fā)展

十幾年來，國內(nèi)建筑遺產(chǎn)保護領(lǐng)域的專家在包括AutoCAD、GDL、SketchUp、Rhino 在內(nèi)的軟件平臺上，研究了建筑遺產(chǎn)的參數(shù)化建模的可行性方法。自2002 年開始，重慶大學(xué)的陳越教授提出參數(shù)化技術(shù)與CAD 軟件結(jié)合，提倡將參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用于建筑遺產(chǎn)的三維建模中，并且在其論文中分析并闡述了建筑遺產(chǎn)構(gòu)件的分解技巧與相關(guān)參數(shù)設(shè)置，但可惜未能建成一套可行的系統(tǒng)。華中科技大學(xué)的謝步瀛、王婉等通過編寫CAD 腳本文件，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立了古建筑造型系統(tǒng)，使得參數(shù)化建模不能共享的問題成為過去。王建華、譚潔等在對清代官式建筑進行特征分析的前提下，是國內(nèi)首次應(yīng)用GDL 語言編程建立參數(shù)化模型，并進行了相關(guān)應(yīng)用的實踐。隨后，西安建筑科技大學(xué)的王東、郝志桃等利用Generative Component 參數(shù)化建模軟件，巧妙地結(jié)合編程設(shè)計與陣列算法，通過參數(shù)對建筑遺產(chǎn)結(jié)構(gòu)的規(guī)律與各構(gòu)件之間的關(guān)系進行了詳細描述，建成了可修改的建筑遺產(chǎn)結(jié)構(gòu)模型。趙彥軍、伊四清提出建筑遺產(chǎn)模型數(shù)據(jù)的獲取途徑，闡述了在SketchUp 軟件中的建模步驟以及不同形狀構(gòu)件的建模方法。北京交通大學(xué)的張育南正在利用Rhino 軟件中的Grasshopper 插件將古建筑建構(gòu)與程序算法結(jié)合，進行古建筑建模的參數(shù)化研究，解決其建模效率與復(fù)用問題。近些年，一些學(xué)者嘗試?yán)肂IM平臺自帶的參數(shù)化設(shè)計功能，進行建筑遺產(chǎn)的參數(shù)化建模。南京大學(xué)的羅翔、吉國華研究了基于Revit Architecture 平臺的古建筑參數(shù)化建模方法，并詳細闡述了族庫參數(shù)的設(shè)置方法與主題結(jié)構(gòu)的建模過程。天津大學(xué)的孫偉超提出基于Revit 搭建建筑遺產(chǎn)信息模型的理論框架，詳細介紹了模型的建立方法。朱磊提出了基于BIM的早期木結(jié)構(gòu)建筑信息建模的建構(gòu)方法，嘗試對古建筑構(gòu)件族庫進行規(guī)劃。云南省設(shè)計院的金小峰嘗試將BIM技術(shù)應(yīng)用于雞足山佛塔寺項目，指導(dǎo)建筑遺產(chǎn)的修繕施工。北京交通大學(xué)的常磊提出了基于BIM的大木建筑遺產(chǎn)信息管理平臺的理論框架，并對一些具體的操作問題進行了闡述說明。

這些研究及設(shè)想實現(xiàn)了建筑遺產(chǎn)單體的參數(shù)化三維建模，卻沒有考慮到信息的關(guān)聯(lián)及適應(yīng)程度。為了更好的使建筑遺產(chǎn)三維模型快速建造，已有研究機構(gòu)開始研究建筑構(gòu)件族庫的搭建，更好的實現(xiàn)模型的調(diào)用和有效的管理。同濟大學(xué)的袁潔等結(jié)合建筑遺產(chǎn)的實際構(gòu)造，構(gòu)建了基于ObjectARX 技術(shù)的古建筑參數(shù)化構(gòu)件庫平臺，實現(xiàn)了可擴展的平臺管理。西安建筑科技大學(xué)的王茹研究了人工測量、點云數(shù)據(jù)、二維影像等方式生成3D 模型的關(guān)鍵技術(shù)，提出斗口模數(shù)十一等材為基本模數(shù)，建立古建筑常用3D 構(gòu)件庫框架體系，闡述了古建筑工程結(jié)構(gòu)3D 模型參數(shù)化重建方法，以及點云數(shù)據(jù)庫的精簡算法。在此基礎(chǔ)上，其學(xué)生唐三元研究了構(gòu)件庫的框架結(jié)構(gòu)，基于AutoCAD 平臺，利用ObjectARX 技術(shù)的編程，詳細闡述古建筑構(gòu)件的參數(shù)設(shè)定方法，并結(jié)合MFC 界面編程技術(shù)進行參數(shù)化設(shè)計界面的設(shè)計；孫衛(wèi)新教授研究了明清古建筑的構(gòu)成方式，總結(jié)了各建筑構(gòu)件的關(guān)鍵參數(shù)，提出建立古建筑構(gòu)件約束關(guān)系數(shù)據(jù)庫，并說明了向建筑遺產(chǎn)三維模型中添加附加信息的方法；張祥從計算機的角度研究了古建筑構(gòu)件的具體參數(shù)設(shè)置方法，并詳細闡述了實現(xiàn)參數(shù)化信息構(gòu)件的技術(shù)方法。

2.2 建筑遺產(chǎn)信息管理平臺建設(shè)

在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下, 相關(guān)建筑遺產(chǎn)管理部門逐漸建立了建筑遺產(chǎn)保護的數(shù)據(jù)庫,對測繪圖紙、文檔、照片等有記錄價值的文件進行了歸檔分類。但是在這種單純的存儲方法,往往存在信息遺漏、重復(fù)、細節(jié)分類不清晰等問題,信息沒有關(guān)聯(lián)性,導(dǎo)致使用者無法對信息便捷地的提取及使用。在遺產(chǎn)保護工作的具體環(huán)節(jié)中,數(shù)據(jù)庫發(fā)揮作用受到了較大的限制,無法滿足大量建筑遺產(chǎn)運維管理的需求。因此，天津大學(xué)的狄雅靜、吳蔥教授提出通過建筑信息模型管理建筑信息, 在模型的實體圖元中添加非幾何屬性, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化與工作協(xié)同化,BIM相關(guān)軟件的技術(shù)開發(fā)為基礎(chǔ)進行建筑遺產(chǎn)信息管理平臺的研究。隨后，西安建筑科技大學(xué)的王茹在其建筑遺產(chǎn)參數(shù)化建模研究的基礎(chǔ)上,提出創(chuàng)建明清建筑遺產(chǎn)信息模型設(shè)計平臺,為建筑遺產(chǎn)構(gòu)件信息模型庫的建立和宵理提供了基礎(chǔ)平臺, 通過標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件與編碼體系的創(chuàng)建,為建筑遺產(chǎn)的修緒、復(fù)原、研究及建筑遺產(chǎn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等提供精確的信息。

2.3 BIM技術(shù)在建筑遺產(chǎn)方面的發(fā)展難點及問題

BIM技術(shù)在建筑遺產(chǎn)中的建模平臺是集信息存儲、管理、提取、分析、共享的綜合體,其涉及的相關(guān)領(lǐng)域包括建筑學(xué)、建筑遺產(chǎn)、信息管理、類型學(xué)等多個學(xué)科,由于領(lǐng)域之廣，技術(shù)的復(fù)雜性，同時也產(chǎn)生了許多技術(shù)難點。

在組建參數(shù)化建模的過程中，挑選具有代表性的建筑遺產(chǎn)BIM信息模型是建筑遺產(chǎn)信息管理平臺實現(xiàn)信息管理功能的前提, 其參數(shù)化建模技術(shù)直接影響到前期工作的協(xié)同效率與管理平臺的拓展。因此,需要在考慮整個建筑遺產(chǎn)生命周期需求的基礎(chǔ)上,確定具體的參數(shù)化建模方法、流程、標(biāo)準(zhǔn),以及創(chuàng)建模型的精度,構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的信息結(jié)構(gòu)層次,便于建筑遺產(chǎn)模型的復(fù)用與整個系統(tǒng)對信息的管理。

其索引框架在特點是，建筑遺產(chǎn)信息管理平臺用于建筑遺產(chǎn)的運營、維護、管理的過程中,其服務(wù)對象涉及到建筑遺產(chǎn)的管理人員、設(shè)計師、工程師等。BIM遺產(chǎn)保護信息平臺需要一套可靠的技術(shù)方案,通過對主要功能需求進行分析處理,確定關(guān)鍵技術(shù),形成技術(shù)框架以滿足不同服務(wù)對象對相關(guān)信息的需求,同時做到對平臺全生命周期的管理。技術(shù)軟件的開發(fā)成熟程度將影響到平臺建設(shè)的時間周期, 其可適性則決定能否滿足建筑遺產(chǎn)運維管理的需求,因此技術(shù)兼容性的比選是其重中之重。

由于平臺包含的技術(shù)多樣，因此解決不同平臺之間的鏈接兼容問題是關(guān)鍵。BIM遺產(chǎn)保護信息平臺的創(chuàng)建需要關(guān)聯(lián)到平臺系統(tǒng)、BIM建模技術(shù)、空間信息以及信息管理技術(shù)等多種應(yīng)用程序的協(xié)同, 需將信息在不同的應(yīng)用程序之間調(diào)用與轉(zhuǎn)化, 達到實現(xiàn)具體信息的使用價值,因此，怎樣解決信息使用過程中的高效傳遞,必須解決不同技術(shù)之間的信息鏈接問題。為了迎合科技發(fā)展的腳步，以及未來更多行業(yè)類型的應(yīng)用需求,需考慮到信息鏈接的兼容性。

3 結(jié)語及展望

利用BIM 技術(shù)對建筑遺產(chǎn)進行保護是社會發(fā)展的必然趨勢，在國內(nèi)各學(xué)者的努力探索中，建筑遺產(chǎn)的參數(shù)化建模技術(shù)日趨成熟。但這些研究都是基于建筑遺產(chǎn)單體為單位，并沒有考慮到單體在整體中所受的影響因素，且無法記錄對使用過程、結(jié)構(gòu)保護、構(gòu)件維修、藝術(shù)價值等多樣化的信息。

基于目前國內(nèi)依然存在不少完整的古村落的現(xiàn)實，以及為了使建模索引框架更加的完整、信息關(guān)聯(lián)更加的精準(zhǔn)，利用基于BIM 與HBIM 技術(shù)原理以及建模軟件對古聚落的建筑進行類型學(xué)分類并框架索引，再對建筑遺產(chǎn)單體內(nèi)部的構(gòu)件及結(jié)構(gòu)進一步的信息處理，形成可鏈接的點云數(shù)據(jù)庫，不但可以彌補GIS 技術(shù)的缺陷，亦能清晰地記錄重要建筑單體內(nèi)部構(gòu)件的歷史信息，使聚落中的重要建筑單體信息羅列在研究人員的眼前，令建筑遺產(chǎn)保護的維度從單體的層面上拓展至更詳細周全的聚落維度。這也是我國遺產(chǎn)建筑多樣化的國情下的必然選擇，將會是BIM技術(shù)在我國建筑遺產(chǎn)保護方面應(yīng)用的另一個起點。