BIM建筑信息模型與古建木結構安裝工藝教學

摘要：教師以七檁大式歇山建筑模型創(chuàng)建為例，按“原結構、原形制”建立古建木結構BIM建筑信息模型，開發(fā)教學資源庫;學生通過虛擬仿真練習熟悉木結構搭建工藝流程，1：5木結構模型拆卸和安裝實訓掌握木結構安裝工藝，從而具備指導木結構安裝的崗位職業(yè)能力。

關鍵詞：BIM技術;虛擬仿真;大木安裝;工藝流程

古建工匠有句俗話，叫著“大木怕安”。這句話有兩重意思，一是說，大木安裝是對大木制作工作的檢驗。制作中的任何疏漏、錯誤、尺寸不準、質量不好等問題在大木安裝中都會暴露出來。另一層意思是，大木安裝本身也是一件很不容易的事。要將千百件大木構件有條不紊地安裝起來，是有一套科學、嚴格的規(guī)律和程序的，如不掌握這套規(guī)律和程序，大木安裝就無法進行。所以掌握搭建工藝流程，能夠指導古建木結構安裝施工，是《古建筑工程技術》專業(yè)學生必須具備的崗位職業(yè)能力。

在木結構搭建工藝學習中，因為文物保護施工現(xiàn)場管理的要求，教學整班無法同時進入施工現(xiàn)場，即使按照分組教學模式，同學們按小組進入施工現(xiàn)場，每個小組的學生也只能觀摩工匠搭建木結構的部分工藝流程;再因為古建工程的施工周期和教學周期無法完全重合，學生基本上沒有機會在工地進行木結構搭建施工。為了解決這個學生動手實操難的問題，學院投資建設木結構實訓室，采用1：5實木模型進行搭建，實木模型展現(xiàn)了構件結構形制和材料形式，學生采用分組學習模式，按照“先內后外，先下后上”順序安裝，通過項目動手實訓，掌握木結構搭建工藝流程。木結構模型搭建實訓的方法非常有效，但是還有兩個方面需要進行完善，一是豐富模型的類型，二是提高模型的使用壽命。木結構按比例縮小的模型，為了能夠反復的拆卸和安裝，模型的材質要求較高，在學院1998年建成的一期實訓室中，采用松木結構模型，經(jīng)過二十年來學生的實訓，榫卯結構發(fā)生嚴重破壞，現(xiàn)在不通過其他輔助辦法，小比例的木結構模型，僅僅通過榫卯結構已經(jīng)不能實現(xiàn)結構整體的穩(wěn)定性。在2016年學院新一期實訓室的建設過程中，為了提高木結構模型使用的長期性，結構展示的準確性，采用草花梨木結構模型，在模型使用的四年以來，小型的四角亭，硬山、懸山等小式木結構模型，除不當操作造成的木構件損傷意外，目前觀測結構的整體性沒有出現(xiàn)問題，但是1：5的大式歇山模型，由于學生操作沒有達到精準校核，出現(xiàn)了局部木結構構件的撕裂現(xiàn)象，模型整體出現(xiàn)了歪斜，在企業(yè)教師的吊直撥正后，通過繩子鏢緊來保持木結構的整體性和穩(wěn)定性。通過上面的實例說明，即使是改善了木結構的材質，木結構模型在反復拆卸與安裝的教學使用中，不可避免地會出現(xiàn)損傷。能不能有一種計算機輔助方法，能夠通過課前預習，在模型搭建實訓之前掌握搭建工藝流程，使學生在模型實訓過程中少出錯誤，實訓過程不僅僅是關注模型拆卸和安裝的過程，還有木結構搭建施工中容易出現(xiàn)的問題。木結構的搭建不是搭積木似的把構件組裝完畢就完了，它還有更重要的步驟，下架裝齊后，進行驗核丈量，吊直撥正，牢固支戧，保證建筑結構的穩(wěn)定性;上架構件順序安裝過程中，要中線相對、勤校勤量，確保安裝的準確性。為了完成教學的兩階段任務，同時準確表達木結構結構形制和材料形式，筆者學習Revit軟件，建立BIM建筑信息模型，進行課程教學資源建設。2020年新型冠狀病毒的肆虐，教學和學習過程都轉到了線上，木結構搭建工藝仿真模擬實訓、BIM建筑信息模型教學資源庫的建設更加緊迫。

住建部發(fā)文《《住房和城鄉(xiāng)建設部工程質量安全監(jiān)管司2020年工作要點》的通知》，明確指出：推動BIM技術在工程建設全過程的集成應用。建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM），自2002年開始，美國Autodesk公司推出Revit 系列軟件，是主要針對建筑設計行業(yè)開發(fā)的三維參數(shù)化設計軟件平臺，Revit Architecture作為主要模塊之一，適用于各行業(yè)的建筑設計，也適用于清式建筑構建概念化模型。

接下來筆者以“大式七檁歇山”為例闡述Revit 建筑信息模型的創(chuàng)建。清式古建筑設計采用模數(shù)化設計，所謂模數(shù)核心意義就是基本單位，大式建筑以“斗口”為單位，在坐斗“斗口”的基礎上，建立每一個木構件、每一個模塊，構建一座古建筑單體木構架。七檁硬山木構架模型，筆者在構建過程中分成四個模塊，分別是：下架模塊、上架模塊、木基層模塊，單翹單昂五踩斗栱模塊（以下簡稱斗栱模塊）。

在建立一個長效可靠的“原坐標”后，從斗栱模塊下手，斗栱按照安裝的位置不同，又分為平身科斗栱、柱頭科斗栱、角科斗栱。平身科斗栱（見圖1-1）構件有坐斗、正心瓜栱、正心萬拱、單才瓜栱、單才萬栱、廂栱、翹、昂后帶菊花頭、螞蚱頭后帶六分頭、撐頭木后帶麻葉頭、檁碗、槽升、三才升、十八斗;涉及到的連接榫卯有鼻子榫、袖榫、十字卡腰榫、燕尾榫、檁碗;要表現(xiàn)的吉祥符號有昂頭、麻葉云頭、螞蚱頭、菊花頭、包袱;要配合的構件有平板枋、外拽枋、正心枋、里拽枋、挑檐枋、井口枋、挑檐桁、正心桁;為了展現(xiàn)木構件的形制還采取了“卷殺做法”。建立桃尖梁、 昂后帶螞蚱頭，修改其他組成構件后完成了柱頭科斗栱（見圖1-2）的構建。角科斗栱（見圖1-3）最為復雜，增加平面45°斜向構件，分別有：斜翹、斜昂、由昂、斜螞蚱頭后帶菊花頭、斜撐頭木、斜檁碗。木構件按位置不同分為檐面構件、山面構件、斜構件。在充分研究角科斗栱三類構件的基礎上，掌握角科斗栱構造的原則，“斜壓正、山壓檐”（斜構件壓山面構件、山面構件壓檐面構件），掌握上述原則之后完成角科斗栱還需要關注每一個構造細節(jié)。

在大木構架中，柱頭以下構件稱為“下架”，柱頭以上構件稱為“上架”。下架模塊包括的構件有檐柱、金柱、檐枋、箍頭枋、隨梁枋、穿插枋。柱子是大木結構的重要支撐構件，要考慮柱子的側腳和掰升。建立檐柱模型，需要思考構件間的連接榫卯，柱腳與柱頂石連接用管腳榫、柱頭與平板枋連接用饅頭榫、柱身與穿插枋連接用大進小出榫。建立金柱模型還要考慮柱身與金枋、隨梁枋連接用燕尾榫，柱身與桃尖梁連接用半榫。角柱要同來自不同方向的構件相交，柱上榫卯構造比正身柱子復雜一些。箍頭枋是下架重要的橫向連接構件，建立模型時要關注吉祥符號霸王拳的形制，還要處理好檐面、山面箍頭枋與角檐柱的搭接。

上架模塊構建主要關注五架梁、三架梁、踩步金、桁墊枋構件，斗栱連接的構件有挑檐枋、挑檐桁、正心枋、正心桁、里拽枋、外拽枋、井口枋，草花架有草架柱、穿、踏腳木，還有金瓜柱、柁墩、脊瓜柱、角背。正身桁搭接采用燕尾榫，正搭交桁采用十字卡腰榫，瓜柱與梁搭接采用管腳榫。踩步金是歇山建筑特有的構件，模型對應的正身梁架為五架梁，對應的兩端桁檁為下金桁，踩步金的長按五架梁長加搭交檁頭，高、厚與五架梁相同。

木基層模塊構建要分析節(jié)點，小連檐和閘擋板搭接，腦椽、望板與扶脊木搭接，腦椽與花架椽壓掌榫搭接，花架椽與檐椽墩掌榫搭接;要計算檐椽平出、飛椽平出與飛椽一頭三尾;還要留下檐椽上小連檐“雀臺”與飛椽上大連檐“雀臺”。在建立老角梁和仔角梁時，由于“父背子”，所以老角梁在下，仔角梁在上。老角梁是歇山翼角構件，不在檐面也不在山面，構件在45°角位置并有高度升起，搭接構件有正搭交挑檐桁、正搭交正心桁、正搭交下金桁和踩步金、金瓜柱、小連檐，端頭還要做成霸王拳形制，難度系數(shù)大。仔角梁在老角梁之上，搭接的構件有老角梁、大連檐、正搭交踩步金與下金桁。

在完成上述四個模塊的構建之后，建立古建筑單體的臺基，把準備好的構件模型，按木結構安裝工藝流程進行裝配，歇山建筑信息模型（見圖2）就完成了。歇山木結構模型嚴格按照原結構（包括榫卯連接方式）、原形制構建，每一個構件單獨建立一個模型，能夠實現(xiàn)100%仿真拆卸與安裝的工藝流程;可以實現(xiàn)課前知識預習，課中仿真練習、課后拓展的需要。歇山建筑的三維數(shù)字檔案已經(jīng)建立，可以隨時輸出構件以及各種組裝圖的二維和三維圖形，來進行構件的權衡尺寸分析，在學習木構營造技藝同時掌握建筑的結構與形制。

不斷構建完成四角亭、硬山、歇山、懸山、廡殿、垂花門等不同類型建筑信息化模型，開發(fā)PPT、微課、動畫、視頻、VR、AR等數(shù)字資源，建設適應線上線下木構教學資源庫。中國古建筑如同一顆顆璀璨的明珠植根在大地上，記錄、傳承了建筑布局、形制等級、構造形式、結構類型色彩運用和營造特征，系統(tǒng)、全面學習古建筑基礎知識，為深入學習、研究古建筑相關知識、技術奠定基礎，才能做好古建筑營造技藝的保護與傳承。

參考文獻：

[1]馬炳堅《中國古建筑木作營造技術》科學出版社，2003.10

[2]湯崇平《中國傳統(tǒng)建筑木作知識入門》化學工藝出版社，2018.01

[3]潘德華《斗拱》東南大學出版社，2004.10

[4]中國古代早期木結構建筑信息模型BIM建構的實踐分析，朱磊，2012.6

作者簡介：

王紅梅（1975-11.13），女，民族，漢籍貫，湖南省漢壽縣，職稱，副教授，學歷，本科，工作單位，北京交通運輸職業(yè)學院，研究方向：傳統(tǒng)建筑保護。