BIM技術(shù)在我國傳統(tǒng)建筑保護(hù)利用中的應(yīng)用進(jìn)展與展望

史 斌 | Shi Bin

劉弘濤 | Liu Hongtao

自20世紀(jì)70年代，美國查克·伊士曼（Chuck Eastman）教授提出Building Information Modeling（BIM）設(shè)想[1]，建筑信息模型在城市設(shè)計、結(jié)構(gòu)、市政、建筑等領(lǐng)域迅速擴(kuò)展并不斷豐富。目前，國外BIM的應(yīng)用開始趨向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并逐步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化[2]。BIM與其他技術(shù)的集成應(yīng)用也成為重要探索方向，應(yīng)用以設(shè)計和施工階段為主[3]。但在已有建筑的管理利用中，BIM參與相對較少，主要限制因素是BIM成本效益分析、解構(gòu)功能還相對缺乏[4]。

“信息”與“物質(zhì)”的有效鏈接，讓設(shè)計變得“立體”和“高效”。截止目前，我國在建筑信息模型領(lǐng)域已頒發(fā)1項(xiàng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、1項(xiàng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、1項(xiàng)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，即《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51212—2016[5]、《筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51235—2017[6]、《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》G B T 51269—2017[7]。BIM技術(shù)逐步應(yīng)用于歷史建筑的基礎(chǔ)調(diào)查、測繪、模擬分析、改造方案設(shè)計等方面，為歷史建筑的數(shù)據(jù)存儲、展示預(yù)覽、管理分析等提供了應(yīng)用的便捷與高效。

1 傳統(tǒng)建筑保護(hù)利用中BIM技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)

傳統(tǒng)建筑的價值決定了建筑歷史信息保存的必要性及特殊性。BIM技術(shù)在傳統(tǒng)建筑保護(hù)利用過程中呈現(xiàn)協(xié)同性、信息階段化的特點(diǎn)。

1.1 協(xié)同性

傳統(tǒng)建筑的保護(hù)利用策略與方法主要根據(jù)傳統(tǒng)建筑的特點(diǎn)及依存環(huán)境展開。在通常情況下，傳統(tǒng)建筑的設(shè)計圖紙及基礎(chǔ)資料是不完善甚至是缺失的，或者存在建筑形變或局部破壞。因此，實(shí)地測繪調(diào)查成為信息模型建立的必須環(huán)節(jié)，獲取有效、詳細(xì)的建筑信息成為BIM技術(shù)應(yīng)用的前置條件。建筑信息采集的方式主要有常規(guī)人工測量+二維CAD、無人機(jī)成像、三維掃描、攝影測量等方式，其中三維激光掃描與BIM的集成運(yùn)用成為當(dāng)前研究與實(shí)踐的熱點(diǎn)。

1.2 信息階段化

傳統(tǒng)建筑所承載的信息是不同時期信息的疊加，存在明顯的時間階段劃分。建筑信息模型必然要呈現(xiàn)時間的痕跡，BIM全生命周期管理的概念，與傳統(tǒng)建筑信息回溯并持續(xù)延續(xù)的需求具有內(nèi)在一致性。傳統(tǒng)建筑的信息模型需要通過劃分歷史階段，對應(yīng)各階段的歷史信息，完成傳統(tǒng)建筑過往生命發(fā)展軌跡的重現(xiàn)，并結(jié)合管理需求延續(xù)生命。與新建建筑設(shè)計、施工管理及后期運(yùn)營管理的生命周期相比，傳統(tǒng)建筑信息模型存在時間逆向性、信息屬性階段化的差異。

2 傳統(tǒng)建筑保護(hù)利用中的BIM應(yīng)用方法及技術(shù)手段

在我國傳統(tǒng)建筑BIM技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合劉奇志等人的研究成果[8]，認(rèn)為傳統(tǒng)建筑信息模型的應(yīng)用方法主要有：以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的建筑信息模型、構(gòu)建整體建筑信息模型、構(gòu)建局部建筑構(gòu)件的信息模型以及基于 BIM 的建筑信息管理與分析（圖1）。

圖1 傳統(tǒng)建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用框架

2.1 以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的建筑信息模型

三維掃描技術(shù)與BIM技術(shù)的鏈接應(yīng)用，豐富了傳統(tǒng)建筑信息采集的方式與手段，傳統(tǒng)建筑潛在的外觀特色、特征信息以及表征變化等內(nèi)容被進(jìn)一步準(zhǔn)確測量與展現(xiàn)，信息得到較大程度的傳遞。石越等人以黃?；瘜W(xué)工業(yè)研究社的信息采集為例，單獨(dú)掃描建筑多個位置，并將它們一起拼接，生成整體的高精度三維點(diǎn)云，將完整點(diǎn)云文件鏈接到 Auto Revit平臺，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云信息與建筑信息模型從三維空間信息到三維形體的銜接[9]。李舒靜提出建筑信息采集的“結(jié)構(gòu)—類型”法。運(yùn)用類型學(xué)方法、借助“族”構(gòu)建思想，以構(gòu)部件為單位對建筑單體展開三維調(diào)查，據(jù)此繪制“空間—結(jié)構(gòu)樹狀圖”和“構(gòu)件類型樹狀圖”，并以前者為框架繪制草圖[10]。石力文等人以某仿古亭子為例介紹了基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的BIM模型建立過程，主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的鏈接、“族”模型的建立、符號圖元的注釋、完整模型的建立以及屬性信息的添加等環(huán)節(jié)[11]。

在傳統(tǒng)建筑基礎(chǔ)信息搜集處理方法方面，三維信息處理與模擬軟件的鏈接成為重要探索方向。BIM軟件工具的使用在一定程度上改變了原來測繪調(diào)查的方式，開始在數(shù)據(jù)鏈接方式、圖形圖像轉(zhuǎn)譯、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化等方面進(jìn)行研究，并在實(shí)踐應(yīng)用、數(shù)據(jù)對應(yīng)組織等方面取得一定成果，對實(shí)踐應(yīng)用具有促進(jìn)作用。但較多成果仍然局限于個例軟件工具的處理與操作方式，沒有形成統(tǒng)一的模式或方法，甚至對同一類型的傳統(tǒng)建筑也難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，傳統(tǒng)建筑三維調(diào)查與信息模型鏈接的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)成為研究的重點(diǎn)，包括三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度及應(yīng)用范圍、點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM軟件的自動化或半自動化鏈接的技術(shù)方法、基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換應(yīng)用等內(nèi)容。

2.2 構(gòu)建整體（局部）建筑（構(gòu)件）信息模型

（1）歷史建筑信息模型理論研究

在傳統(tǒng)建筑信息模型構(gòu)建方面，M.Murphy和 E.Mc Govern提出了歷史建筑信息模型（Historic Building Information Modeling，簡稱 HBIM），指出HBIM過程是從使用激光掃描儀和攝影技術(shù)遠(yuǎn)程收集測量數(shù)據(jù)開始，然后使用一系列軟件程序組合圖像和掃描數(shù)據(jù)，從圖像數(shù)據(jù)中進(jìn)行紋理化，并創(chuàng)建三維模型[12]。此后，HBIM成為傳統(tǒng)建筑信息模型研究、數(shù)字化技術(shù)方法探索的重要支撐[13-14]。當(dāng)前，幾何模型精度分析、豐富構(gòu)件屬性表達(dá)是HBIM國際研究熱點(diǎn)問題[15-16]。HBIM的內(nèi)涵也被不斷豐富，包括傳統(tǒng)建筑的分析調(diào)查、歷史演變、診斷、文化背景及保護(hù)干預(yù)[17]（圖2），用以闡明歷史建筑所包含的所有信息。HBIM也被應(yīng)用于傳統(tǒng)建筑的預(yù)防性保護(hù)[18]、風(fēng)險管理[19]等方面，并發(fā)展了輔助診斷HBIM性能的評估工具（DA-HBIMM）[20]。國內(nèi)學(xué)者荊松鋒將HBIM作為建筑遺產(chǎn)記錄建檔的技術(shù)依據(jù)[21]，HBIM的概念在國內(nèi)傳統(tǒng)建筑信息化方面逐步開始應(yīng)用。

圖2 HBIM的維度

（2）傳統(tǒng)建筑信息模型建構(gòu)的技術(shù)方法

杜欣認(rèn)為傳統(tǒng)建筑信息模型的建立主要分為兩個部分，即理想模型和階段化模型。理想模型是指在 BIM模型建立時以建筑的現(xiàn)有狀態(tài)和可推測的原始設(shè)計意圖為依據(jù)，對測繪信息進(jìn)行人為調(diào)整而建立的初期模型。理想模型可以作為一個原始基準(zhǔn)，任何信息都可在后期添加于其上。階段化模型是在先前建立的理想模型的基礎(chǔ)上以特定的歷史時間點(diǎn)對模型信息進(jìn)行劃分，使信息模型能夠展示建筑在不同時間段上的樣貌[22]。石越等人也認(rèn)為信息模型建立的初始階段是建立“理想模型”，歷史信息是可以逐步添加的[23]。

在整體信息模型建構(gòu)方面，譚潔將古建筑的設(shè)計和建造規(guī)律整理成計算機(jī)熟悉的規(guī)則，即用一系列的關(guān)系式，包括邏輯關(guān)系式和幾何關(guān)系式等來表示古建筑的營造法式。最后以清代官式建筑大木作為例，搭建古建筑的參數(shù)化總體思路與框架，并對細(xì)節(jié)與具體操作方法進(jìn)行實(shí)踐[24]。關(guān)于古建筑信息模型，孫偉超從模型圖元、注釋符號圖元、視圖圖元與數(shù)據(jù)庫建立四個方面做了模型構(gòu)建的整體過程，并重點(diǎn)介紹了信息模型的主體——模型圖元，分類展示了模型圖元中各個建筑構(gòu)件族的參數(shù)化、簡述了各個構(gòu)件族在參數(shù)化過程中的難點(diǎn)和不足[25]。韓婷婷將構(gòu)件信息分為剛性碼段、柔性碼段及流水碼段三段式，進(jìn)行古建筑構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化信息的編碼，完成了構(gòu)件庫中構(gòu)件實(shí)體的信息化表達(dá)，從根本上解決了“信息孤島”現(xiàn)象，確保了數(shù)據(jù)信息在古建筑保護(hù)工作中流通語義的一致性[26]26。研究學(xué)者認(rèn)為我國傳統(tǒng)建筑存在的模數(shù)形制，為BIM軟件的參數(shù)約束、“族”構(gòu)件建立提供了可能[27]。當(dāng)前研究內(nèi)容主要關(guān)注傳統(tǒng)建筑構(gòu)件與BIM“族”的對應(yīng)關(guān)系及組織方式。在傳統(tǒng)建筑信息分類標(biāo)準(zhǔn)化方面，西安建筑科技大學(xué)王茹教授團(tuán)隊(duì)對明清古建筑參數(shù)化、構(gòu)建編碼分類、構(gòu)建庫建設(shè)等方面取得一定成果。但面對不同歷史時期、不同類型的傳統(tǒng)建筑，顯然傳統(tǒng)建筑的特征、樣式的參數(shù)化及信息標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，仍需要大量的實(shí)踐及研究工作，尤其在建筑整體梁柱參數(shù)約束、立面門窗及屋頂形制仍是探索的重點(diǎn)。

在建筑局部構(gòu)件研究方面，石若明等人以府學(xué)胡同36號院為典型樣例，重點(diǎn)研究了利用點(diǎn)云逆向建立傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)構(gòu)件“族”模型[28]。狄雅靜等人以茶膠寺南外門主體模型的建構(gòu)為例，系統(tǒng)地提出了為石頭建筑的構(gòu)件分族、為石塊設(shè)置標(biāo)識和根據(jù)保護(hù)需要創(chuàng)建構(gòu)件屬性的方法[29]。朱磊利用類型學(xué)原理討論結(jié)構(gòu)形式以及建筑構(gòu)件的分類方法，進(jìn)而初步提出族規(guī)劃的分類依據(jù)，并論證了類型學(xué)方法的可利用價值[30]。張?zhí)煊钜灶愋蛯W(xué)方法為基礎(chǔ)建立了湖南傳統(tǒng)村落的門窗庫[31]。

由上可知，在傳統(tǒng)建筑構(gòu)件信息化過程中，通常結(jié)合類型學(xué)方法建立“族”庫。但是，對于傳統(tǒng)建筑的結(jié)構(gòu)分類以及特殊構(gòu)件（如裝飾浮雕）的模擬仍存在爭議，構(gòu)件的分類整理仍然處于約定俗成和主觀判斷共同確定的探索階段，未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。同時，由于軟件平臺中的圖元尚無法解決對空間屬性的封裝，點(diǎn)云信息也僅是對建筑表面形狀的采集。軟件自有模板、樣本不能完全適用于傳統(tǒng)建筑所需要的各類構(gòu)件族的定義需求，有待進(jìn)一步利用計算機(jī)技術(shù)對族樣板進(jìn)行可開發(fā)性研究。

2.3 建筑信息管理與分析

傳統(tǒng)建筑與現(xiàn)代建筑在信息模型管理與分析方面存在較多一致性，主要是基于軟件平臺間的協(xié)同操作與分析。

韓婷婷通過構(gòu)件的入庫、組裝及構(gòu)件庫的運(yùn)營維護(hù)三方面實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件庫、構(gòu)件實(shí)體及數(shù)據(jù)資料的規(guī)范化、信息化管理，建立了以管理員與用戶的交流和反饋為主體的構(gòu)件庫管理體系[26]69。劉慶宇認(rèn)為可以通過BIM技術(shù)的應(yīng)用對建筑物進(jìn)行熱能分析和結(jié)構(gòu)分析。通過熱能分析等技術(shù)手段判斷建筑構(gòu)件在不同時間段內(nèi)的工況，可以更精確地計算不同時間段內(nèi)木結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)[32]。鄭林晗等人在傳統(tǒng)建筑BIM信息管理平臺的基礎(chǔ)上，提出了修繕殘損信息、修繕工藝流程信息的鏈接路徑[33]。

傳統(tǒng)建筑信息模型的精準(zhǔn)模擬，為傳統(tǒng)建筑的改造利用提供了分析的基礎(chǔ)，通過軟件交互從而實(shí)現(xiàn)建筑管理及性能分析的多項(xiàng)功能。BIM技術(shù)與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)平臺的結(jié)合，可以有效提升建筑全生命周期的管理效果，在實(shí)現(xiàn)建筑信息模型可視化的基礎(chǔ)上，滿足建筑信息查詢、建筑價值評估、建筑再利用分析、建筑物理環(huán)境分析、動態(tài)監(jiān)測等功能，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)建筑的科學(xué)保護(hù)與利用。但是，面對BIM平臺、分析軟件平臺、監(jiān)測保護(hù)等平臺的多數(shù)據(jù)交互、鏈接存在制約問題，數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化、轉(zhuǎn)換鏈接方式便捷與統(tǒng)一、避免平臺轉(zhuǎn)換間的信息損失將是重要的研究方向（圖3）。

圖3 HBIM與其他技術(shù)整合的優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)

結(jié)語

建筑信息模型技術(shù)為傳統(tǒng)建筑信息的保存提供了新的方式，對傳統(tǒng)建筑的數(shù)字化起到了推動作用。傳統(tǒng)建筑信息模型存在現(xiàn)實(shí)（階段化）模型、參數(shù)化（理想）模型兩種主要形式，關(guān)鍵歷史信息屬性的添加，促進(jìn)了多軟件平臺的協(xié)同應(yīng)用，并呈現(xiàn)信息階段化的特點(diǎn)。三維掃描與攝影測量是當(dāng)前傳統(tǒng)建筑信息采集的主要方式。在傳統(tǒng)建筑信息整體、局部模型建立過程中，傳統(tǒng)建筑編碼分類、構(gòu)件模擬等方面仍缺少標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一約束，應(yīng)用軟件的本土適宜性不足。傳統(tǒng)建筑采集信息與軟件的高效鏈接方式、信息標(biāo)準(zhǔn)化、軟件模塊的本土化以及避免平臺轉(zhuǎn)化過程中的信息損失仍是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

資料來源：

圖1：作者自繪；

圖2：參考文獻(xiàn)[17]；

圖3：參考文獻(xiàn)[34]。