BIM技術(shù)在徽州古建筑保護(hù)與修繕中的應(yīng)用研究

李程蓓，張 永

(安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥 230000)

0 前 言

中華文化源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，中國(guó)古建筑對(duì)于中華民族甚至全世界都具有極高的文化價(jià)值。在中國(guó)眾多的建筑風(fēng)格中，徽派建筑以其別具一格的樣式脫穎而出。然而，隨著時(shí)間的推移和歷史的變遷，大量的徽派建筑都不同程度地受到了自然侵蝕和人為破壞，徽州古建筑的保護(hù)形勢(shì)十分嚴(yán)峻。而使用圖紙、文字、照片、影像等傳統(tǒng)保護(hù)與修繕?lè)椒ㄐ枰罅康娜肆臀锪Γ⑶颐看蔚谋Ｗo(hù)與修繕過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生大量的技術(shù)資料，需要進(jìn)行大量的信息存儲(chǔ)工作。更棘手的是，每項(xiàng)信息之間相互分離，缺乏系統(tǒng)性與聯(lián)動(dòng)性，這使得調(diào)取信息困難，信息易丟失且管理利用難度極大[1]。如何利用新技術(shù)對(duì)徽州古建筑進(jìn)行保護(hù)與修繕，并且保證其歷史和維護(hù)信息的真實(shí)性和完整性[2]，是徽州古建筑保護(hù)與修繕中迫切需要解決的問(wèn)題。

BIM技術(shù)是建筑行業(yè)的新興技術(shù)，即通過(guò)數(shù)字化方式建立一個(gè)完整的建筑信息模型。考慮到徽州古建筑保護(hù)與修繕工作中的諸多弊端，引入BIM技術(shù)可以系統(tǒng)地記錄徽州古建筑全生命周期的信息，將徽州古建筑保護(hù)與修繕工作從傳統(tǒng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化方式[2]，為徽州古建筑的保護(hù)與修繕提供準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)。

1 徽州古建筑保護(hù)與修繕現(xiàn)狀分析

1.1 徽州古建筑知識(shí)信息體系不完善

在徽州古建筑的保護(hù)與修繕中，隨著數(shù)字信息技術(shù)的不斷普及和應(yīng)用以及人們數(shù)字化理念的加強(qiáng)，現(xiàn)在已逐步開(kāi)始采用多功能的數(shù)字信息技術(shù)進(jìn)行古建筑保護(hù)與修繕，并采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、數(shù)字地圖、三維激光掃描測(cè)繪、紅外測(cè)量等方式進(jìn)行測(cè)繪。然而，目前這些數(shù)字信息技術(shù)在徽州古建筑保護(hù)與修繕的實(shí)際應(yīng)用中還存在一定局限性。通過(guò)數(shù)字信息技術(shù)短時(shí)間內(nèi)可以獲取大量徽州古建筑的信息數(shù)據(jù)，而面對(duì)大量的信息，信息整理異常困難。相關(guān)部門(mén)對(duì)這些數(shù)據(jù)的管理會(huì)出現(xiàn)如數(shù)據(jù)損壞、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)錯(cuò)亂等問(wèn)題，而且每項(xiàng)信息之間相互分離，缺乏系統(tǒng)性與聯(lián)動(dòng)性，這使得調(diào)取信息困難且管理利用難度極大。這些問(wèn)題使得建立徽州古建筑模型時(shí)難以保證建筑結(jié)構(gòu)、建筑尺寸、建筑材料工藝等各項(xiàng)信息的完整性、關(guān)聯(lián)性與準(zhǔn)確性。所以目前徽州古建筑的信息存儲(chǔ)僅僅是以簡(jiǎn)單的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于文字、表格、圖紙或其他多媒體中，缺乏對(duì)多維價(jià)值的挖掘，沒(méi)有形成通用的徽州古建筑三維模型的建立方式，不能準(zhǔn)確反映徽州古建筑的材料、空間和結(jié)構(gòu)之間的邏輯關(guān)系，已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)階段對(duì)徽州古建筑保護(hù)與修繕的需求[3]。

1.2 徽州古建筑修繕?lè)椒ú磺‘?dāng)

20世紀(jì)70年代以來(lái)，雖然徽州古建筑的修繕技術(shù)有了很大的提高，但由于修繕知識(shí)與技術(shù)不成熟，所以修繕?biāo)郊捌焚|(zhì)仍較低。

目前，由于徽州古建筑內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)較復(fù)雜，所以對(duì)其的修繕重心依然在建筑的外觀上，而對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)注較少，這使得徽州古建筑修繕后的外觀與內(nèi)部對(duì)比不協(xié)調(diào)。在保護(hù)修繕過(guò)程中，一方面，修繕時(shí)大多采用許多相似的現(xiàn)代材料來(lái)修繕古建筑，最終只保留了古建筑的外貌，而忽視了原有的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。在某些情況下，修繕工程甚至?xí)茐脑泄沤ㄖ慕Y(jié)構(gòu)，危及整個(gè)古建筑的安全。在修繕古建筑的內(nèi)部時(shí)，有些會(huì)采用鋼筋混凝土加固，而有些則是在原有的木質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上用水泥澆筑，并用現(xiàn)代木板進(jìn)行裝飾，使得修繕后給人一種全新徽派“仿古”建筑的感受，完全破壞了原有建筑的特色。另一方面，由于沒(méi)有嚴(yán)格的法律和法規(guī)來(lái)規(guī)范古建筑的保護(hù)與修繕，而且很多古建筑修繕的設(shè)計(jì)人員沒(méi)有熟練掌握相應(yīng)的古建筑知識(shí)，再加上修繕工程通常由承包商進(jìn)行，修繕過(guò)程沒(méi)有得到嚴(yán)格的把控，承包商為了獲取利潤(rùn)，大量使用廉價(jià)的修繕材料，這使得徽州古建筑在保護(hù)與修繕過(guò)程中受到了大量破壞，也造成了徽州文化的損失[3]。

2 BIM技術(shù)在徽州古建筑保護(hù)與修繕中的價(jià)值

2.1 BIM技術(shù)概述

建筑信息模型(Building Information Modeling，簡(jiǎn)稱(chēng)BIM)，是創(chuàng)建建筑項(xiàng)目虛擬三維模型的技術(shù)基礎(chǔ)，利用數(shù)字技術(shù)，建立一個(gè)完整的，反映實(shí)際情況的建筑工程信息庫(kù)。這個(gè)信息庫(kù)不僅包括建筑構(gòu)件的幾何信息、專(zhuān)業(yè)屬性及狀態(tài)信息，而且包含了非構(gòu)件對(duì)象(如空間、運(yùn)動(dòng)行為)的狀態(tài)信息，從建筑的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)到建筑生命周期的結(jié)束，所有的信息都被整合到三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)中[4]。這樣來(lái)自不同崗位的人，如設(shè)計(jì)師、施工人員、運(yùn)營(yíng)部門(mén)、業(yè)主等都可以基于BIM進(jìn)行協(xié)作，實(shí)現(xiàn)信息的共享。

2.2 BIM技術(shù)在徽州古建筑保護(hù)與修繕中的價(jià)值

考慮到徽州古建筑保護(hù)與修繕面臨的諸多挑戰(zhàn)，BIM技術(shù)通過(guò)對(duì)所取得的徽州古建筑的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，使得用模型再現(xiàn)徽州古建筑的真實(shí)成為可能?；罩莨沤ㄖ?shí)物和所有信息數(shù)據(jù)的結(jié)合不僅可以使建筑的尺寸和細(xì)節(jié)可視化，而且可以存儲(chǔ)徽州古建筑整個(gè)生命周期包含的所有數(shù)據(jù)，這有利于基于BIM技術(shù)的徽州古建筑的數(shù)字化保護(hù)，BIM在保護(hù)與修繕徽州古建筑方面的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到充分證明[5]。

2.2.1 提高徽州古建筑保護(hù)與修繕工作效率

BIM平臺(tái)為參與徽州古建筑保護(hù)修繕過(guò)程的各參與方提供了一個(gè)共享模型，并使來(lái)自不同領(lǐng)域的參與者能夠在項(xiàng)目早期階段參與進(jìn)來(lái)，及時(shí)進(jìn)行相互溝通，避免信息隔離，發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目的潛在問(wèn)題，并及時(shí)提出協(xié)調(diào)和解決方案，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科的融合，從而減少因后續(xù)設(shè)計(jì)和施工的變化而帶來(lái)的重復(fù)勞動(dòng)。通過(guò)明確分工，所有參與者可以更加專(zhuān)注于自己的責(zé)任領(lǐng)域，設(shè)計(jì)更好的工作方案，并盡最大努力維護(hù)后期發(fā)展，使徽州古建筑的保護(hù)和修繕工作得到更加協(xié)調(diào)的管理，提高了各專(zhuān)業(yè)的管理效率。此外，BIM模型可以在軟件中進(jìn)行后期模擬試驗(yàn)，以減少錯(cuò)誤和工程預(yù)算，從而提高工作效率[6]。

2.2.2 提高徽州古建筑數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度

徽州古建筑保護(hù)與修繕的每一個(gè)環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，人員、資金、材料和其他調(diào)查數(shù)據(jù)的誤差都會(huì)對(duì)施工進(jìn)度產(chǎn)生重大影響。而B(niǎo)IM技術(shù)使處理各種數(shù)據(jù)信息的效率和精度比傳統(tǒng)的人力勞動(dòng)更高，每個(gè)階段的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)不僅有助于控制成本，而且還能更好地監(jiān)測(cè)和優(yōu)化整個(gè)項(xiàng)目[6]。同時(shí)徽州古建筑的信息數(shù)據(jù)可以?xún)?chǔ)存在模型中，模型和信息可以結(jié)合起來(lái)，為以后的修繕和重建工作提供準(zhǔn)確的尺寸、結(jié)構(gòu)、材料等基本信息。它打破了徽州古建筑信息的封閉和缺失，為徽州古建筑的保護(hù)與修繕提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，為確定最佳的保護(hù)與修繕?lè)椒ㄆ鸬搅丝茖W(xué)的指導(dǎo)作用。

2.2.3 整合徽州古建筑環(huán)境信息

環(huán)境因素對(duì)建筑物的設(shè)計(jì)有很大影響。例如，在氣候寒冷的地區(qū)，建筑師在設(shè)計(jì)建筑時(shí)需要注意建筑對(duì)氣候變化的適應(yīng)性。有了BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)師只要對(duì)建筑的能耗有基本的了解，就可以獲得所需要的數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)計(jì)做出相應(yīng)調(diào)整，從而優(yōu)化整個(gè)設(shè)計(jì)。除氣候因素對(duì)建筑有影響之外，BIM技術(shù)還可以用來(lái)分析其他環(huán)境因素對(duì)建筑的影響，如噪音強(qiáng)度、人流密度、空氣質(zhì)量等。通過(guò)BIM技術(shù)，能夠及時(shí)高效地獲得這些附加信息，可以更好地幫助設(shè)計(jì)師進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化調(diào)整[7]。

徽州古建筑的保護(hù)和修繕與環(huán)境密切相關(guān)，所以保護(hù)與修繕工作必須因地制宜?；罩莨沤ㄖ植挤秶鷱V，氣候、水文、地勢(shì)、人文、歷史等環(huán)境較為復(fù)雜，受環(huán)境因素影響較大。利用BIM技術(shù)，可以有效整合徽州古建筑周?chē)沫h(huán)境信息，根據(jù)環(huán)境的特點(diǎn)選擇最佳的保護(hù)修繕?lè)椒╗8]。

2.2.4 實(shí)現(xiàn)徽州古建筑信息共享

徽州古建筑BIM平臺(tái)的建立，是保護(hù)與修繕工作中不同專(zhuān)業(yè)之間信息共享與交流的基礎(chǔ)。由于徽州古建筑的信息多種多樣，而且沒(méi)有統(tǒng)一的管理標(biāo)準(zhǔn)，研究人員和保護(hù)人員要獲得數(shù)據(jù)和信息并不容易。而徽州古建筑BIM平臺(tái)的建立，為所有參與人員提供了一個(gè)溝通、交流信息的平臺(tái)，為不同領(lǐng)域的人員提供了相關(guān)的研究數(shù)據(jù)，為研究工作提供了便利的渠道。例如，BIM信息模型中的物理信息可以用來(lái)分析結(jié)構(gòu)受力情況，模擬徽州古建筑的抗震情況[6]。同時(shí)，這些信息可以在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上共享，為其他想要了解徽州古建筑詳細(xì)信息的人們提供便利，也為中國(guó)現(xiàn)代文物建筑保護(hù)的信息化和現(xiàn)代化發(fā)展做出貢獻(xiàn)[3]。

3 BIM技術(shù)在徽州古建筑保護(hù)與修繕中的應(yīng)用

3.1 徽州古建筑信息采集

在使用BIM技術(shù)對(duì)徽州古建筑進(jìn)行建模之前，需要收集關(guān)于古建筑的各項(xiàng)參數(shù)信息。關(guān)于徽州古建筑的信息內(nèi)容采集可以分為兩大類(lèi)：空間信息采集和屬性信息采集[9]。

空間信息的采集是指收集有關(guān)徽州古建筑實(shí)體的信息，包括徽州古建筑的形狀、建筑的比例、尺寸、方向、空間布局等[9]。傳統(tǒng)的空間信息采集主要是利用傳統(tǒng)的測(cè)量工具，如尺子、梯子、測(cè)距儀、相機(jī)等。而使用這些傳統(tǒng)測(cè)繪工具，需要由多個(gè)人進(jìn)行協(xié)同工作。用尺子和測(cè)距儀等工具測(cè)量建筑物及其部件，較高的部位還需要使用梯子，然后用紙、筆和相機(jī)記錄數(shù)據(jù)，并進(jìn)行比較和分析，再依據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行二維圖紙的繪制并配以文字說(shuō)明。這樣的傳統(tǒng)信息采集方法耗費(fèi)大量時(shí)間，有些復(fù)雜的構(gòu)件數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確記錄下來(lái)，還會(huì)遺漏掉隱藏在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的構(gòu)件，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，效率低下等問(wèn)題。甚至由于人的高頻率測(cè)繪活動(dòng)，會(huì)對(duì)徽州古建筑產(chǎn)生破壞，并且在登高測(cè)繪時(shí)，對(duì)測(cè)繪人員來(lái)說(shuō)也存在一定危險(xiǎn)性。而利用現(xiàn)代三維激光掃描等技術(shù)能夠高效獲取全方位、高精度的空間信息，合成準(zhǔn)確的徽州古建筑設(shè)計(jì)圖紙、現(xiàn)狀圖紙并加工制作結(jié)構(gòu)模型等，而且不受水體、植被等特殊物質(zhì)的干擾，也不受外界環(huán)境的干擾，操作方便，并且避免了測(cè)繪人員親自測(cè)量危險(xiǎn)項(xiàng)目，保障了測(cè)繪人員的生命安全，保障了徽州古建筑不受人工測(cè)繪的二次破壞。

屬性信息的采集是指收集徽州古建筑的特征信息，包括建筑材料、技術(shù)、風(fēng)格、工藝、歷史、文化和地理信息等。屬性信息的采集一般是通過(guò)實(shí)地考察，走訪調(diào)查或查閱相關(guān)歷史文件然后分析這些所有的文件以獲得更完整的信息[9]。

3.2 BIM建筑信息模型的建立

根據(jù)收集到的有關(guān)徽州古建筑的信息數(shù)據(jù)，以及在二維圖紙、測(cè)繪、照片、影像等其他相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，使用當(dāng)今廣泛使用的BIM建模軟件Revit建立三維模型。BIM建筑信息模型的基礎(chǔ)單元為“族”，每個(gè)族圖元都可以定義多種類(lèi)型，并且可以為每種類(lèi)型設(shè)置尺寸、形狀和材料等參數(shù)[10]?；罩莨沤ㄖ谛问缴洗篌w相似，但局部的構(gòu)件細(xì)節(jié)有所不同，如果使用傳統(tǒng)方法對(duì)圖紙進(jìn)行建模，則工作量很大。BIM平臺(tái)可以通過(guò)參數(shù)化調(diào)整生成不同尺度的同類(lèi)組件，并建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫(kù)，其中包括常見(jiàn)的墻、門(mén)和窗組件。構(gòu)件庫(kù)使用戶(hù)不僅可以通過(guò)名稱(chēng)或形狀找到所需的構(gòu)件，而且可以通過(guò)調(diào)整構(gòu)件的參數(shù)快速調(diào)整其狀態(tài)，并快速應(yīng)用到建筑中，以適應(yīng)不同的項(xiàng)目，從而提高建模效率[7]。

徽州古建筑的屬性信息很多，如建造方式、建筑材料和質(zhì)地、結(jié)構(gòu)尺寸、施工工藝、地方特色，以及照片、歷史文獻(xiàn)、現(xiàn)存狀況、修復(fù)和重建文件、環(huán)境信息、管理信息、視覺(jué)信息等。在使用Revit創(chuàng)建建筑信息模型時(shí)，空間信息和屬性信息與模型相互聯(lián)系，所有信息都可以同步修改或訪問(wèn)，這樣可以充分實(shí)現(xiàn)信息的共享和交流[2]。

3.3 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是BIM技術(shù)的一個(gè)拓展分支，可以將抽象的文本、圖紙和其他信息建模并轉(zhuǎn)化為仿真的三維空間模型。這項(xiàng)技術(shù)的基本原理為：虛擬的三維空間是由計(jì)算機(jī)在模擬狀態(tài)下生成的，加上設(shè)計(jì)師的參與，在計(jì)算機(jī)屏幕上形成一個(gè)高度仿真的現(xiàn)實(shí)世界。這項(xiàng)技術(shù)使得人類(lèi)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和動(dòng)作等感官與現(xiàn)實(shí)世界的感官緊密聯(lián)系起來(lái)[9]，仿佛身臨其境，真實(shí)處于現(xiàn)實(shí)世界一般。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示作為一種新的展示形式被廣泛用于建筑、室內(nèi)設(shè)計(jì)、旅游和其他項(xiàng)目中，將收集到的信息轉(zhuǎn)換為逼真的立體模型，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建所需的虛擬環(huán)境后，在虛擬現(xiàn)實(shí)中展示出來(lái)。它因其逼真的體驗(yàn)感、高級(jí)的技術(shù)性和強(qiáng)大的互動(dòng)性而受到人們歡迎。

在徽州古建筑展示中使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，參觀者在戴上VR眼鏡的那一刻可以瞬間進(jìn)入到徽州古建筑內(nèi)部，這是一種時(shí)間和空間快速變換的新體驗(yàn)。它為人們創(chuàng)造了一個(gè)逼真的徽州古建筑環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了人們與徽州古建筑的直接接觸，人們可以身臨其境體驗(yàn)當(dāng)時(shí)建筑主人的日常起居和風(fēng)俗風(fēng)貌。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示不僅可以使人們體驗(yàn)到徽州古建筑的原貌，而且可以感受到歷史的滄桑[11]。

4 結(jié) 語(yǔ)

徽州古建筑是徽州文化的重要組成部分，也是中華文化的瑰寶。由于古建筑具有歷史性和不可逆轉(zhuǎn)性，記載和傳承其歷史和文化越來(lái)越重要。BIM技術(shù)對(duì)徽州古建筑的保護(hù)和展示是對(duì)徽州文化遺產(chǎn)保護(hù)和傳承的重要補(bǔ)充，是徽州古建筑保護(hù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)將不斷完善，BIM技術(shù)在各方面的影響將為弘揚(yáng)徽州文化做出更大的貢獻(xiàn)。為了順利推進(jìn)BIM技術(shù)在徽州古建筑保護(hù)與修繕工作中的應(yīng)用，還需要努力完善相關(guān)軟件功能，積極培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才，加快推進(jìn)徽州古建筑保護(hù)與修繕工作的數(shù)字化和信息化。然而，BIM技術(shù)在徽州古建筑保護(hù)與修繕中的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，如何有效利用BIM技術(shù)對(duì)徽州古建筑進(jìn)行保護(hù)與修繕，是一個(gè)需要不斷研究的課題。

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