BIM技術在建筑遺產中的應用

曹思琪， 孫玉梅， 陳永鴻， 李 睿， 李 鐵

(昆明理工大學 建筑工程學院， 昆明 650504)

建筑信息模型(BIM)于建筑行業(yè)中是新的變革的標志，BIM突破傳統(tǒng)的建筑思維模式[1]，將建筑信息進行整合。中外建筑行業(yè)傾向于將BIM技術應用于建筑的全生命周期管理，但很少有研究探討B(tài)IM技術在建筑遺產中的應用和文獻記錄方面的價值[2]。建筑遺產作為全人類寶貴的物質、精神財富，中外對建筑遺產的保護都十分重視，近年來BIM技術應用于建筑遺產也得到了進一步的發(fā)展[2]。

基于建筑遺產的定義，從BIM在國外建筑遺產中的應用、BIM在國內古建筑中的應用及BIM在國內少數(shù)民族建筑中的應用3個方面對BIM技術在建筑遺產中的應用進行文獻回顧。

1 BIM在國外建筑遺產中的應用

當前，隨著信息技術的不斷發(fā)展，BIM技術逐步被用于建筑遺產研究保護領域，能夠使建筑遺產保護過程中遇到的問題高效解決。從BIM技術在建筑遺產中應用的程序，將其劃分為3個步驟。

步驟1：使用地面激光掃描或數(shù)字攝影測量模型遠距離收集調查數(shù)據(jù)。Murphy等[3]針對歐洲古典建筑采用引入BIM技術到歷史遺跡的保護之中，提出BIM用于歷史建筑的新方法，即收集三維圖像數(shù)據(jù)、查閱建筑資料細化歷史建筑細節(jié)、映射構件參數(shù)到掃描數(shù)據(jù)上生成BIM模型、導出結果資料形成云數(shù)據(jù)。Moano等[4]在對西班牙賽維利亞一座巨型銅時代紀念碑的研究中引入BIM技術和三維掃描點云技術，利用三維掃描點云數(shù)據(jù)建立具有復雜考古形狀的BIM參數(shù)對象。Suwardhi等[5]面對位于印度尼西亞的Borobudur寺廟建筑石塊劣化程度不斷加重的情況，該研究團隊通過無人機攝影技術獲得Borobudur寺廟的地面圖像，詳細收集建筑三維信息，使寺廟建筑實現(xiàn)完全數(shù)字化，并建立了1∶100的數(shù)字高程模型。

步驟2：BIM模型源數(shù)據(jù)收集后，需要對點云數(shù)據(jù)進行處理，并進行建筑物或構筑物BIM模型的建立。Murphy等[6]在兩項研究(2009、2011年)中開發(fā)了歷史建筑信息建模(HBIM)，這一方法建立目的在于將當代技術與BIM方法整合到建筑遺產保護領域。HBIM充當BIM的插件，它是一個由歷史數(shù)據(jù)構建的參數(shù)對象原型庫，以及一個用于將參數(shù)對象映射到點云和圖像測量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。Murphy等[7]在愛爾蘭都柏林的Henrietta街保護建模中，激光掃描后，將正交圖像導入到BIM平臺ArchiCAD中，通過組合HBIM插件中包含的所有必需庫部分來完成建模。Barazzetti等[8]使用Cloud-to-BIM-to-FEM的方法，將點云轉換為BIM然后用有限元方法模擬結構行為。

基于BIM技術在建筑遺產中的3個步驟的應用，前兩步驟研究較為充分，也提出了不同的方法實現(xiàn)或優(yōu)化建筑遺產的BIM建模；步驟3是現(xiàn)階段時期研究者矚目的研究領域，嘗試建筑遺產相關數(shù)據(jù)庫的開發(fā)、管理系統(tǒng)的開發(fā)等。

2 BIM在國內古建筑遺產中的應用

近年來，隨著BIM技術的興起，BIM技術開始作為古建筑遺產保護的技術手段。通過數(shù)字化建模，能夠得到覆蓋古建筑遺產項目全壽命周期詳細信息的建筑信息模型，使古建筑遺產的保護從傳統(tǒng)模式中走出來，以數(shù)字化的形式延存。

2.1 基于激光掃描、傾斜攝影等技術的BIM模型數(shù)據(jù)收集

劉慧媛[12]基于BIM和GIS建立了斗拱信息化模型及得到了時空布局。石若明等[13]利用點云構建了古建筑遺產全息幾何模型，配合GIS環(huán)境將建立的模型實現(xiàn)共享?；葜幍萚14]提出了BIM-3D掃描技術的建模方法，以實現(xiàn)根據(jù)點云數(shù)據(jù)建立古建筑遺產revit模型。譚啟明[15]將三維掃描技術和無人機傾斜攝影技術與BIM技術相結合，構建了青島廣興里內院模型。

2.2 建筑BIM模型建立

王令文[16]設計了基于點云數(shù)據(jù)的古建筑遺產建模方法，對于復雜結構采用Delaunay四面體剖分算法建立三角網模型，對于規(guī)則部位則直接構建實體模型。譚潔等[17]利用GDL語言編程，以清代官式建筑為例，基于BIM技術建立了一個單檐廡殿式大木模型。王軒等[18]設計了基于IFC標準的建筑模型轉化技術。

2.3 構件庫建立

王茹等[19]根據(jù)圖形數(shù)據(jù)庫和擴展字典保存古建筑遺產附加信息，建立了構件信息模型系統(tǒng)。韓婷婷[20]在對明清古建筑構造形式及建造規(guī)律深入分析的基礎上，以構件為最小粒度單元，對BIM環(huán)境下明清古建筑構件庫參數(shù)化設計展開了研究。

2.4 古建筑全生命周期管理

狄雅靜等[21]指出BIM技術特有的優(yōu)勢能解決傳統(tǒng)信息管理中出現(xiàn)的“信息孤島”及“信息斷流”等問題，實現(xiàn)古建筑全生命周期的管理。王茹等[22-23]基于BIM技術，從古建筑遺產的全生命周期出發(fā)，劃分各個層次信息，從而構建了古建筑遺產的信息模型。

2.5 參數(shù)化建模

張祥[24]分析了明清官式建筑遺產構件的參數(shù)化建立了BIM信息化模型。王英華等[25]根據(jù)BIM的優(yōu)勢，提出結合BIM技術對古建筑遺產保護的詳細信息進行參數(shù)化存儲、建模方式，構建了BIM技術在古建筑遺產保護中的參數(shù)化模型。

3 BIM在國內少數(shù)民族建筑遺產中的應用

中國是個多民族國家，不同民族都有著各自獨特的文化傳統(tǒng)。各少數(shù)民族民居由于處在不同地區(qū)及氣候條件，都形成了具有代表性的民居建筑，如福建的古堡建筑、貴州的屯堡建筑、云南的合院式建筑等。在少數(shù)民族建筑中應用BIM技術，并對其進行保護也逐漸成為研究方向。

（4）為了獲得最佳的碾壓效果，嚴格控制灰土中的最優(yōu)含水量，在施工現(xiàn)場一般以手握灰土成團，兩手輕捏即碎，即可認為接近最優(yōu)含水量。

武志東等[26]通過對少數(shù)民族聚落系統(tǒng)性調研，通過激光掃描及無人機攝影收集建筑數(shù)據(jù)，建立了少數(shù)民族聚落與民族形態(tài)學空間數(shù)據(jù)標準庫，為少數(shù)民族建筑保護、發(fā)展、改造提供了依據(jù)。

李恒凱等[27]以江西白鷺古村客家古村落為研究對象，通過對客家古村落的建筑群的整體布局、建筑物單體及構件的研究，在三維數(shù)據(jù)采集后對古村落模型進行重建，并形成針對古村落的管理平臺。

姜磊等[28]發(fā)現(xiàn)漢瑤民族建筑物的結構構建和裝飾構建有基本同意、普遍生產的特點，提出采用裝配式建筑與BIM技術相結合的方式，對漢瑤民族建筑進行全過程管控，為建設、維護漢瑤民族建筑提供了現(xiàn)代化工程建設思維。

李盼等[29]對芒景村布朗族民居建筑環(huán)境因素的數(shù)據(jù)進行測量，分析該村落存在的結構上及房屋工程和舒適性方便的不足，利用BIM技術對布朗族民居進行仿真分析，完善修繕方案。

于宗琳等[30]分析了珞巴族地形和建筑特點，運用3ds Max制作地形和建筑模型的效果模型，再使用Revit進行參數(shù)化模型制作，建立了珞巴族建筑文化數(shù)據(jù)庫，并結合VR虛擬現(xiàn)實技術，實現(xiàn)了珞巴族建筑的數(shù)字化保護。

彭永鵬等[31]利用三維激光掃描技術，以BIM技術為支撐，對貴州松桃大灣苗寨建筑的數(shù)字化保護進行了詳細描述。

阿依丁·米拉提等[32]使用三維激光掃描收集建筑數(shù)據(jù)，使用BIM進行參數(shù)建模，并提出運用3D建筑打印機打印單個構件模型，從而完成整體實體模型構建研究。對保護和發(fā)展少數(shù)民族建筑文化有巨大的推動作用。

上述，不少學者已經注意到少數(shù)民族建筑保護、發(fā)展、建設的重要性，并針對其進行了不同程度的研究。但BIM應用于少數(shù)民族建筑的研究也具有局限性，大多都是重復當前的BIM應用模式，創(chuàng)新性不足。如何克服BIM在少數(shù)民族建筑中應用的難點，提高其適用性，還需要對其深入研究。

4 結論與展望

BIM技術應用于房屋建筑和工業(yè)建筑的優(yōu)勢已經展現(xiàn)出來，在建筑遺產領域的應用也正在逐步地被研究推進。本文在這一背景下，綜述了BIM技術應用于建筑遺產領域國內外的研究狀況。

4.1 結論

對于當前BIM技術應用于建筑遺產的回顧表明，大多數(shù)研究人員采用了某一特定的方法為處于歷史環(huán)境中的建筑遺產提供BIM模型構建和開發(fā)。在具體實踐中，這一過程從數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理開始，激光掃描圖像、點云數(shù)據(jù)處理；從歷史文獻和書籍中識別結構細節(jié)；創(chuàng)建參數(shù)歷史物體數(shù)據(jù)庫；明確參數(shù)構件及激光圖像之間的相關性；最后生成三維虛擬模型。

除了部分應用點較為新穎的研究外，BIM技術在建筑遺產領域的應用大部分還處于簡單的三維掃描、建模及單一管理平臺的建立使用中，存在著創(chuàng)新和技術發(fā)展不足的問題。實際上，現(xiàn)在基于BIM技術對于建筑遺產的應用僅只是與BIM模型的查看器，并沒有為建筑遺產保護提供更為實際的幫助及應用。研究中的建筑遺產案例用于也僅停留于建筑遺產的BIM模型建立、三維掃描轉換模型接口的優(yōu)化、BIM建模速度提升等淺層問題，沒有更多深入和后續(xù)開發(fā)。

此外，基于中國多少數(shù)民族文化的歷史背景，并從少數(shù)民族建筑遺產角度出發(fā)，結合少數(shù)民族建筑遺產保護角度的研究很少，BIM技術在少數(shù)民族建筑中的應用研究亟待豐富。

4.2 展望

建筑遺產在BIM技術中的應用還有很多方向可以深入拓展研究。首先，研究者應跳脫單一的使用BIM技術對古建筑模型進行建立的目的，應該更多地從BIM模型二次開發(fā)應用的角度出發(fā)展開拓展研究。其次，國內在建筑遺產BIM模型的應用中可以借鑒國外的研究應用點，使用計算機語言實現(xiàn)BIM模型數(shù)據(jù)多方面交互應用。再者，少數(shù)民族建筑作為中國一類特殊的建筑遺產，是中國獨特的物質文化遺產，在少數(shù)民族建筑遺產中可以進行進一步的深入研究。

由此可見，從國內BIM技術發(fā)展趨勢來說，BIM應用于建筑遺產中的大有可為。