劉穎華，解琳琳，李愛群，侯妙樂(lè)，劉浩宇

(1.北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；2.北京市建筑遺產(chǎn)精細(xì)重構(gòu)與健康監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.北京建筑大學(xué)測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044；4.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044)

古木建筑作為人類文明留存的一種方式，具有重要的價(jià)值，隨著時(shí)間的推移，會(huì)不可避免地產(chǎn)生以裂縫為典型代表的殘損。如何面向保護(hù)需求直觀記錄古木建筑的殘損現(xiàn)狀，是其安全性能評(píng)估與提升的重要基礎(chǔ)，是歷史建筑科學(xué)保護(hù)與發(fā)展的重要前提。

近年來(lái)，建筑信息模型(building information modeling，BIM)的發(fā)展為建筑的科學(xué)表達(dá)和各類信息的集成提供了重要支撐[1-2]。結(jié)合BIM技術(shù)與文物遺產(chǎn)領(lǐng)域，在世界范圍內(nèi)逐漸形成了適用于歷史建筑的 BIM，稱為建筑遺產(chǎn)信息模型(historic building information modeling，HBIM)[3-4]，HBIM 是如今歷史建筑數(shù)字化保護(hù)趨勢(shì)中的前沿技術(shù)[5]。鑒于古建筑殘損類型繁多、殘損程度不一的情況，在借用 HBIM 技術(shù)對(duì)殘損信息表達(dá)與信息集成更新時(shí)，面臨以下難題：

(1)殘損信息表達(dá)方面。歷史建筑在保存過(guò)程中會(huì)經(jīng)受各種各樣的破壞，構(gòu)件出現(xiàn)了很多損傷[6-7]。理論上應(yīng)盡可能對(duì)所有損傷信息進(jìn)行詳細(xì)表達(dá)，然而在實(shí)際保護(hù)中由于工作量巨大而往往無(wú)法得到有效實(shí)施，更重要的是不同保護(hù)需求下(如搶救性保護(hù)和預(yù)防性保護(hù))，對(duì)不同程度損傷存在不同的認(rèn)知和表達(dá)需求。以應(yīng)縣木塔為例，其二層明層出現(xiàn)了一定程度的傾斜，各類構(gòu)件出現(xiàn)了較大的裂縫，由于該類裂縫可能對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能影響較大，應(yīng)予以精準(zhǔn)的表達(dá)。對(duì)于其他樓層損傷則可采用相對(duì)簡(jiǎn)單但偏于保守的表達(dá)方法。BIM 中的多層級(jí)(level of detail，LoD)模型可以有效解決該問(wèn)題。然而目前對(duì)于木構(gòu)件，暫不存在相應(yīng)的多層級(jí)裂縫模型。

(2)信息集成方面。了解到目前遺產(chǎn)從業(yè)人員大都將調(diào)研信息記錄在外部數(shù)據(jù)庫(kù)(如電子表格或電子文檔)中，詳細(xì)的文本記錄有利于細(xì)致地了解歷史建筑信息，但缺乏直觀性。盡管BIM具有強(qiáng)大的信息集成功能，通過(guò)模型鏈接的屬性電子表可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、文本等信息的科學(xué)管理[4]，實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)與三維模型之間的連通，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，但BIM自帶的屬性表不夠豐富，有必要梳理殘損特性，完善屬性表內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)條理性的信息管理方法。

(3)信息持續(xù)更新方面。歷史建筑信息一方面可以用于驗(yàn)證HBIM的合理性和可靠性，另一方面信息持續(xù)集成至模型中可服務(wù)于歷史建筑的全生命周期管理。目前HBIM的屬性電子表內(nèi)容，通常是采用手動(dòng)方式錄入，自動(dòng)化程度低。而古木建筑構(gòu)件數(shù)量眾多，并且由于價(jià)值極高需要持續(xù)采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大且更新周期短，既有手動(dòng)方法無(wú)法滿足古木建筑保護(hù)需求，因此亟需開發(fā)自動(dòng)化算法實(shí)現(xiàn)古建筑信息在HBIM中的高效持續(xù)集成更新管理。

針對(duì)上述難題，本文以古木建筑裂縫損傷為例，基于《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)明確了裂縫的重要性程度，建議了裂縫信息多層級(jí)表達(dá)方法及其多層級(jí)參數(shù)化數(shù)學(xué)模型；梳理裂縫重要屬性，提出了基于Revit平臺(tái)的裂縫信息集成方法；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了裂縫信息在 HBIM 中的自動(dòng)化集成更新與可視化展示。最后通過(guò)對(duì)典型古木建筑的裂縫信息表達(dá)與集成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可靠性和高效性(圖1)。

圖1 裂縫信息表達(dá)與集成更新研究流程圖

1 木裂縫模型多層級(jí)表達(dá)

多層級(jí)表達(dá)方法是面向不同保護(hù)需求實(shí)現(xiàn)裂縫信息的留取和表達(dá)。以柱為例，我國(guó)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》規(guī)定木柱裂縫可以根據(jù)最大裂縫寬度分為3類[8]，對(duì)于裂縫寬度小于3 mm的構(gòu)件定義為輕度損傷，對(duì)于裂縫寬度介于3~30 mm之間的構(gòu)件定義為中度損傷；對(duì)于裂縫寬度大于30 mm的構(gòu)件定義為重度損傷。本文基于上述原則建議了一套裂縫損傷多層級(jí)表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱“標(biāo)準(zhǔn)”)及其參數(shù)化數(shù)學(xué)模型(表1)。

(1)LoD100，可表達(dá)所有殘損程度裂縫，采用色塊反映殘損等級(jí)，方便統(tǒng)計(jì)古木建筑整體構(gòu)件損傷程度情況，主要服務(wù)于預(yù)防性保護(hù)，分別采用藍(lán)色、黃色和紅色色塊表達(dá)輕度、中度和重度裂縫。

(2)LoD200，用于表達(dá)中度和重度裂縫，偏于保守反映裂縫的最大寬度(wmax)、最大深度(dmax)和長(zhǎng)度(h)信息，將裂縫表達(dá)為三棱柱，可用于預(yù)防性保護(hù)和搶救性保護(hù)，如古木建筑抗震性能安全性評(píng)估。

(3)LoD300，用于表達(dá)重度裂縫，依據(jù)中國(guó)文化遺產(chǎn)研究院提出的裂縫數(shù)據(jù)采集要求，提供沿裂縫長(zhǎng)度方向多處的裂縫寬度和深度信息，如距裂縫頂端長(zhǎng)度為hi處的裂縫寬度和深度分別為wi和di，盡可能詳實(shí)的留存裂縫信息，主要用于搶救性保護(hù)。

表1 古木建筑柱子裂縫模型多LoD表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)

2 裂縫損傷信息集成方法

對(duì)于歷史建筑，應(yīng)對(duì)其信息進(jìn)行科學(xué)地集成管理。BIM的特色在于可集成豐富的信息，基于參數(shù)建立的三維 BIM 模型可以通過(guò)電子表格顯示該模型所關(guān)聯(lián)的所有對(duì)象及其相應(yīng)的參數(shù)與特性。在Revit軟件中，每個(gè)構(gòu)件模型都關(guān)聯(lián)了屬性選項(xiàng)卡，可以通過(guò)電子列表的方式管理構(gòu)件的詳細(xì)信息。本文結(jié)合古木建筑保護(hù)從業(yè)一線人員的保護(hù)需求，梳理了裂縫信息需要管理的屬性內(nèi)容，包括：①構(gòu)件的唯一識(shí)別碼；②裂縫信息描述文本文件；③最大裂縫寬度；④裂縫損傷程度。結(jié)合已有屬性選項(xiàng)卡選項(xiàng)和自定義屬性選項(xiàng)，本文重新定義了古木構(gòu)件的屬性，圖2為柱構(gòu)件的新屬性選項(xiàng)卡，即裂縫信息的集成方式。

圖2 裂縫信息集成方式

對(duì)于任一構(gòu)件，可按下述流程對(duì)其裂縫信息與HBIM模型進(jìn)行集成管理：

(1)基于唯一構(gòu)件識(shí)別碼選取構(gòu)件，即“標(biāo)記”屬性，在前期建立HBIM時(shí)需賦予每個(gè)構(gòu)件唯一識(shí)別碼；

(2)為構(gòu)件增加裂縫“寬度”和“殘損等級(jí)”屬性選項(xiàng)；

(3)在“注釋”屬性內(nèi)標(biāo)注裂縫信息描述文本；

(4)提取“注釋”屬性中的裂縫最大寬度wmax(對(duì)于輕度損傷的構(gòu)件從“注釋”內(nèi)直接提取裂縫寬度值，對(duì)于中度損傷的構(gòu)件從“注釋”內(nèi)提取裂縫最大寬度值，對(duì)于重度損傷的構(gòu)件從“注釋”內(nèi)提取沿著裂縫長(zhǎng)度方向最寬處的裂縫寬度值)，并添加至“寬度”屬性；

(5)基于《規(guī)范》判定裂縫的損傷程度將結(jié)果添加至“殘損等級(jí)”屬性；

(6)以“殘損等級(jí)”作為過(guò)濾條件，對(duì)所有損傷程度的構(gòu)件按“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行殘損等級(jí)色塊渲染。

圖3為一古木亭子柱裂縫信息集成及LoD表達(dá)的示意，從圖中可以看出基于HBIM技術(shù)可以直觀的展示裂縫損傷程度，并系統(tǒng)集成裂縫的相關(guān)信息。然而該方法目前通過(guò)手動(dòng)完成，對(duì)于小體量的古木建筑可以采用手動(dòng)方法，但對(duì)于以應(yīng)縣木塔為典型代表的大型古木建筑則會(huì)難以處理。更重要的是，信息與HBIM的集成大都是手動(dòng)復(fù)制外部數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容添加至屬性，外部數(shù)據(jù)庫(kù)信息的更新無(wú)法在HBIM構(gòu)件屬性中實(shí)現(xiàn)同步更新。為解決上述不足，有必要在 Revit平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)信息在HBIM 中的自動(dòng)寫入、提取和更新渲染[9]，實(shí)現(xiàn)歷史建筑信息的高效、持續(xù)更新集成。

圖3 古亭局部木柱裂縫信息集成結(jié)果

3 信息自動(dòng)集成更新算法

通過(guò)對(duì)Revit軟件進(jìn)行二次開發(fā)，可創(chuàng)建滿足裂縫信息自動(dòng)更新需求的插件。插件使用時(shí)有3個(gè)應(yīng)用條件：①為每個(gè)構(gòu)件設(shè)定唯一識(shí)別碼；②TXT格式殘損信息文檔，文檔內(nèi)容包括構(gòu)件名稱、構(gòu)件唯一識(shí)別碼、構(gòu)件殘損情況(固定格式描述了最大裂縫寬度、最大裂縫深度、裂縫長(zhǎng)度、沿著裂縫長(zhǎng)度方向各處的裂縫寬度和裂縫深度)；③在 HBIM 所鏈接的電子列表中將構(gòu)件識(shí)別碼寫入“標(biāo)記”框中。二次開發(fā)的環(huán)境配置與算法流程如下。

3.1 開發(fā)環(huán)境

環(huán)境配置方面需要 3個(gè)工具：Revit應(yīng)用程序編程接口(application programming interface，API)、Revit軟件開發(fā)工具包(software development kit，SDK)、開發(fā)工具。①API是Revit軟件與外界交互的窗口[10]，通過(guò)API可以訪問(wèn)Revit軟件的每個(gè)功能，并且可以創(chuàng)建開發(fā)新的功能。②Revit SDK里有工具實(shí)現(xiàn)接口鏈接，還可以幫助用戶了解API的用法。③需要完整的開發(fā)工具集VS(Microsoft visual studio)編譯器[11]，用于快速調(diào)用類集中算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的NET Framework框架[12]以及C#語(yǔ)言。

3.2 算法流程

針對(duì)Revit軟件進(jìn)行二次開發(fā)具有統(tǒng)一的基本架構(gòu)：基于C#創(chuàng)建類庫(kù)工程[13]，添加RevitAPI引用，然后從 Iexternal-Command接口派生，重載Execute()方法，在Execute()函數(shù)中編寫程序?qū)崿F(xiàn)外部命令。針對(duì)本文要實(shí)現(xiàn)的信息更新功能，其算法設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 裂縫信息自動(dòng)更新算法設(shè)計(jì)流程

(1)構(gòu)件類別選取與參數(shù)增加。歷史建筑內(nèi)含構(gòu)件種類豐富，不同的構(gòu)件在HBIM里表現(xiàn)為不同的類別，如柱構(gòu)件屬于柱類別、枓栱構(gòu)件作為嵌套族屬于常規(guī)模型類別等，因此先明確需要進(jìn)行信息集成更新的目標(biāo)構(gòu)件，及其在模型中對(duì)應(yīng)的類別，將之篩選出來(lái)。篩選構(gòu)件類別是通過(guò)類的類型來(lái)進(jìn)行元素過(guò)濾訪問(wèn)[14]。首先創(chuàng)建元素類別過(guò)濾器，將所有類別元素選中；再通過(guò)內(nèi)建類別過(guò)濾器篩選目標(biāo)，若目標(biāo)類別為一種，如柱，則使用內(nèi)建類別過(guò)濾器過(guò)濾出所有柱元素，若目標(biāo)類別為多種，如柱和梁枋，則需使用邏輯過(guò)濾器將內(nèi)建類別過(guò)濾器與常規(guī)模型過(guò)濾器進(jìn)行合并，從而找到所有柱與梁枋的類別元素；最后在當(dāng)前模型項(xiàng)目中構(gòu)造收集器，其用來(lái)迭代以及過(guò)濾元素的主要類[14]，將符合過(guò)濾條件的類別收集在收集器內(nèi)，方便后續(xù)迭代遍歷使用。

為目標(biāo)類別增加參數(shù)，即擴(kuò)充電子列表內(nèi)容與數(shù)量。由于 BIM 中的“信息”存儲(chǔ)，是通過(guò)“參數(shù)”設(shè)置并在項(xiàng)目中賦予實(shí)例參數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此可通過(guò)添加“共享參數(shù)”的設(shè)置為類別元素增加額外的參數(shù)[15]。梳理裂縫損傷的重要屬性，決定創(chuàng)建“寬度”與“殘損等級(jí)”共享參數(shù)。創(chuàng)建流程是新建共享參數(shù)組文件，在文件內(nèi)定義“寬度”與“殘損等級(jí)”參數(shù)，將之創(chuàng)建為實(shí)例參數(shù)，最后將參數(shù)的定義與上一步得到的目標(biāo)類別綁定，就實(shí)現(xiàn)了新列表欄的自動(dòng)擴(kuò)充(圖)。

圖5 參數(shù)添加示意

(2)電子列表內(nèi)容寫入及解析。將裂縫信息TXT文檔中第 3列“殘損信息”內(nèi)容批量自動(dòng)寫至“注釋”欄。由于殘損文檔與HBIM都事先為構(gòu)件對(duì)應(yīng)了唯一識(shí)別碼，因此將構(gòu)件識(shí)別碼作為傳入?yún)?shù)，將文檔信息與模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。首先遍歷所有編號(hào)，再遍歷每個(gè)編號(hào)構(gòu)件的所有屬性(所有列表內(nèi)容)，之后獲取目標(biāo)列表框“注釋”；最后修改對(duì)應(yīng)編號(hào)的注釋信息，實(shí)現(xiàn)裂縫文本信息批量對(duì)應(yīng)錄入“注釋”列表框。

電子列表中“寬度”欄內(nèi)容的寫入是通過(guò)解析注釋信息而自動(dòng)獲取的。首先對(duì)“注釋”框內(nèi)容(即殘損信息)進(jìn)行分割，成為由逗號(hào)隔開的若干個(gè)分句，遍歷所有分句，判斷是否包含“寬”字符，若包含則遍歷該分句，利用ASCII碼查找到寬度值，需要注意的是有時(shí)會(huì)得到多個(gè)寬度值，取最大值作為結(jié)果；若不包含“寬”字符，則令寬度信息值為 0。最后將結(jié)果錄入“寬度”列表框?！白⑨尅笨蚺c“寬度框”內(nèi)容寫入結(jié)果如圖6所示。

圖6 電子列表內(nèi)容寫入示意

(3)殘損等級(jí)判斷與色塊填充?！皻垞p等級(jí)”的自動(dòng)判斷是基于《規(guī)范》中提到的木構(gòu)件裂縫等級(jí)劃分內(nèi)容對(duì)“寬度”值進(jìn)行范圍判斷而得；最后將判斷結(jié)果匹配到相應(yīng)構(gòu)件的“殘損等級(jí)”列表框。

確定殘損等級(jí)后，為構(gòu)件自動(dòng)填充相應(yīng)色塊。Revit軟件有多種填充樣式可供選擇，如交叉填充、分區(qū)填充等，本文使用實(shí)體填充樣式。首先定義實(shí)體填充，并根據(jù)3類殘損等級(jí)對(duì)應(yīng)建立3個(gè)過(guò)濾器(輕度等級(jí)過(guò)濾器、中度等級(jí)過(guò)濾器、重度等級(jí)過(guò)濾器)；獲取共享參數(shù)組中的“殘損等級(jí)”，過(guò)濾器依不同的殘損等級(jí)進(jìn)行過(guò)濾，記錄每個(gè)殘損等級(jí)對(duì)應(yīng)的構(gòu)件識(shí)別碼；按“古木建筑柱子裂縫模型多LoD表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)”中等級(jí)表達(dá)的配色方案，對(duì)每個(gè)等級(jí)所收集的識(shí)別碼構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)色塊的實(shí)體填充。

將上述 3個(gè)流程進(jìn)行代碼編寫，并生成 DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件。編寫過(guò)程中需要使用大量函數(shù)，表2列出部分關(guān)鍵函數(shù)。

表2 Revit二次開發(fā)關(guān)鍵函數(shù)使用列表

為方便外部命令程序的集成和調(diào)用[16]，可通過(guò)編寫外部應(yīng)用來(lái)集成插件。從Iexternal-Application接口派生，重載OnStartup和OnShutdown方法，使外部應(yīng)用隨著 Revit 軟件一起啟動(dòng)和關(guān)閉，載入已生成的 DLL文件，在附加模塊欄內(nèi)為此命令生成面板與“Update”按鈕(圖7)，HBIM裂縫信息自動(dòng)更新的開發(fā)工作結(jié)束。

圖7 信息更新插件

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文方法的可靠性，以圖所示的HBIM 為例進(jìn)行裂縫信息多層級(jí)表達(dá)與信息自動(dòng)集成更新實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置參數(shù)見表3，此時(shí)柱子模型均為L(zhǎng)oD100層級(jí)。首先為柱子設(shè)置唯一識(shí)別碼，并寫入構(gòu)件的“標(biāo)記”列表框；然后為柱子虛設(shè)裂縫殘損信息，且錄入TXT文檔；最后在Revit軟件中點(diǎn)擊“Update”按鈕，實(shí)現(xiàn)一鍵批量集成更新裂縫信息。本文實(shí)驗(yàn)涉及目標(biāo)柱子構(gòu)件數(shù)量是64個(gè)，該方法用時(shí)4 s完成了柱子裂縫信息集成更新，結(jié)果如圖9(a)所示。之后以色塊結(jié)果為快速索引在相應(yīng)柱子模型基礎(chǔ)上添加LoD200與LoD300裂縫模型，完成裂縫模型的多層級(jí)表達(dá)，結(jié)果如圖9(b)所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，本文算法快速實(shí)現(xiàn)了柱子模型和裂縫信息的鏈接，由色塊填充結(jié)果直觀反映出構(gòu)件受損程度；由屬性選項(xiàng)卡下電子列表框中的各項(xiàng)信息，可把握裂縫的詳細(xì)情況；由單個(gè)模型的多細(xì)節(jié)層次表達(dá)，可直觀得到構(gòu)件的受損細(xì)節(jié)。

圖8 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

表3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置參數(shù)

圖9 裂縫信息自動(dòng)集成與多層級(jí)模型表達(dá)結(jié)果

5 結(jié)論

本文在古木建筑裂縫損傷表達(dá)與信息集成更新方面，針對(duì)模型構(gòu)建的精細(xì)度劃分問(wèn)題，結(jié)合國(guó)家相關(guān)規(guī)范建議了裂縫模型多LoD表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)；針對(duì)信息集成問(wèn)題，考慮從業(yè)人員需求進(jìn)行裂縫屬性梳理，提出了基于Revit平臺(tái)的裂縫信息集成管理方法；面對(duì)信息量龐大的問(wèn)題，對(duì)Revit軟件進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)信息批量自動(dòng)化集成更新。最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將模型多細(xì)節(jié)層級(jí)表達(dá)方法、HBIM技術(shù)與Revit二次開發(fā)相結(jié)合方法，應(yīng)用在信息表達(dá)集成中，可以高效地完成一些工作量較大、規(guī)律性較強(qiáng)的工作，有利于歷史建筑信息的全生命周期管理，便于安全性能評(píng)估，為后期運(yùn)營(yíng)管理與保護(hù)措施決策等工作提供參考。