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        基于BIM技術(shù)的民族建筑構(gòu)件參數(shù)化建模方法研究

        2021-04-01 07:04:56封聲鳳邱秀麗劉彩云潘德武
        關(guān)鍵詞:火墻墻頂馬鞍

        蔡 軍,封聲鳳,蘇 瑩,邱秀麗,劉彩云,潘德武

        (賀州學(xué)院 建筑與電氣工程學(xué)院,廣西 賀州 542899)

        民族建筑作為民族文化的重要載體,承載著包括建筑構(gòu)件、圖騰、圖案、文字、符號(hào)、雕塑、壁畫等少數(shù)民族文化,它見(jiàn)證了民族建筑歷史的發(fā)展與變革。近年來(lái),由于新興建筑文化對(duì)中國(guó)民族建筑文化的影響,建筑行業(yè)的新技術(shù)、新材料、新方法對(duì)民族建筑技藝傳承產(chǎn)生斷層的影響,自然因素、人為因素對(duì)民族建筑本體的損害等等原因,致使中國(guó)部分民族建筑數(shù)量快速銳減,民族建筑文化面臨滅絕,有必要對(duì)民族建筑的保護(hù)尋求發(fā)展路徑。

        與民族建筑具有同樣的建筑樣式復(fù)雜和多樣性的古建筑,在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件和方法存在較大的難度和需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。為簡(jiǎn)化建模過(guò)程,相關(guān)研究人員已對(duì)測(cè)繪技術(shù)或者BIM技術(shù)對(duì)復(fù)雜的古建筑進(jìn)行快速建模,如楊振威等[1-2]利用BIM技術(shù)等對(duì)古建筑進(jìn)行信息化建模,高溪溪等[3]結(jié)合三維激光掃描儀與BIM技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行參數(shù)化建模。

        但相關(guān)人員利用BIM技術(shù)在民族建筑建模方面利用較少,但根據(jù)研究人員在古建筑方面的研究成果[4-5],并結(jié)合BIM技術(shù)在古建筑構(gòu)件參數(shù)化建模方面的應(yīng)用[6-8]進(jìn)行民族建筑構(gòu)件參數(shù)化建模研究。以嶺南地區(qū)民族建筑構(gòu)件的封火墻為研究對(duì)象,分析封火墻的建筑構(gòu)件內(nèi)在規(guī)律,對(duì)民族建筑構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化建模,從而建立封火墻構(gòu)件“族”庫(kù),為民族建筑數(shù)字化保護(hù)提供幫助。

        1 BIM技術(shù)參數(shù)化建模方法研究

        高岱等[9]為進(jìn)行古建筑構(gòu)件的參數(shù)建模方法研究,根據(jù)中國(guó)古典建筑斗拱建筑構(gòu)件尺寸關(guān)系建立相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系,從而設(shè)定相對(duì)應(yīng)的自變量和因變量,在進(jìn)行建模過(guò)程中對(duì)自變量進(jìn)行修改從而可進(jìn)行生成其他規(guī)格的建筑構(gòu)件。

        而對(duì)于民族建筑參數(shù)化建模方面,吳??10]根據(jù)安徽當(dāng)?shù)氐幕张山ㄖY(jié)構(gòu),歸納并定義徽派建筑中構(gòu)件的參數(shù)類型,以及確定各構(gòu)件參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系、構(gòu)件間的組合比例和約束關(guān)系,從而可實(shí)現(xiàn)改變徽派建筑的1個(gè)基本參數(shù) ,即可快速有效地生成徽派建筑。

        為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜建筑模型的參數(shù)化建模,魏穎[11]通過(guò)Rhino軟件處理具有非線性曲線、曲面特點(diǎn)的建筑構(gòu)件,并且結(jié)合Grasshopper[12]可視化編程語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化處理實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。

        而對(duì)于其他部分復(fù)雜且無(wú)規(guī)律的特殊建筑構(gòu)件,為對(duì)其進(jìn)行快速建模,石力文[13]、鄧林建[14]等利用三維激光掃描儀對(duì)特殊構(gòu)件進(jìn)行掃描形成點(diǎn)云模型,并結(jié)合Revit軟件進(jìn)行BIM模型的重建,從而實(shí)現(xiàn)快速建模的目的。

        2 民族建筑構(gòu)件模型及參數(shù)關(guān)系

        封火墻構(gòu)件的主要作用是在相鄰民居發(fā)生火災(zāi)的情況下能夠隔斷火源。封火墻建筑構(gòu)件類型主要包括鑊耳墻、馬鞍墻、馬頭墻三種主要類型。因馬頭墻的外觀較為簡(jiǎn)單,本文主要以鑊耳墻、馬鞍墻為例。為探索鑊耳墻、馬鞍墻內(nèi)在的規(guī)律,將三種類型構(gòu)件外觀進(jìn)行簡(jiǎn)化并建立各個(gè)尺寸之間的代數(shù)關(guān)系,從而為建立封火墻構(gòu)件“族”庫(kù)中的歸一化模型做準(zhǔn)備。封火墻的部位主要包括:墻頂(E)、墻肩(A)、墻腰(D)、墻胯(B)、墻長(zhǎng)(L)、內(nèi)襯(C)、模型內(nèi)部墻高(H)等。

        2.1 鑊耳墻模型及參數(shù)關(guān)系

        鑊耳墻的簡(jiǎn)易模型如圖1?;咎攸c(diǎn)是模型兩邊對(duì)稱,模型的墻肩(A)為半圓弧,模型的腰部(D)為直線段和模型的墻胯(B)為1/4圓弧段,模型底部總長(zhǎng)為L(zhǎng),根據(jù)鑊耳墻實(shí)際情況進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)置,將A、B、C、D、E等參數(shù)設(shè)置為自變量,模型其他參數(shù)設(shè)置為因變量,自變量之間對(duì)應(yīng)關(guān)系:A=r,B=3 r,C=0.3 r,D=0 r、0.5 r、1 r,因變量與自變量之間關(guān)系:L=2B+2A=8 r,其中鑊耳墻的墻體厚分別為120 mm、240 mm、370 mm。

        圖1 鑊耳墻簡(jiǎn)易模型

        2.2 馬鞍墻模型I及參數(shù)關(guān)系

        馬鞍墻有兩種典型的模型,第一種馬鞍墻是由鑊耳墻衍生而來(lái)的,即馬鞍墻在鑊耳墻的頂部增加了一段直線段,具體簡(jiǎn)易圖形如圖2;第二種馬鞍墻是由第一種馬鞍墻簡(jiǎn)化而來(lái)的,即將第一種馬鞍墻頂部?jī)啥说幕【€段轉(zhuǎn)化為直線段,如圖3。

        圖2 馬鞍墻簡(jiǎn)易模型I

        馬鞍墻I模型基本參數(shù)與鑊耳墻的類似,增加一個(gè)新參數(shù)墻頂(E),E的取值范圍0~6 r。其余參數(shù):A=r,B=3 r,C=0.3 r,D=0 r、0.5 r、1 r,馬鞍墻長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2B+2A+E=8 r+E。

        圖3 馬鞍墻簡(jiǎn)易模型II

        2.3 馬鞍墻模型II及參數(shù)關(guān)系

        馬鞍墻模型II與馬鞍墻模型I之間的區(qū)別在于,馬鞍墻模型II將馬鞍墻模型I頂部與腰部的圓角倒角連接改為直角倒角連接,簡(jiǎn)易圖形如圖3。

        馬鞍墻II模型由馬鞍墻I演化而來(lái),即在原馬鞍墻I的基礎(chǔ)上取消了頂部弧形段改為直線段,E的取值范圍0~6 r。其余參數(shù):A=r,B=3 r,C=0.3 r,D=0 r、0.5 r、1 r,馬鞍墻長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2B+E=6 r+E。

        3 BIM軟件參數(shù)化建模方法

        3.1 封火墻“族”庫(kù)歸一化建模思路

        中國(guó)民族建筑種類繁多,在歷史進(jìn)程和不同區(qū)域中同類型構(gòu)件出現(xiàn)多種形狀的演化,使得利用BIM技術(shù)相關(guān)軟件對(duì)民族建筑構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化建模的工作量大大增加,從而導(dǎo)致參數(shù)化建模生成的“族”體系內(nèi)存過(guò)大。為了能系統(tǒng)地傳承和保護(hù)民族建筑,需要對(duì)同類型民族建筑構(gòu)件進(jìn)行歸一化處理,即將不同形狀的同類型民族建筑構(gòu)件歸類統(tǒng)一處理形成可用單個(gè)“族”進(jìn)行參數(shù)化生成。

        謚號(hào)屬于古代禮制的一個(gè)重要方面,具有很強(qiáng)的社會(huì)功能。程頤云:“古之君子之相其君,而能致天下于大治者,無(wú)他術(shù),善惡明而勸懲之道至焉爾。勸得其道,而天下樂(lè)為善,懲得其道,而天下懼為惡,二者為政之大權(quán)也。然行之必始于朝廷,而至要莫先于謚法。何則?刑罰雖嚴(yán),可警于一時(shí),爵賞雖重,不及于后世,惟美惡之謚一定,則榮辱之名不朽矣,故歷代圣君賢相,莫不持此以厲世風(fēng)也?!碧荧@得的謚號(hào)會(huì)隨著史書、碑刻等載體流傳于世,是對(duì)宗室子弟的較為有效的一種教育手段,有利于引導(dǎo)他們和睦相處并遵守皇權(quán)至上的禮儀制度。

        根據(jù)封火墻的簡(jiǎn)易模型圖中的圖1~3可知,由于馬鞍墻I的參數(shù)較多,可將其作為鑊耳墻和馬鞍墻II的歸一化模型,鑊耳墻和馬鞍墻II模型可在其基礎(chǔ)上進(jìn)行演化生成。不同類型封火墻的演化過(guò)程如下:

        (1)鑊耳墻模型。鑊耳墻模型與馬鞍墻I模型對(duì)比主要差別在于:馬鞍墻I模型頂部存在有一定長(zhǎng)度的墻頂,鑊耳墻模型沒(méi)有墻頂部位,或者是墻頂?shù)拈L(zhǎng)度較小。鑊耳墻模型具體的演化方法是將馬鞍墻I模型(歸一化模型)的墻頂(E)參數(shù)設(shè)置為一個(gè)量級(jí)較小的數(shù)值(因軟件中參數(shù)設(shè)置不允許出現(xiàn)為0的情形)。

        (2)馬鞍墻II模型。馬鞍墻II模型與馬鞍墻I模型對(duì)比主要差別在于:馬鞍墻I模型頂部(墻頂)兩端存在有一定弧長(zhǎng)的墻肩,其弧度可近似為90度,馬鞍墻II模型頂部(墻頂)兩端的沒(méi)有墻肩,具體的演化方法是將馬鞍墻I模型墻肩的弧長(zhǎng)設(shè)置為一個(gè)量級(jí)較小的數(shù)值,即可演化成馬鞍墻II模型。

        依托BIM技術(shù)的Revit軟件,根據(jù)馬鞍墻I的參數(shù)關(guān)系,構(gòu)建馬鞍墻I的參數(shù)化模型,通過(guò)改變馬鞍墻I的部分參數(shù),從而形成不同規(guī)格的馬鞍墻I模型,或者馬鞍墻II或者鑊耳墻模型,從而實(shí)現(xiàn)民族建筑構(gòu)件參數(shù)化建模的目的。

        3.2 封火墻“族”庫(kù)建模演化過(guò)程

        封火墻“族”庫(kù)建模的具體步驟:(1)將不同類型的封火墻構(gòu)件進(jìn)行歸一化處理,為馬鞍墻簡(jiǎn)易模型I,取馬鞍墻簡(jiǎn)易模型I的一半進(jìn)行建模;(2)將馬鞍墻簡(jiǎn)易模型I(歸一化模型)五個(gè)部位分別建模,標(biāo)注尺寸并建立尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系。由于模型部分區(qū)域存在一定弧度,所以模型部分部位的最外層、中間層和最內(nèi)層的尺寸之間存在一定的差異,其他的直線段的尺寸基本相同。從模型的最外層到中間層和最內(nèi)層區(qū)域的尺寸的設(shè)置方式:墻頂均設(shè)置為E,墻肩為A、a、a1,墻腰均為D,墻胯為B、b、b1,內(nèi)襯厚度為C,底部長(zhǎng)度為L(zhǎng),最內(nèi)層區(qū)域的墻高為H,具體如圖4;(3)將模型進(jìn)行鏡像復(fù)制,形成完整的模型;(4)修改按照3.1節(jié)的方式修改相應(yīng)的參數(shù),使馬鞍墻簡(jiǎn)易模型I轉(zhuǎn)化為馬鞍墻簡(jiǎn)易模型II和鑊耳墻模型;(5)對(duì)模型進(jìn)行貼圖形成較為真實(shí)的封火墻結(jié)構(gòu)。

        圖4 封火墻“族”模型尺寸設(shè)置

        為確保能夠?qū)ⅠR鞍墻簡(jiǎn)易模型I轉(zhuǎn)化為馬鞍墻簡(jiǎn)易模型II和鑊耳墻模型,對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置對(duì)應(yīng)的關(guān)系。將A、B、C、D、E等參數(shù)設(shè)置為自變量,將其余參數(shù)設(shè)置為因變量。相應(yīng)的關(guān)系為:H=a1+b1+C+D;L=E+A+B;a=A-C;a1=A-2×C;b=B+C;b1=B+2×C,具體設(shè)置如圖5。

        表1 封火墻"族"模型的參數(shù)關(guān)系設(shè)置

        3.3 封火墻“族”庫(kù)建模結(jié)果

        將封火墻“族”庫(kù)的“族”模型,即歸一化模型進(jìn)行鏡像之后形成馬鞍墻I模型,結(jié)果如圖6。為將馬鞍墻I模型轉(zhuǎn)化為馬鞍墻II模型,需將頂部弧形段的半徑為較小的數(shù)值,且需確保最內(nèi)層頂部弧形半徑a1=A-2×C為正,此外模型中C=200 mm,則需將頂部弧形半徑A設(shè)置為401 mm,此時(shí)a1=1 mm相對(duì)于其他參數(shù)而言為一量級(jí)較小的值,結(jié)果如圖7。為將模型馬鞍墻I模型轉(zhuǎn)化為鑊耳墻模型,則需將頂部直線段的長(zhǎng)度E設(shè)置為1 mm,具體如圖8。

        圖6 封火墻族——馬鞍墻簡(jiǎn)易模型I

        圖7 封火墻族——馬鞍墻簡(jiǎn)易模型II

        圖8 封火墻族——鑊耳墻模型

        4 模型美化與推廣應(yīng)用

        為了美化創(chuàng)建的模型,走訪調(diào)研嶺南地區(qū)民族傳統(tǒng)村落,采集、分類、匯總封火墻主體的材質(zhì)圖像,并對(duì)圖像標(biāo)注地理、年代、民族等信息導(dǎo)入至Revit軟件中形成民族建筑封火墻構(gòu)件的材質(zhì)信息庫(kù)。最后對(duì)模型進(jìn)行貼相關(guān)材質(zhì)圖4成較為真實(shí)的封火墻結(jié)構(gòu),具體如圖9。

        圖9 鑊耳墻美化模型

        為進(jìn)一步推廣與傳承民族建筑,將美化的模型VR技術(shù)相結(jié)合,并且將其應(yīng)用在地方民族文化博物館以及民族傳統(tǒng)村落景區(qū)中進(jìn)行展覽。其方法不僅能實(shí)現(xiàn)為民族博物館和傳統(tǒng)村落景區(qū)吸引游客,也能讓游客進(jìn)一步了解民族建筑的演化發(fā)展過(guò)程。

        5 結(jié) 論

        文中以嶺南地區(qū)民族建筑構(gòu)件的封火墻為例,基于BIM技術(shù)對(duì)民族建筑構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)建模研究,通過(guò)建立民族構(gòu)件尺寸之間的參數(shù)關(guān)系,可形成同類型民族建筑構(gòu)件“族”,從而可實(shí)現(xiàn)快速建模的目的和減小“族”存儲(chǔ)空間。

        部分民族建筑構(gòu)件的局部較為復(fù)雜,對(duì)于局部復(fù)雜的封火墻,為更好地反映封火墻的真實(shí)特征,可采用Revit軟件建模與點(diǎn)云建模相結(jié)合的方式,其中局部構(gòu)造(細(xì)部構(gòu)造,較為復(fù)雜的部分)可采用三維激光掃描儀對(duì)其進(jìn)行掃描形成點(diǎn)云模型,從而生成細(xì)部復(fù)雜的模型,其余簡(jiǎn)單部分的可采用Revit軟件參數(shù)化建模的方式。

        文中描述的民族建筑構(gòu)件參數(shù)化建模方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)民族建筑構(gòu)件快速建模具有重要意義,對(duì)于傳承、推廣和保護(hù)民族建筑具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

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