基于BIM技術(shù)的民族建筑構(gòu)件參數(shù)化建模方法研究

蔡 軍，封聲鳳，蘇 瑩，邱秀麗，劉彩云，潘德武

(賀州學(xué)院 建筑與電氣工程學(xué)院，廣西 賀州 542899)

民族建筑作為民族文化的重要載體，承載著包括建筑構(gòu)件、圖騰、圖案、文字、符號、雕塑、壁畫等少數(shù)民族文化，它見證了民族建筑歷史的發(fā)展與變革。近年來，由于新興建筑文化對中國民族建筑文化的影響，建筑行業(yè)的新技術(shù)、新材料、新方法對民族建筑技藝傳承產(chǎn)生斷層的影響，自然因素、人為因素對民族建筑本體的損害等等原因，致使中國部分民族建筑數(shù)量快速銳減，民族建筑文化面臨滅絕，有必要對民族建筑的保護尋求發(fā)展路徑。

與民族建筑具有同樣的建筑樣式復(fù)雜和多樣性的古建筑，在設(shè)計過程中采用傳統(tǒng)的設(shè)計軟件和方法存在較大的難度和需要耗費大量的時間。為簡化建模過程，相關(guān)研究人員已對測繪技術(shù)或者BIM技術(shù)對復(fù)雜的古建筑進行快速建模，如楊振威等[1-2]利用BIM技術(shù)等對古建筑進行信息化建模，高溪溪等[3]結(jié)合三維激光掃描儀與BIM技術(shù)對古建筑進行參數(shù)化建模。

但相關(guān)人員利用BIM技術(shù)在民族建筑建模方面利用較少，但根據(jù)研究人員在古建筑方面的研究成果[4-5]，并結(jié)合BIM技術(shù)在古建筑構(gòu)件參數(shù)化建模方面的應(yīng)用[6-8]進行民族建筑構(gòu)件參數(shù)化建模研究。以嶺南地區(qū)民族建筑構(gòu)件的封火墻為研究對象,分析封火墻的建筑構(gòu)件內(nèi)在規(guī)律，對民族建筑構(gòu)件進行參數(shù)化建模，從而建立封火墻構(gòu)件“族”庫，為民族建筑數(shù)字化保護提供幫助。

1 BIM技術(shù)參數(shù)化建模方法研究

高岱等[9]為進行古建筑構(gòu)件的參數(shù)建模方法研究，根據(jù)中國古典建筑斗拱建筑構(gòu)件尺寸關(guān)系建立相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，從而設(shè)定相對應(yīng)的自變量和因變量，在進行建模過程中對自變量進行修改從而可進行生成其他規(guī)格的建筑構(gòu)件。

而對于民族建筑參數(shù)化建模方面，吳?？10]根據(jù)安徽當(dāng)?shù)氐幕张山ㄖY(jié)構(gòu)，歸納并定義徽派建筑中構(gòu)件的參數(shù)類型，以及確定各構(gòu)件參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系、構(gòu)件間的組合比例和約束關(guān)系，從而可實現(xiàn)改變徽派建筑的1個基本參數(shù) ，即可快速有效地生成徽派建筑。

為實現(xiàn)復(fù)雜建筑模型的參數(shù)化建模，魏穎[11]通過Rhino軟件處理具有非線性曲線、曲面特點的建筑構(gòu)件，并且結(jié)合Grasshopper[12]可視化編程語言對其進行參數(shù)化處理實現(xiàn)參數(shù)化建模。

而對于其他部分復(fù)雜且無規(guī)律的特殊建筑構(gòu)件，為對其進行快速建模，石力文[13]、鄧林建[14]等利用三維激光掃描儀對特殊構(gòu)件進行掃描形成點云模型，并結(jié)合Revit軟件進行BIM模型的重建，從而實現(xiàn)快速建模的目的。

2 民族建筑構(gòu)件模型及參數(shù)關(guān)系

封火墻構(gòu)件的主要作用是在相鄰民居發(fā)生火災(zāi)的情況下能夠隔斷火源。封火墻建筑構(gòu)件類型主要包括鑊耳墻、馬鞍墻、馬頭墻三種主要類型。因馬頭墻的外觀較為簡單，本文主要以鑊耳墻、馬鞍墻為例。為探索鑊耳墻、馬鞍墻內(nèi)在的規(guī)律，將三種類型構(gòu)件外觀進行簡化并建立各個尺寸之間的代數(shù)關(guān)系，從而為建立封火墻構(gòu)件“族”庫中的歸一化模型做準(zhǔn)備。封火墻的部位主要包括：墻頂(E)、墻肩(A)、墻腰(D)、墻胯(B)、墻長(L)、內(nèi)襯(C)、模型內(nèi)部墻高(H)等。

2.1 鑊耳墻模型及參數(shù)關(guān)系

鑊耳墻的簡易模型如圖1。基本特點是模型兩邊對稱，模型的墻肩(A)為半圓弧，模型的腰部(D)為直線段和模型的墻胯(B)為1/4圓弧段，模型底部總長為L，根據(jù)鑊耳墻實際情況進行模型參數(shù)設(shè)置，將A、B、C、D、E等參數(shù)設(shè)置為自變量，模型其他參數(shù)設(shè)置為因變量，自變量之間對應(yīng)關(guān)系：A=r，B=3 r，C=0.3 r，D=0 r、0.5 r、1 r，因變量與自變量之間關(guān)系：L=2B+2A=8 r，其中鑊耳墻的墻體厚分別為120 mm、240 mm、370 mm。

圖1 鑊耳墻簡易模型

2.2 馬鞍墻模型I及參數(shù)關(guān)系

馬鞍墻有兩種典型的模型，第一種馬鞍墻是由鑊耳墻衍生而來的，即馬鞍墻在鑊耳墻的頂部增加了一段直線段,具體簡易圖形如圖2；第二種馬鞍墻是由第一種馬鞍墻簡化而來的，即將第一種馬鞍墻頂部兩端的弧線段轉(zhuǎn)化為直線段，如圖3。

圖2 馬鞍墻簡易模型I

馬鞍墻I模型基本參數(shù)與鑊耳墻的類似，增加一個新參數(shù)墻頂(E)，E的取值范圍0～6 r。其余參數(shù)：A=r，B=3 r，C=0.3 r，D=0 r、0.5 r、1 r，馬鞍墻長度為L=2B+2A+E=8 r+E。

圖3 馬鞍墻簡易模型II

2.3 馬鞍墻模型II及參數(shù)關(guān)系

馬鞍墻模型II與馬鞍墻模型I之間的區(qū)別在于，馬鞍墻模型II將馬鞍墻模型I頂部與腰部的圓角倒角連接改為直角倒角連接，簡易圖形如圖3。

馬鞍墻II模型由馬鞍墻I演化而來，即在原馬鞍墻I的基礎(chǔ)上取消了頂部弧形段改為直線段，E的取值范圍0～6 r。其余參數(shù)：A=r，B=3 r，C=0.3 r，D=0 r、0.5 r、1 r，馬鞍墻長度為L=2B+E=6 r+E。

3 BIM軟件參數(shù)化建模方法

3.1 封火墻“族”庫歸一化建模思路

中國民族建筑種類繁多，在歷史進程和不同區(qū)域中同類型構(gòu)件出現(xiàn)多種形狀的演化，使得利用BIM技術(shù)相關(guān)軟件對民族建筑構(gòu)件進行參數(shù)化建模的工作量大大增加，從而導(dǎo)致參數(shù)化建模生成的“族”體系內(nèi)存過大。為了能系統(tǒng)地傳承和保護民族建筑，需要對同類型民族建筑構(gòu)件進行歸一化處理，即將不同形狀的同類型民族建筑構(gòu)件歸類統(tǒng)一處理形成可用單個“族”進行參數(shù)化生成。

謚號屬于古代禮制的一個重要方面，具有很強的社會功能。程頤云：“古之君子之相其君，而能致天下于大治者，無他術(shù)，善惡明而勸懲之道至焉爾。勸得其道，而天下樂為善，懲得其道，而天下懼為惡，二者為政之大權(quán)也。然行之必始于朝廷，而至要莫先于謚法。何則？刑罰雖嚴(yán)，可警于一時，爵賞雖重，不及于后世，惟美惡之謚一定，則榮辱之名不朽矣，故歷代圣君賢相，莫不持此以厲世風(fēng)也?！碧荧@得的謚號會隨著史書、碑刻等載體流傳于世，是對宗室子弟的較為有效的一種教育手段，有利于引導(dǎo)他們和睦相處并遵守皇權(quán)至上的禮儀制度。

根據(jù)封火墻的簡易模型圖中的圖1～3可知，由于馬鞍墻I的參數(shù)較多，可將其作為鑊耳墻和馬鞍墻II的歸一化模型，鑊耳墻和馬鞍墻II模型可在其基礎(chǔ)上進行演化生成。不同類型封火墻的演化過程如下：

(1)鑊耳墻模型。鑊耳墻模型與馬鞍墻I模型對比主要差別在于：馬鞍墻I模型頂部存在有一定長度的墻頂，鑊耳墻模型沒有墻頂部位，或者是墻頂?shù)拈L度較小。鑊耳墻模型具體的演化方法是將馬鞍墻I模型(歸一化模型)的墻頂(E)參數(shù)設(shè)置為一個量級較小的數(shù)值(因軟件中參數(shù)設(shè)置不允許出現(xiàn)為0的情形)。

(2)馬鞍墻II模型。馬鞍墻II模型與馬鞍墻I模型對比主要差別在于：馬鞍墻I模型頂部(墻頂)兩端存在有一定弧長的墻肩，其弧度可近似為90度，馬鞍墻II模型頂部(墻頂)兩端的沒有墻肩，具體的演化方法是將馬鞍墻I模型墻肩的弧長設(shè)置為一個量級較小的數(shù)值，即可演化成馬鞍墻II模型。

依托BIM技術(shù)的Revit軟件，根據(jù)馬鞍墻I的參數(shù)關(guān)系，構(gòu)建馬鞍墻I的參數(shù)化模型，通過改變馬鞍墻I的部分參數(shù)，從而形成不同規(guī)格的馬鞍墻I模型，或者馬鞍墻II或者鑊耳墻模型，從而實現(xiàn)民族建筑構(gòu)件參數(shù)化建模的目的。

3.2 封火墻“族”庫建模演化過程

封火墻“族”庫建模的具體步驟：(1)將不同類型的封火墻構(gòu)件進行歸一化處理,為馬鞍墻簡易模型I，取馬鞍墻簡易模型I的一半進行建模；(2)將馬鞍墻簡易模型I(歸一化模型)五個部位分別建模，標(biāo)注尺寸并建立尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系。由于模型部分區(qū)域存在一定弧度，所以模型部分部位的最外層、中間層和最內(nèi)層的尺寸之間存在一定的差異，其他的直線段的尺寸基本相同。從模型的最外層到中間層和最內(nèi)層區(qū)域的尺寸的設(shè)置方式：墻頂均設(shè)置為E，墻肩為A、a、a1，墻腰均為D，墻胯為B、b、b1，內(nèi)襯厚度為C，底部長度為L，最內(nèi)層區(qū)域的墻高為H，具體如圖4；(3)將模型進行鏡像復(fù)制，形成完整的模型；(4)修改按照3.1節(jié)的方式修改相應(yīng)的參數(shù)，使馬鞍墻簡易模型I轉(zhuǎn)化為馬鞍墻簡易模型II和鑊耳墻模型；(5)對模型進行貼圖形成較為真實的封火墻結(jié)構(gòu)。

圖4 封火墻“族”模型尺寸設(shè)置

為確保能夠?qū)ⅠR鞍墻簡易模型I轉(zhuǎn)化為馬鞍墻簡易模型II和鑊耳墻模型，對相應(yīng)的參數(shù)進行設(shè)置對應(yīng)的關(guān)系。將A、B、C、D、E等參數(shù)設(shè)置為自變量，將其余參數(shù)設(shè)置為因變量。相應(yīng)的關(guān)系為：H=a1+b1+C+D；L=E+A+B；a=A-C；a1=A-2×C；b=B+C；b1=B+2×C，具體設(shè)置如圖5。

表1 封火墻"族"模型的參數(shù)關(guān)系設(shè)置

3.3 封火墻“族”庫建模結(jié)果

將封火墻“族”庫的“族”模型，即歸一化模型進行鏡像之后形成馬鞍墻I模型，結(jié)果如圖6。為將馬鞍墻I模型轉(zhuǎn)化為馬鞍墻II模型，需將頂部弧形段的半徑為較小的數(shù)值，且需確保最內(nèi)層頂部弧形半徑a1=A-2×C為正，此外模型中C=200 mm,則需將頂部弧形半徑A設(shè)置為401 mm，此時a1=1 mm相對于其他參數(shù)而言為一量級較小的值，結(jié)果如圖7。為將模型馬鞍墻I模型轉(zhuǎn)化為鑊耳墻模型，則需將頂部直線段的長度E設(shè)置為1 mm，具體如圖8。

圖6 封火墻族——馬鞍墻簡易模型I

圖7 封火墻族——馬鞍墻簡易模型II

圖8 封火墻族——鑊耳墻模型

4 模型美化與推廣應(yīng)用

為了美化創(chuàng)建的模型，走訪調(diào)研嶺南地區(qū)民族傳統(tǒng)村落，采集、分類、匯總封火墻主體的材質(zhì)圖像，并對圖像標(biāo)注地理、年代、民族等信息導(dǎo)入至Revit軟件中形成民族建筑封火墻構(gòu)件的材質(zhì)信息庫。最后對模型進行貼相關(guān)材質(zhì)圖4成較為真實的封火墻結(jié)構(gòu)，具體如圖9。

圖9 鑊耳墻美化模型

為進一步推廣與傳承民族建筑，將美化的模型VR技術(shù)相結(jié)合，并且將其應(yīng)用在地方民族文化博物館以及民族傳統(tǒng)村落景區(qū)中進行展覽。其方法不僅能實現(xiàn)為民族博物館和傳統(tǒng)村落景區(qū)吸引游客，也能讓游客進一步了解民族建筑的演化發(fā)展過程。

5 結(jié) 論

文中以嶺南地區(qū)民族建筑構(gòu)件的封火墻為例，基于BIM技術(shù)對民族建筑構(gòu)件進行參數(shù)建模研究，通過建立民族構(gòu)件尺寸之間的參數(shù)關(guān)系，可形成同類型民族建筑構(gòu)件“族”，從而可實現(xiàn)快速建模的目的和減小“族”存儲空間。

部分民族建筑構(gòu)件的局部較為復(fù)雜，對于局部復(fù)雜的封火墻，為更好地反映封火墻的真實特征，可采用Revit軟件建模與點云建模相結(jié)合的方式，其中局部構(gòu)造(細(xì)部構(gòu)造，較為復(fù)雜的部分)可采用三維激光掃描儀對其進行掃描形成點云模型，從而生成細(xì)部復(fù)雜的模型，其余簡單部分的可采用Revit軟件參數(shù)化建模的方式。

文中描述的民族建筑構(gòu)件參數(shù)化建模方法對于實現(xiàn)民族建筑構(gòu)件快速建模具有重要意義，對于傳承、推廣和保護民族建筑具有一定的實踐指導(dǎo)意義。