基于BIM 技術(shù)的民族建筑構(gòu)件參數(shù)化演變研究

何春泓，程 帥，黃輝堅(jiān)，楊 柳，蔡 軍

（賀州學(xué)院，廣西 賀州 542899）

實(shí)景三維建設(shè)中的實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù)[1]要求收集建筑物的部件級(jí)構(gòu)件BIM 三維模型，在傳統(tǒng)村落地區(qū)分布了大量的民族建筑，民族建筑在進(jìn)行部件級(jí)構(gòu)件BIM 三維模型的建模過(guò)程中存在著兩個(gè)難點(diǎn)：其一，民族建筑構(gòu)件外觀奇特連接部位復(fù)雜導(dǎo)致建模難度大；其二，民族建筑構(gòu)件種類(lèi)繁多、尺寸不一致導(dǎo)致模型入庫(kù)數(shù)量龐大。研究人員已通過(guò)參數(shù)化建模法的方法解決民族建筑部件級(jí)BIM 模型尺寸不一致導(dǎo)致BIM 模型數(shù)據(jù)庫(kù)入庫(kù)數(shù)量龐大的問(wèn)題[2-4]，然而，在民族建筑構(gòu)件種類(lèi)繁多導(dǎo)致BIM 模型種類(lèi)繁多的問(wèn)題等方面的研究較少。民族建筑構(gòu)件種類(lèi)包括斗栱、昂、翹、升等數(shù)十種，而各個(gè)構(gòu)件隨著時(shí)間推移也產(chǎn)生了多種外觀不一的構(gòu)件類(lèi)型，為解決這一實(shí)際BIM 技術(shù)建模[5-6]問(wèn)題，探究建筑構(gòu)件之間的異同點(diǎn)，研究其差異點(diǎn)之間的演變規(guī)律，并利用BIM 技術(shù)軟件解決不同構(gòu)件間參數(shù)化演變的問(wèn)題。

為研究民族建筑典型構(gòu)件參數(shù)化演變的建模流程和方法，以民族建筑典型常見(jiàn)構(gòu)件中的斗栱和升為例，借助BIM 技術(shù)建模Revit 軟件對(duì)民族建筑構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化演變建模研究，從而探索出一條適合民族建筑構(gòu)件參數(shù)化演變的分析流程和建模方法，為民族建筑BIM 模型進(jìn)行實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)的入庫(kù)工作提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐借鑒意義。

1 研究對(duì)象

在民族建筑斗拱系統(tǒng)中的“斗”與“升”具有較大的相同特征，在研究民族建筑構(gòu)件參數(shù)化演變過(guò)程中選取這兩者作為研究對(duì)象進(jìn)行BIM 技術(shù)建模。斗栱主要承擔(dān)著支撐構(gòu)件栱昂和栱翹等方形木構(gòu)件的作用。因“斗”具備著承擔(dān)建筑頂部結(jié)構(gòu)的作用，所以“斗”主要存在于古建筑和民族建筑等建筑物的柱與屋頂間的過(guò)渡部分，其主要目的在于將建筑物屋頂重量直接傳輸至建筑柱構(gòu)件上，直至傳輸至建筑基礎(chǔ)上，斗的構(gòu)件類(lèi)型中的“十八斗”構(gòu)件如圖1 所示?！吧蔽挥跂韮啥松希吧钡耐鈧?cè)兩側(cè)有槽，并且固定在栱的墊板上，早期在斗栱系統(tǒng)中沒(méi)有“升”構(gòu)件，在明清時(shí)期，斗栱系統(tǒng)為防止鳥(niǎo)蟲(chóng)等進(jìn)入建筑物內(nèi)部，采用“升”與栱墊板進(jìn)行密封，升的構(gòu)件類(lèi)型中的“三才升”構(gòu)件如圖2 所示。兩者構(gòu)件的差異點(diǎn)在于“十八斗”構(gòu)件的腹板存在一段凹槽，而“三才升”構(gòu)件的腹板是完整沒(méi)有凹槽的存在。為此，在參數(shù)化建模過(guò)程中需要考慮其特點(diǎn)，對(duì)兩者構(gòu)件進(jìn)行歸一化處理，即在一個(gè)模型中通過(guò)改變模型部分參數(shù)可實(shí)現(xiàn)將“三才升”構(gòu)件向“十八斗”構(gòu)件轉(zhuǎn)變的目的，從而完成民族建筑構(gòu)件之間的參數(shù)化演變。

圖1 民族建筑“十八斗”構(gòu)件

圖2 民族建筑“三才升”構(gòu)件

2 模型建立

2.1 難點(diǎn)說(shuō)明

每一類(lèi)建筑構(gòu)件甚至機(jī)械構(gòu)件都有其難點(diǎn)和特點(diǎn)[7-9]，在建模時(shí)需要根據(jù)目標(biāo)模型的結(jié)構(gòu)以及Revit 軟件的建模特點(diǎn)去分析是否能達(dá)到最終效果，或者對(duì)此目標(biāo)模型的設(shè)計(jì)所呈現(xiàn)的信息是否可用。

此次“十八斗”建模演變過(guò)程難點(diǎn)在于對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化建模過(guò)程中，由于軟件自身原因，空心融合槽口部分尺寸不能參數(shù)調(diào)整為零，即使用空心融合辦法無(wú)法幫助“十八斗”參數(shù)演變?yōu)椤叭派薄Ｋ越５拇蟾欧较蚴菍?gòu)件模型分成上（包耳）、中（墊栱板）、下（斗底）三部分進(jìn)行建模，再對(duì)墊栱板及斗底進(jìn)行分塊，按塊狀去疊合“十八斗”的模型形狀，整個(gè)建模難點(diǎn)在于，民族建筑“三才升”構(gòu)件如何實(shí)現(xiàn)將其腹板進(jìn)行凹槽設(shè)計(jì)，從而轉(zhuǎn)變成“十八斗”構(gòu)件。

2.2 參數(shù)化演變過(guò)程

經(jīng)過(guò)對(duì)比“十八斗”和“三才升”構(gòu)件，兩者的差異點(diǎn)在于腹板位置是否有凹槽，為此從Revit 軟件建模的角度將“十八斗”構(gòu)件進(jìn)行模型劃分，民族建筑“十八斗”構(gòu)件劃分結(jié)果如圖3 所示，在建模結(jié)束后需要將其轉(zhuǎn)變成“三才升”模型只需要改變腹板處中間位置的體塊長(zhǎng)度，使其能夠剛好填充腹板凹槽部分。

圖3 民族建筑“十八斗”構(gòu)件劃分體塊結(jié)果圖

民族建筑“十八斗”構(gòu)件的各個(gè)體塊建模步驟如下。

步驟1：對(duì)“十八斗”分三層兩半去創(chuàng)作，由下往上，即以實(shí)心融合辦法，繪出底部700 mm×900 mm 融合頂部900 mm×1100 mm 的400 mm 高的斗底。并用對(duì)稱(chēng)指令得到模型的大斗底體塊。

步驟2：墊栱板也按兩個(gè)體塊創(chuàng)作，以融合方法繪制一個(gè)底部200 mm×1300 mm 融合頂部200 mm×1400 mm 的200 mm 高墊栱板于中，一個(gè)底部700 mm×1300 mm 融合頂部700 mm×1400 mm 的200 mm 高墊栱板于邊，使用對(duì)稱(chēng)指令兩變四體塊得到大墊栱板。

步驟3：包耳，即用拉伸形狀繪出900 mm×200 mm×200 mm 的兩個(gè)矩形體塊，用對(duì)稱(chēng)指令得到全部包耳模塊。完成的建模結(jié)果尺寸標(biāo)注圖如圖4 所示。

步驟4：根據(jù)前面分析的問(wèn)題進(jìn)行解決，把需要參數(shù)變化的模塊分兩個(gè)體塊，首先用融合方法給斗底與墊栱板上下交接不規(guī)則處創(chuàng)繪體塊以限制參數(shù)改變模型方向。最后以原有圖紙尺寸基礎(chǔ)上拉伸繪出槽口邊體塊的形狀。給最后兩體塊使用對(duì)稱(chēng)指令則得到一個(gè)完整的“十八斗”模型。測(cè)量尺寸設(shè)定參數(shù)信息。最后在模型底部完成圓柱體的空心部位開(kāi)槽，用于與底部的柱體連接。

步驟5：為能夠?qū)崿F(xiàn)將“十八斗”模型進(jìn)行參數(shù)化變化，按照民族建筑構(gòu)件大小的實(shí)際情況，進(jìn)行整體變化模型尺寸大小，即需要對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化處理。根據(jù)“十八斗”模型各個(gè)體塊的外觀尺寸的相關(guān)信息，建立模型外觀尺寸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將其中體塊的部分尺寸設(shè)置為自變量，其余尺寸設(shè)置為因變量。如需要對(duì)圖4 模型尺寸進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，可將A1、C1 尺寸值作為自變量，其余尺寸值作為因變量。

圖4 民族建筑“十八斗”構(gòu)件正面尺寸詳圖（單位：mm）

圖5 民族建筑“三才升”構(gòu)件正面尺寸詳圖（單位：mm）

3 結(jié)論

本文研究了民族建筑構(gòu)件“斗”和“升”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)外觀進(jìn)行異同點(diǎn)的總結(jié)，并探索出一條適合民族建筑構(gòu)件參數(shù)化建模演變的建模思路和建模方法。以民族建筑構(gòu)件“十八斗”到“三才升”的演變?yōu)槔?，利用BIM 技術(shù)中的參數(shù)建模方法，可將同類(lèi)的建筑構(gòu)件通過(guò)它們相同的特征結(jié)合起來(lái)，經(jīng)過(guò)這樣的加工如果是同類(lèi)型的建筑構(gòu)件就可以只用一個(gè)模型表示出兩個(gè)或多個(gè)模型，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)快速建模的目的和減小“族”存儲(chǔ)空間。本文提出的建模思路和建模方法有益于提高實(shí)景三維中國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的BIM 模型內(nèi)容填充效率[10]。