基于BIM的歷史建筑保護
——以武漢大學宋卿體育館為例

童喬慧 | Tong Qiaohui

徐 盼 | Xu Pan

1 武漢大學早期建筑群的保護現(xiàn)狀

1.1 武漢大學早期建筑群的保護現(xiàn)狀

武漢大學早期建筑群①歷史建筑數(shù)量眾多，大多建成于20世紀30年代。大部分歷史建筑至今保存完好，仍在學校的教學活動中起著重要的作用。武漢大學早期建筑群在中國近現(xiàn)代建筑史、中國校園規(guī)劃建筑史上都有著十分重要的地位，具有珍貴的歷史、科學以及藝術(shù)價值[1]，需要進行系統(tǒng)的保護和研究。

歷經(jīng)80余年滄桑，武漢大學早期建筑群的歷史建筑存在殘損嚴重現(xiàn)象，無法很好地滿足學校教學的使用需要。在20世紀末武漢大學對這些歷史建筑中的大部分建筑進行了部分保護和修繕，保護的主要原則是“整舊如舊”，并在保護修繕時最大限度地保存歷史建筑的原真性[2]。具體表現(xiàn)在盡可能維持立面原貌，提供更為合理的消防防火和結(jié)構(gòu)標準，增加人性化無障礙設(shè)計以及保證使用舒適性的建筑設(shè)備。目前武漢大學對26棟歷史建筑的大部分建筑本體已經(jīng)進行了保護和修繕。

1.2 BIM在武漢大學歷史建筑保護中的應用

BIM（Building In formation Modeling）技術(shù)通過建立一個虛擬的三維信息模型將工程項目全生命周期的各種信息資源整合在一個數(shù)據(jù)庫中被工程相關(guān)人員使用。將BIM技術(shù)引入到歷史建筑保護中，通過建立參數(shù)化的模型模擬歷史建筑的真實建筑信息，實現(xiàn)歷史建筑及其保護修繕過程的數(shù)字化存檔，能夠避免傳統(tǒng)方法的缺點，為歷史建筑的后續(xù)保護和研究提供技術(shù)支持。

BIM在武漢大學歷史建筑保護中的應用已有研究，主要是2018年童喬慧、董維敏以BIM技術(shù)對武漢大學老齋舍（男生寄宿舍）進行了參數(shù)化建模以及修繕過程的數(shù)字化存檔[3]，并對BIM技術(shù)與實際工程結(jié)合而產(chǎn)生的運用進行了研究。該研究的時間節(jié)點是在工程修繕完畢之后所做的研究工作，其內(nèi)容相比傳統(tǒng)的歷史建筑保護方法和技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，為武漢大學歷史建筑遺產(chǎn)研究與保護奠定了一個新的起點和方向。由此可見，將BIM技術(shù)運用到歷史建筑保護中將有助于對歷史建筑遺產(chǎn)的數(shù)字化保護和信息化建設(shè)。

在構(gòu)建BIM模型的過程中，由于武漢大學早期建筑群的每一棟歷史建筑單體往往由數(shù)量眾多的細部構(gòu)件組成，每一棟歷史建筑的構(gòu)件各不相同，構(gòu)件之間交接復雜，特別是屋面曲線及其裝飾構(gòu)件眾多，同時許多建筑單體隨著地形功能的不同呈現(xiàn)變化，這就使得武漢大學歷史建筑的BIM三維模型構(gòu)建有很大的難度。因此在構(gòu)建歷史建筑的BIM模型前期需要對每棟歷史建筑的歷史信息仔細查閱，對歷史建筑的現(xiàn)狀要進行深入的勘察分析和研究。

2 宋卿體育館的功能布局和建筑尺度

2.1 宋卿體院館的現(xiàn)狀

宋卿體育館②（圖1）是武漢大學早期建筑群的重要組成部分，位于珞珈山南部底，坐東朝西。體育館長寬分別約35m和21m，總建筑面積2748m2。建筑層數(shù)共兩層，高約15m。一層為健身大廳和庫房，二層為藍球場及附屬用房，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 宋卿體育館現(xiàn)狀圖

20世紀末宋卿體育館許多構(gòu)件老化問題嚴重，甚至危及建筑結(jié)構(gòu)安全，若不經(jīng)過全面、系統(tǒng)的修繕和保護，將難以發(fā)揮其歷史文物功能。體育館的保護修繕工程于2013年啟動，對建筑進行了結(jié)構(gòu)加固、外墻清洗、損毀門窗修復、屋面修復、室內(nèi)粉刷等。按照文物保護修繕“修舊如舊”的原則，修繕后的宋卿體育館的風貌與原貌保持一致。因為工程工藝復雜，目前仍有部分屋面和門窗在修繕中，但是外墻及室內(nèi)已經(jīng)修繕完畢，其使用功能仍為體育館，未做改變。

2.2 宋卿體育館的功能布局

宋卿體育館建筑的主要空間為二層的籃球場，籃球場的大跨度空間平面尺寸為21m×36m，主要由鋼筋混凝土柱和鋼結(jié)構(gòu)三鉸拱組合受力承擔屋面荷載。山墻及屋頂隨屋面結(jié)構(gòu)而變化，山墻形成輪舵形山墻，風格采用典型的巴洛克式山墻③[4]，屋頂形成三重檐滴水，用綠色琉璃瓦覆蓋并利用重檐形成的密檐處設(shè)置窗戶采光通風，檐下采用混凝土仿木斗 。籃球場的四周布置附屬用房，用作體育館的管理辦公、衛(wèi)生更衣及樓梯間。樓梯間上部設(shè)望樓，可上至附屬用房平頂屋面。一層則充分利用地形高差，利用地勢較低的西面作為一層主入口，另外三面地勢較高，山墻面兩側(cè)各有兩個采光井采光。

2.3 宋卿體育館的尺度模數(shù)

宋卿體育館的平面具有明顯的形制化和模數(shù)化特征（圖2），它的主體部分開間7間、進深5間，主體部分基本對稱，梢間和次間開間均為5m，明間和盡間略寬為5.3m，廊深3m。進深方向有兩種尺寸3.9m和4.8m。四隅角樓沿東西軸對稱，南北軸方向位置有所錯動。它的構(gòu)件尺寸也有一定的制式和規(guī)則，典型的窗戶為上部兩角為切半圓弧式樣，窗戶扇數(shù)則依據(jù)開間或進深分成三扇或四扇，高度根據(jù)所處標高和結(jié)構(gòu)不同有所變化。女兒墻端部裝飾以及檐下仿木斗 闌額均具有一定的制式并反復運用在建筑中（圖3）。

圖2 宋卿體育館測繪首層平面圖

圖3 宋卿體育館測繪西立面圖

因為有了這些制式和規(guī)則，所以可以通過建立參數(shù)化的建筑信息構(gòu)件庫來實現(xiàn)宋卿體育館三維模型的重建，從而獲得精確的工程數(shù)據(jù)，對宋卿體育館進行數(shù)字化存檔，作為今后武漢大學歷史建筑的復原、修復、保護的技術(shù)支持以及科學研究基礎(chǔ)。

3 宋卿體育館的BIM建模

宋卿體育館（圖4）BIM模型構(gòu)件眾多，造型復雜，但其BIM建模的基本方法是通過創(chuàng)建特定的構(gòu)件族，并將這些族載入到項目中。由于宋卿體育館山墻、屋面、檐下仿木斗 不同于其他歷史建筑，本文主要介紹宋卿體育館族的規(guī)劃、山墻和屋面的建模以及斗類構(gòu)件的建模。

圖4 宋卿體育館BIM模型三維視圖

3.1 族的規(guī)劃

在宋卿體育館BIM建模前，非常重要的一點是進行族的規(guī)劃。Revit模型的基本單位是族的模型，其中基礎(chǔ)族庫和樣板文件可以通過網(wǎng)絡(luò)下載和自己新建族等方式來完成[5]。在宋卿體育館BIM建模中，Revit軟件中自帶的樣板文件和構(gòu)件庫并不能完全滿足項目的需求，有一些工程特有的族需要在建模前就提前創(chuàng)建（表1）。

表1 宋卿體育館BIM模型中族的規(guī)劃信息表

3.2 山墻及屋面的建模

輪舵形山墻的建模（圖5）主要采用內(nèi)建體量，首先建立剖面，將測繪圖紙導入剖面中，作為繪圖參考，然后選擇內(nèi)建模型墻，先用拉伸把整體輪廓做出來，因為輪廓為對稱，充分利用鏡像。墻上的半圓形構(gòu)件則主要使用放樣，細部的輪廓諸如一些雕刻，考慮到軟件的局限性，采用線條的方式進行繪制示意。

圖5 山墻BIM模型示意圖

宋卿體育館的屋頂為三重檐的歇山頂（圖6），重檐歇山頂?shù)慕Ｖ饕譃閮蓪樱谝粚游蓓斨饕褂脙?nèi)建模型中的常規(guī)模型，然后使用放樣命令，繪制路徑和輪廓，使用空心拉伸，剪切實心構(gòu)件，空心形狀根據(jù)實際屋面形狀確定，再通過鏡像繪制另外的屋面。第二層瓦選擇建好的屋頂?shù)拿?，新建公制輪?豎挺，繪制瓦片形狀，然后選中單個豎挺，編輯類型，最后編輯顏色。

圖6 屋頂BIM模型示意圖

3.3 斗類構(gòu)件的建模

明清古典木建筑斗 的結(jié)構(gòu)有5個重要的部分，分別為、翹④、昂⑤、升⑥、斗[6]。宋卿體育館由于是混凝土仿木斗 構(gòu)件，在此基礎(chǔ)上進行抽象簡化，僅有斗、、翹三部分，挑出一層。

基于Revit 的斗 的建立，主要是在Revit中將斗 的各個構(gòu)件以斗口為基本參數(shù)，用族的形式建立起來，然后在項目中用這些斗 的不同部分組合成一個完整的斗 。宋卿體育館斗 的建模主要分為兩層，然后進行組裝（圖7）。

圖7 混凝土仿木斗 建模示意圖

第一層為坐斗⑦的建模。根據(jù)《營造法式》，斗的形制由上到下分為耳⑧、平⑨、欹⑩三部分，并提出了“以材為祖”，材分8等，1材=15分，1材厚=10分=1斗口[7]，因此坐斗的參數(shù)化以斗口作為主要驅(qū)動參數(shù)，其他的尺寸參數(shù)都可以通過公式與之產(chǎn)生聯(lián)系，以此來生成坐斗（圖8）。但與傳統(tǒng)木作不同的是宋卿體育館的混凝土仿木斗，其坐斗僅為傳統(tǒng)木斗 的一半貼墻安裝。坐斗的建模，第一步是通過公制常規(guī)模型族樣板建立一個族文件，保存名稱為坐斗族。第二步再利用拉伸和標注，創(chuàng)建坐斗的上部。依據(jù)參照平面坐標點，設(shè)立與坐斗族相關(guān)的參數(shù)。運用拉伸命令創(chuàng)建出所需立方體。第三步是使用融合命令和標注創(chuàng)建坐斗的下半部，最后使用空心形狀來制作坐斗的翹開口。

圖8 坐斗立面尺寸示意圖

第二層為正心瓜?的建模。宋卿體育館的正心瓜 同坐斗一樣由古典明清建筑木作正心瓜 的構(gòu)件簡化而來，主要由弓形主體和 1個榫、2個形狀結(jié)構(gòu)較為復雜的 眼組成。同坐斗一樣，正心瓜 的建模也是以斗口為主要驅(qū)動參數(shù)來確定各部分的尺寸（圖9）。正心瓜 的具體建模主要根據(jù)正心瓜 的尺寸，在前視圖或者左視圖中以正心瓜 的側(cè)立面建立拉伸面。使用創(chuàng)建拉伸和空心拉伸命令，來創(chuàng)建 身、正心開口等。

圖9 正心瓜 正立面圖

4 基于BIM的宋卿體育館的保護應用

4.1 基于BIM的歷史建筑防火性能化分析

在歷史建筑的保護中，建筑防火性能提升無疑是重中之重，但歷史建筑保護修繕中的原真性在工程中有時候會與規(guī)范或規(guī)定發(fā)生沖突。例如宋卿體育館根據(jù)規(guī)范要求公共建筑疏散樓梯凈寬≥1.1m[8]，但體育館的樓梯凈寬只有1m。這種情況如果通過防火性能化分析進行定量計算，根據(jù)每棟建筑的獨特性能，分析火災的影響程度，采取合理的消防對策[9]，就可以使歷史建筑保護修繕工程既不影響歷史建筑的原真性，又實現(xiàn)消防安全。

基于BIM的歷史建筑防火性能化分析可將歷史建筑的BIM模型導入到火災模擬程序中進行火災煙氣狀況分析和人員疏散情況分析。在BIM模型中，墻體和柱子等就可以根據(jù)實際設(shè)計構(gòu)造層，明確耐火極限要求。直接把BIM模型導入PYROSIM模擬程序中，可進行火災煙氣分析。進行火災煙氣分析第一步是要進行火災場景?[10]分析與確定。根據(jù)最不利原則?，在宋卿體育館火災模擬中，可將發(fā)生火災位置定于一樓左側(cè)疏散樓梯。第二步是進行煙氣流動狀態(tài)分析。在軟件中本工程的設(shè)計參數(shù)取值為：一般空間煙氣層以下的清晰高度≥2m、籃球場高大空間的清晰高度≥室內(nèi)凈高的一半、人員活動區(qū)域的能見度≥10m、環(huán)境溫度≤60℃、火災模擬時間共1200s[11]。宋卿體育館煙氣模擬的結(jié)果是在55s時煙氣開始向四周擴散，83s時煙氣擴散到二層，322s時部分煙氣從籃球場側(cè)面和正面檐口的排煙窗排出，但也有煙氣聚集在籃球場上方（圖10）。火災發(fā)生1200s后時，通過模擬結(jié)果顯示右側(cè)樓梯間周圍溫度較高，左側(cè)疏散樓梯間內(nèi)的CO2濃度積聚增大，但是大部分房間溫度低于 60°C。

圖10 322S煙氣模擬結(jié)果

把BIM模型導入到PATHFINDER模擬程序中，可進行人員安全疏散分析。在宋卿體育館的PATHFINDER分析中，設(shè)定參數(shù)1F、2F、3F感知時間：60s，響應時間120s。最終疏散時間模擬結(jié)果如表2所示。

表2 宋卿體育館的人員疏散時間表

通過軟件計算得出本次火災的人員允許疏散時間為494s。而在防火性能化分析中，判定人員能否能夠安全疏散，要求需要疏散時間小于允許疏散時間，保證待疏散人員在允許疏散時間內(nèi)疏散到安全區(qū)域。因此軟件分析結(jié)果說明宋卿體育館在設(shè)定的火災場景發(fā)生時待疏散人員相對比較安全，可以在允許時間內(nèi)疏散到安全地帶，體育館的消防和疏散措施基本滿足要求。但是中部的籃球場頂部檐口和山墻兩側(cè)的排煙窗位置較高，需要采取特定的消防聯(lián)動裝置以保證在火災來臨時能夠開啟，否則需要機械排煙設(shè)施以保證火災發(fā)生時煙氣能夠排出。

4.2 基于BIM的歷史建筑圍護結(jié)構(gòu)性能提升應用

歷史建筑保護除了消防要求，通常還需進行圍護結(jié)構(gòu)性能的提升。因為年代久遠，歷史建筑在修繕前往往保溫隔熱性能較差，難以滿足舒適性的要求?；贐IM的歷史建筑圍護結(jié)構(gòu)性能分析，可利用建好的BIM模型直接導入到斯維爾分析計算軟件中，進行圍護結(jié)構(gòu)的分析計算。但本工程中軟件分析時還需注意以下兩點：

第一是由于軟件數(shù)據(jù)庫的局限性，在軟件中本工程木門窗的傳熱系數(shù)需要根據(jù)工程具體情況來計算。門窗的傳熱系數(shù)K值簡單計算約為：K=木門（窗）框傳熱系數(shù)×木框占比+玻璃傳熱系數(shù)×玻璃占比[12]。在宋卿體育館中，門的木框占比約為60%，窗的木框占比約為35%。木窗框的傳熱系數(shù)數(shù)值大部分在3.5～1.1（W/m2·K）之間[13]，中間值可取1.8 W/m2·K計算；常用玻璃的傳熱系數(shù) 6+12A+6mm中空白玻為2.8（W/m2·K），Low-E6白膜G膜+12A+6mm中空白玻為1.9（W/m2·K）[14]，可見選用不同玻璃對門窗傳熱系數(shù)影響較大。

第二為外墻保溫方案的確定。如果采用內(nèi)保溫需要用A級保溫材料，而A級諸多保溫材料應用在室內(nèi)有些弊端和限制，例如巖棉板在施工時會對工人的健康造成一定的影響，無機保溫砂漿則在地方規(guī)定中只限熱橋部位使用。如果采用外保溫，則會對建筑立面產(chǎn)生影響，易導致外墻的突出線腳部位與原有的建筑不一致，難以實現(xiàn)整舊如舊。因此考慮本工程外墻比普通外墻較厚約為250～400mm之間，可以充分應用軟件的權(quán)衡功能，利用墻體自保溫，同時選擇傳熱系數(shù)小的玻璃，達到總體保溫隔熱性能提升的效果。

4.3 基于BIM的歷史建筑結(jié)構(gòu)加固應用

在宋卿體育館中，比較特殊的形式是它的屋頂結(jié)構(gòu)，采用獨特的三鉸拱結(jié)構(gòu)?[15]。在宋卿體育館的平時使用以及修繕時，觀測結(jié)構(gòu)的變形情況，考慮結(jié)構(gòu)使用壽命至關(guān)重要。

在保護修繕工程開始之前，首先需要進行現(xiàn)場測繪，需要對體育館的建筑損傷情況、房屋沉降情況、結(jié)構(gòu)變形情況進行測量。通過BIM模型把測量信息載入，可以實現(xiàn)對建筑物修繕前后結(jié)構(gòu)情況的全面把握。如果結(jié)合3D掃描儀掃描，則可以識別結(jié)構(gòu)變形及開裂損傷等情況。

在保護修繕的加固方案設(shè)計時，根據(jù)已經(jīng)建立的BIM模型，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的狀態(tài)和信息數(shù)據(jù)進行提取，并對歷史建筑修繕前后的結(jié)構(gòu)受力情況進行對比，有助于提前判斷出現(xiàn)未知的情況，優(yōu)化設(shè)計方案。而對于宋卿體育館這種特殊的屋面結(jié)構(gòu)形式，Revit中的結(jié)構(gòu)計算功能比較有限，但它可以與Autodesk Robot Structural Analysis、盈建科等結(jié)構(gòu)分析計算軟件互通，進行結(jié)構(gòu)模型導入轉(zhuǎn)換和分析計算。在加固的結(jié)構(gòu)模型建立過程中，結(jié)構(gòu)專業(yè)和其他專業(yè)可以同時在Revit平臺上展開設(shè)計，在設(shè)計后期還可以進行碰撞檢查[16]。

在后期運營管理中，基于BIM模型的安全管理系統(tǒng)軟件可對結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測，并把數(shù)據(jù)收集存儲到模型中，也可結(jié)合安全管理軟件，形成具有養(yǎng)護計劃提醒、異常情況預警、輔助決策等特定功能應用的模塊，實現(xiàn)后期的智能化管理運營技術(shù)。

結(jié)語

宋卿體育館是武漢大學早期建筑群中的唯一一棟體育建筑，一直到今天都在被全校師生廣泛使用。BIM技術(shù)的引入對于保護宋卿體育館將提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，可以實現(xiàn)長期的動態(tài)管理。本研究將歷史建筑保護和BIM結(jié)合起來，通過BIM建模將防火性能化分析運用到歷史建筑保護中，證實了BIM模型和火災模擬的第三方軟件的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)在歷史建筑保護原真性的原則下確保消防安全，對今后歷史建筑保護修繕工程中與消防要求沖突時的解決方案有一定指導和借鑒意義。同時，本研究將BIM模型運用到保溫隔熱計算軟件中，針對軟件材料數(shù)據(jù)庫不全的現(xiàn)狀以及結(jié)合工程具體的外墻保溫方案提出了解決辦法，為歷史建筑的圍護結(jié)構(gòu)性能提升方案設(shè)計提供一定參考。另外，本研究將BIM應用到歷史建筑加固設(shè)計中，提供了BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)加固方面貫穿全過程的應用方案，為實現(xiàn)歷史建筑遺產(chǎn)的可持續(xù)保護提供了技術(shù)上的支持。

資料來源：

文中圖表均為作者繪制、拍攝。

注釋

①武漢大學早期建筑群主要是指20世紀30年代初，武漢大學在珞珈山建造的英式老建筑，共有十五處26棟，2001年6月國家批準其為第五批全國重點文物保護單位。

② 建造于1935年，是由黎紹基和黎紹業(yè)（中華民國大總統(tǒng)黎元洪之子）將籌建江漢大學的基金十萬大洋（中興煤礦股票）轉(zhuǎn)捐給武漢大學而建造。為紀念黎元洪，以黎元洪的字宋卿命名為宋卿體育館。

③巴洛克建筑是指17到18世紀在意大利文藝復興時期建筑的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種建筑及裝飾風格，多用曲線、曲面和弧線。宋卿體育館的山墻采用大量弧線，充滿立體感和流動感。

④ 縱向的、向前后伸出并翹起的短木。清稱翹，宋稱華、抄 。

⑤ 斜插的部件，主要用于屋檐的出挑。

⑥ 位于兩層 之間，用于承托上層的枋或者 的斗形的木塊。

⑦ 整組斗 最底下的一個構(gòu)件。亦稱大斗，宋代以前稱櫨斗。

⑧ 斗口兩側(cè)往上突起的部分。

⑨ 斗口下方平的部分。清稱斗腰。

⑩ 坐斗的下部往內(nèi)傾斜的部分。清稱斗底。

? 斗 中櫨斗上方與闌額平行的 。宋稱泥道，清稱正心瓜 。

? 火災場景是對一次火災的整個發(fā)展過程的一種定性描述，它反映了該次火災特征并區(qū)別于其他火災的關(guān)鍵事件。

? 火災場景的確定應根據(jù)最不利原則，選擇火災風險較大的火災場景進行火災分析。

? 三鉸拱(three-hinged arch)是一種拱結(jié)構(gòu)，屬于靜定結(jié)構(gòu)。通常是指桿件的軸線為曲線,施加豎向荷載支座產(chǎn)生水平反力的結(jié)構(gòu)。