基于BIM技術(shù)的文物建筑保護信息化研究

王 鶴，吉 航

(沈陽建筑大學(xué)設(shè)計藝術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

中國作為擁有五千年歷史的文明古國，在歲月的變遷中保留了大量藝術(shù)造型、建筑形式、構(gòu)造手法各異的文物建筑。這些文物建筑記載了中國政治、經(jīng)濟、文化、民族的發(fā)展過程，是寶貴的不可再生資源，也是國家歷史的實證。但由于歷史久遠，相當(dāng)一部分文物建筑在傳承過程中未能得到良好存續(xù)，留存狀態(tài)差，修繕工作難以開展。隨著城市建設(shè)迅速發(fā)展、科技能力不斷提升，文物建筑保護已引起越來越多的關(guān)注。隨著建筑行業(yè)的發(fā)展、BIM技術(shù)的引入，文物建筑保護工作已經(jīng)進入現(xiàn)代化、信息化的新時代。

一、文物建筑保護工作現(xiàn)狀

1.文物建筑現(xiàn)狀

文物建筑是歷朝歷代勞動人民智慧的結(jié)晶，有重要的社會歷史價值、文化藝術(shù)價值，研究文物建筑不僅是研究其本身，也是研究這一建筑的建造時期及歷史背景。中國文物建筑雖因使用功能、社會階級或地理區(qū)位、文化交融、朝代更替的影響而導(dǎo)致其外形各不相同，但均以木結(jié)構(gòu)梁架為核心構(gòu)造支撐建筑物的重量，再以磚、瓦、石等為裝飾，拼接組裝而成[1]，且始終遵循一定的建筑比例。例如，馬炳堅的《中國古建筑木作營造技術(shù)》描述了古建筑中亭子構(gòu)件的尺寸權(quán)衡情況，筆者摘選其中椽、檐一類進行概述(見表1)。

表1 亭子構(gòu)件權(quán)衡

目前，中國留存量最大的是明、清時期的古建筑，文物建筑修繕工作也多圍繞這一時期的建筑展開。這一階段，中國古建筑制式走向成熟，有《清式營造則例》《中國古建筑木作營造技術(shù)》《營造法式》等關(guān)于建筑形式與構(gòu)件的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕ㄖ?gòu)建信息存檔。故對明、清文物建筑進行修繕時，多先以實地測繪為基礎(chǔ)，依主體建筑的形制選取與其對應(yīng)的營造則例，并依據(jù)相關(guān)建筑制式的建造規(guī)定對測繪得到的建筑遺址的構(gòu)件形制、尺寸等數(shù)據(jù)進行復(fù)核，再根據(jù)古建筑的原有外形采用相似度較高的材料對建筑外部進行修繕?！肚迨綘I造則例》中關(guān)于大木小式梁的做法如表2所示。

表2 《清式營造則例》中大木小式梁的做法

2.文物建筑保護工作的傳統(tǒng)形式

以營造法式為基礎(chǔ)進行的法式測繪是文物建筑保護工作中最傳統(tǒng)的測繪手段，對設(shè)計人員的專業(yè)知識及工作經(jīng)驗有很高的要求。進行法式測繪時，要根據(jù)文物建筑的造型特點、建造工藝及歷史背景查閱相關(guān)文獻資料及留存的圖紙，了解建筑的基本形制信息，對建筑進行有針對性、有目的的測繪。

傳統(tǒng)的文物建筑保護工作的現(xiàn)場工作內(nèi)容與結(jié)果是反映在測繪草圖上的?？睖y人員依據(jù)實地測量的數(shù)據(jù)繪制文物建筑的平、立、剖面圖，節(jié)點、細部圖等詳細圖樣，并在圖樣上標(biāo)注建筑的基本情況、材料尺寸等信息，以描述建筑的整體布局及各部件構(gòu)造；對部分損壞嚴(yán)重、無法憑現(xiàn)況進行測繪分析的文物建筑遺址，則要以現(xiàn)實數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，依據(jù)記載資料及真實的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)推算，盡可能地復(fù)原受損建筑的原貌。

這種偏重于人工測繪及經(jīng)驗估算的工作方法是順利開展相關(guān)工作的重要基礎(chǔ)，但以此測得的數(shù)據(jù)結(jié)果不夠精準(zhǔn)，易對建筑物造成二次人為傷害，影響工作的質(zhì)量和進度。

3.現(xiàn)代文物建筑保護工作情況

得益于建筑信息技術(shù)的發(fā)展，從事現(xiàn)代文物建筑保護工作的設(shè)計人員可以通過AutoCAD等計算機軟件將測得的數(shù)據(jù)及草圖繪制成統(tǒng)一規(guī)范的建筑圖紙，并將相關(guān)信息以電子文件的方式進行存檔管理。

在文物建筑保護信息化的初期階段，保護工作主要通過遠距離攝像對建筑進行實地測量，依據(jù)所得數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，為文物建筑的設(shè)計工作提供信息支撐?，F(xiàn)如今，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)等現(xiàn)代技術(shù)不斷興起，對建筑業(yè)的行業(yè)革新起到了一定的作用[2]。

文物建筑保護工作信息化是中國文物建筑相關(guān)保護、開發(fā)工作的創(chuàng)新之舉，具有重要意義。在文物建筑保護工作信息化過程中，設(shè)計人員根據(jù)文物建筑的結(jié)構(gòu)、材料數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)文獻的數(shù)據(jù)記載，運用BIM技術(shù)對文物建筑進行完整、精準(zhǔn)的模擬修復(fù)，并依托現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)電子媒介將其永久保存，豐富了文物建筑信息庫，為文物建筑保護工作提供了更多的實體案例及理論依據(jù)。

二、BIM技術(shù)對文物建筑保護的作用

1.BIM技術(shù)在保護工作中的應(yīng)用

由于中國古建筑材料與構(gòu)造的特殊性，文物建筑保護工作中要依靠工作人員對建筑的屋面、木構(gòu)件、墻體、石構(gòu)件、瓦作等建筑部件進行人工的考察分析，再根據(jù)實體測量及相關(guān)資料制定修繕計劃。因此，在無相關(guān)資料考究的情況下，傳統(tǒng)工作手段難以精準(zhǔn)收集受損嚴(yán)重的建筑數(shù)據(jù)。而大量依靠估算得來的數(shù)值會嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，依此數(shù)據(jù)分析復(fù)原的建筑構(gòu)件會產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致設(shè)計的相鄰部件無法準(zhǔn)確搭接，加大了工作難度。

而BIM、紅外線測量、三維掃描、遙感、數(shù)字建模等現(xiàn)代技術(shù)可以對建筑的構(gòu)件組成形式、工藝做法等相關(guān)建筑信息直接進行采集，匯總成綜合的信息平臺，再用數(shù)字化的方式將數(shù)據(jù)資料從二維的平面表格、圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M的三維信息模型。通過這種方式，設(shè)計人員可以直觀地了解建筑的營造方式、工藝做法和部件材料等建筑本身的形制信息(見圖1)，大大提升了文物建筑保護前期設(shè)計中測繪階段的工作效率和準(zhǔn)確性。

圖1 運用BIM軟件搭建的文物建筑信息化模型

2.BIM技術(shù)在保護工作中的優(yōu)勢

BIM這一三維數(shù)據(jù)模型技術(shù)可以將文物建筑的復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)通過三維模型組件的形式展現(xiàn)出來，完整地表達文物建筑保護工作全過程中搜集到的所有相關(guān)建筑數(shù)據(jù)，并依此對復(fù)雜及修繕難度大的構(gòu)件進行重點分析，精準(zhǔn)確定建筑中每個構(gòu)件的材料尺度，再現(xiàn)文物建筑的建造過程。筆者針對沈陽故宮仰熙齋的建筑構(gòu)造構(gòu)建了BIM信息模型，直觀地展示了建筑的梁柱、椽板等結(jié)構(gòu)部件的尺寸比例及搭建方式(見圖2)。

圖2 仰熙齋的建筑結(jié)構(gòu)建模

文物建筑保護工作研究越深入，就越需要大量實際數(shù)據(jù)作為參考，以反映相同條件下文物建筑的共性特點。無論使用何種技術(shù)手段開展文物建筑保護工作，都需要按照建筑本身的營造信息構(gòu)建相應(yīng)的知識體系，充分了解其本身的形制、歷史、建筑材料、構(gòu)造等與之相關(guān)聯(lián)的信息。文物建筑保護工作中獲取的信息量越大，BIM技術(shù)發(fā)揮的作用越大。

三、文物建筑保護信息化的系統(tǒng)方法

1.BIM技術(shù)的平臺選擇

BIM技術(shù)在現(xiàn)代建筑(包括文物建筑)保護工作的設(shè)計施工階段與科學(xué)研究階段都有廣闊的應(yīng)用前景。開發(fā)BIM技術(shù)，將其充分運用于文物建筑保護的工作和研究，對整個文物建筑領(lǐng)域有著重要意義。這一階段，除了要弄清傳統(tǒng)文物建筑保護工作的弊端與可改進的地方之外，還要充分了解BIM技術(shù)本身的特性[3]。

目前，搭載了BIM技術(shù)的軟件主要有Revit、Bentley、ArchiCAD、Navisworks、Rhino等，每種軟件開發(fā)的側(cè)重點各不相同，各有能更凸顯自身優(yōu)勢、更適配的應(yīng)用領(lǐng)域(見表3)，要依據(jù)項目需求合理選擇與工作內(nèi)容相對應(yīng)的BIM軟件。

表3 各BIM軟件平臺的優(yōu)勢

在眾多BIM設(shè)計軟件中，Rhino及Autodesk公司的Revit是最常用的，這兩大軟件為BIM建模提供了可視的參數(shù)化編程渠道，設(shè)計人員可以在Rhino及Revit提供的圖形界面內(nèi)自定義創(chuàng)建信息模組，并在此類模組內(nèi)，通過更改模組的相關(guān)信息對其內(nèi)的全部模型進行整體調(diào)整[4]。

與其他BIM軟件平臺相比，Rhino及Revit軟件有更高效的參數(shù)化設(shè)計及建筑信息整合功能，可以在參數(shù)化的基礎(chǔ)上為文物建筑的部件建立三維信息模型，并依據(jù)部件信息對模型進行分類、編碼，建立文物建筑參數(shù)化三維構(gòu)件庫；同時，通過更改構(gòu)件庫中模型的某一信息，可以自動完成對模型整體的更改，使文物建筑保護工作設(shè)計階段的數(shù)字化成為可能。

2.文物建筑保護信息化的關(guān)鍵技術(shù)

常規(guī)情況下，BIM系列軟件是為現(xiàn)代建筑行業(yè)服務(wù)的，項目設(shè)計人員可以通過BIM軟件自身提供的常規(guī)建筑部件樣板模型直接構(gòu)造出建筑的大體結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)代建筑的標(biāo)準(zhǔn)三維屬性不同，文物建筑大多是在法式營造規(guī)則下建造的以木結(jié)構(gòu)為主體的建筑，木構(gòu)部件之間是以榫卯結(jié)構(gòu)作為連接點相互關(guān)聯(lián)的(見圖3)，各個相鄰部件的尺寸互相影響，確定一個部件的尺寸后，整個建筑所有部件的尺寸與建筑的概貌也就被確定了[5]。故要在文物建筑保護工作中建立建筑信息化模型，只能通過創(chuàng)立非常規(guī)的樣板，切實地將文物建筑的建筑構(gòu)造信息準(zhǔn)確地表達出來。因此，建立可批量管理的文物建筑構(gòu)件的參數(shù)化模型是關(guān)鍵，這種參數(shù)化模型群組被稱為“族”。建筑模型內(nèi)的“族”群組如圖4所示，不同“族”群組間標(biāo)記不同顏色以進行區(qū)分。

圖3 古建筑構(gòu)件的榫卯榫接關(guān)聯(lián)

圖4 建筑模型內(nèi)的“族”群組

建立文物建筑構(gòu)造部件的“族”，首先要從參數(shù)設(shè)置入手，參數(shù)的設(shè)置是使“族”樣板模型被充分利用的前提。建立文物建筑的信息模型時，要按建筑構(gòu)件的名稱、結(jié)構(gòu)、連接形式、細部節(jié)點等分類信息建立參數(shù)框架，填入相關(guān)的數(shù)據(jù)，根據(jù)其對主體的影響程度分為族參數(shù)、主體參數(shù)與可變參數(shù)共3類[6]。這3類參數(shù)中，族參數(shù)決定“族”模型的基礎(chǔ)信息，主體參數(shù)規(guī)定“族”模型的通用信息，可變參數(shù)影響“族”模型的變量信息(見圖5)。

圖5 各參數(shù)間的制約關(guān)系

族參數(shù)、主體參數(shù)及可變參數(shù)之間相互制約，這個制約關(guān)系中，更改主體參數(shù)可以一鍵變更整個“族”群的整體(如梁的長、寬、高數(shù)值)，更改可變參數(shù)可以變更單個或部分“族”的細部(如斗口、榫卯的尺寸數(shù)值)，從而建立“牽一發(fā)而動全身”的可更新的參變驅(qū)動模型，實現(xiàn)“族”樣板模型的更新與復(fù)用。

3.文物建筑保護工作信息化的實現(xiàn)過程

實現(xiàn)保護工作信息化，主要依靠以“族”模型為基本樣板構(gòu)成的BIM模型庫，此過程主要分為實體模型繪制、建筑信息添加兩個步驟。

Revit系列軟件的實體模型繪制過程與傳統(tǒng)建模軟件相同，均用平臺提供的放樣、變形等操作命令完成三維模型的外觀構(gòu)建，不同的是，構(gòu)建以BIM為基準(zhǔn)的“族”模型的每一步都是通過信息參數(shù)表達的。建立以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的建筑信息模型的過程就是將建筑的參數(shù)信息賦予模型實體的過程。

將BIM技術(shù)應(yīng)用于保護工作時，由于現(xiàn)實的文物建筑的留存狀態(tài)不同，建筑構(gòu)件會有不同程度的歪閃、破損，無法和BIM模型完全重合。這種情況下，如果完全依照建模結(jié)果進行修繕工作，很容易出現(xiàn)建筑部件之間無法結(jié)合的情況。故在模型建立的最后階段，需要依據(jù)真實現(xiàn)場對模型進行驗證，審查模型的外觀是否準(zhǔn)確、木結(jié)構(gòu)相互連接的榫卯構(gòu)件是否吻合、建筑部件造型特征是否標(biāo)準(zhǔn)，并用BIM模型反推真實建筑的構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)真實建筑存在的問題(如因二次保護造成的誤修)，依此對模型進行調(diào)整[7]。

同時，在完成文物建筑的整體建模工作后，也要對“族”樣板模型的參變性進行充分檢驗，檢測在同一“族”群組內(nèi)的模型能否通過修改“族”的主體參數(shù)批量修改其他“族”內(nèi)模型的參數(shù)，能否通過修改“族”群組內(nèi)的可變參數(shù)修改“族”內(nèi)部分模型的細部參數(shù)，使模型輸出的結(jié)果始終處于參數(shù)約束關(guān)系范圍。

四、BIM技術(shù)的應(yīng)用策略

1.信息共享是原則

BIM技術(shù)雖有著建筑信息化、參數(shù)化建模的特性，但本質(zhì)上依然是一種設(shè)計軟件，在現(xiàn)實中應(yīng)遵循一定的原則才能真正提高信息化建模的實際應(yīng)用效果，更好地解決當(dāng)下文物建筑保護工作面對的問題。

BIM技術(shù)是信息化的技術(shù)，BIM平臺的一切開發(fā)是都圍繞信息展開的，因此，信息共享是BIM技術(shù)現(xiàn)實應(yīng)用的首要原則。運用BIM技術(shù)建立的文物建筑的信息數(shù)據(jù)庫有強大的共享性，以這類信息庫為基礎(chǔ)建立的信息共享平臺能夠?qū)崿F(xiàn)線上的數(shù)據(jù)修改、更新、導(dǎo)入和整合，并可依據(jù)作業(yè)工種對文物建筑保護工作的不同項目人員分類開放權(quán)限，使其依次獲取相應(yīng)的信息資料。通過這種方式，可協(xié)調(diào)管理設(shè)計、施工、材料供貨商、監(jiān)理等不同職能的人員，綜合調(diào)度項目資源，進而加強不同業(yè)務(wù)人員之間的聯(lián)系，使文物建筑保護工作全過程與建筑信息化結(jié)合得更緊密，為文物建筑現(xiàn)代化保護工作與研究提供更穩(wěn)定的平臺[8]。

2.信息標(biāo)準(zhǔn)化是重要環(huán)節(jié)

針對文物建筑部件信息的標(biāo)準(zhǔn)化表達是構(gòu)件建筑信息庫最重要的環(huán)節(jié)。中國文物建筑制式比較標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建文物建筑的信息化模型時，應(yīng)采取臺明、梁架、裝飾、墻壁等規(guī)定“族”的大類范圍(見圖6)。

圖6 墻壁的部件模組分類范圍

在模型組內(nèi)，相同的部件樣板模型應(yīng)有統(tǒng)一的名稱，以保持該類型部件的唯一性；不同的部件樣板模型應(yīng)使用統(tǒng)一的參數(shù)化編碼原則，規(guī)定信息化模型的名稱、框架及編碼，方便設(shè)計人員掌握模型信息，對模型組件進行整體的修改與更新[9]。

3.信息管理是關(guān)鍵

大量數(shù)據(jù)信息的整合是BIM技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵。BIM平臺下構(gòu)件的信息模型可根據(jù)不同需求建立平行的信息塊，分層建立信息圖層，按構(gòu)件、材料等相關(guān)信息分類建立部件模組，以便后期一鍵選定、管理指定的部件(見圖7)，以此，設(shè)計研究人員可以更有效率地管理建筑信息模型。

圖7 一鍵選取指定構(gòu)件

BIM技術(shù)為建筑工作本身提供了信息共享、信息標(biāo)準(zhǔn)化、信息管理等多重技術(shù)平臺及數(shù)據(jù)理論支持。若文物建筑保護工作遇到技術(shù)難題，可以運用BIM技術(shù)進行攻關(guān)，如BIM技術(shù)有疏漏，則可以通過現(xiàn)場勘測與傳統(tǒng)測繪手段進行修正。不斷更新與完善這個平臺，是實現(xiàn)文物建筑保護工作現(xiàn)代化、信息化的必要舉措[10]。

五、結(jié) 語

信息技術(shù)的發(fā)展使建筑業(yè)對主體建筑的詮釋方法從二維平面向三維可視化過渡，這一進程中，運用BIM技術(shù)建立的建筑信息模型被廣泛應(yīng)用，文物建筑保護工作及理論研究在其影響下具有了綜合性、跨學(xué)科特征。隨著文物建筑信息化研究的深入，BIM技術(shù)在文物建筑保護工作中的適用性得到了提升，為文物建筑保護工作提供了綜合的、跨學(xué)科的理論研究新方向。

因中國古建筑營造方式復(fù)雜，建筑造型多樣，如何用信息化的方式表達形態(tài)各異的文物建筑是一個不斷探索的過程。在這個過程中，要以傳統(tǒng)的文物建筑保護工作手段為主要工作方法，以BIM技術(shù)作為輔助，充分結(jié)合多學(xué)科的專業(yè)知識，從根本上規(guī)范文物建筑信息化的標(biāo)準(zhǔn)性、科學(xué)性，為文物建筑保護工作提供實際的信息資料及理論支持，豐富保護工作的工作手段并提高其技術(shù)水平。