商墩江，袁華斌

(廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105)

1 HBIM技術(shù)概述

1.1 HBIM(歷史建筑信息模型)

清華大學(xué)設(shè)計研究院與文化遺產(chǎn)保護研究所在2009年提出我國“遺產(chǎn)/歷史建筑信息模型”(HBIM)技術(shù)，這是在BIM技術(shù)核心基礎(chǔ)上，增加針對歷史建筑保護特殊屬性的建筑信息模型技術(shù)，并將其命名為HBIM技術(shù)。它具有一套科學(xué)、完善、規(guī)范的應(yīng)用流程，并能將相關(guān)專業(yè)的先進技術(shù)協(xié)同運用到保護工作中。HBIM提供了一種新的工作方式，將管理部門、保護單位、設(shè)計方、施工方和大眾聯(lián)系在一個交流平臺上，從而使保護工作的各個環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，同步調(diào)整的設(shè)計方式協(xié)同進行，因此，將HBIM定義為具有三維模型的歷史建筑生命周期中的信息管理工具。

HBIM的研究包括有助于快速建立精確模型的建模技術(shù)、模型信息的定義及HBIM的應(yīng)用。在AEC行業(yè)，HBIM用戶通常在項目生命周期的不同階段選擇不同的開發(fā)級別(LOD)，以根據(jù)詳細程度為模型元素開發(fā)的主題區(qū)域來加強溝通[1]。

1.2 HBIM與BIM相比優(yōu)勢

與BIM相比，HBIM更強調(diào)遺產(chǎn)建筑背后的數(shù)據(jù)以及竣工結(jié)構(gòu)的建模技術(shù)。HBIM的生成涉及到對歷史建筑的歷史信息和修復(fù)信息的分析，特別是關(guān)于模型參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)信息之間的關(guān)系。同時，HBIM項目也面臨重大挑戰(zhàn)，很多歷史建筑的原始建筑圖紙缺失。由于自然因素的影響，結(jié)構(gòu)往往處于劣化狀態(tài)，或者它們已經(jīng)被翻新和修改。這些建筑遺產(chǎn)往往具有獨特的特征和歷史意義，組件參數(shù)也是不同的。在當前的BIM框架中，很難使用組件庫來完成模型。因此，HBIM研究過程中，必須首先使用激光掃描、攝影測量等方法對建筑構(gòu)件進行測量和計算，然后才能參考有關(guān)歷史建筑的文獻來建立模型。

HBIM技術(shù)還需要考慮有關(guān)組件更新的屬性，以便更清楚地傳遞每個組件的信息。例如，采用本體方法來闡明每個歷史組件的通用術(shù)語、屬性和相關(guān)性。簡而言之，為了在項目生命周期的不同階段向不同的利益相關(guān)者提供準確的信息，考慮這些組件在HBIM中的作用是至關(guān)重要的，即定義如何集成和呈現(xiàn)建筑遺產(chǎn)組件及其背后的數(shù)據(jù)信息[2]。

1.3 HBIM技術(shù)在歷史建筑中的應(yīng)用

BIM技術(shù)的研究主要集中在三維模型的改進上。然而，就建筑遺產(chǎn)的價值而言，每一個建筑元素的文獻和背景更值得關(guān)注。除建筑物的基本資料信息、歷史登記信息和背景信息外，還應(yīng)包括與建筑遺產(chǎn)有關(guān)的細節(jié)，如構(gòu)件的形狀、工匠的姓名以及翻修周期和過程。有必要保存有關(guān)建筑遺產(chǎn)元素的所有相關(guān)信息，這些信息可以傳到后代[3]。將HBIM定義為具有三維模型的歷史建筑生命周期中的信息管理工具。以傳統(tǒng)木制歷史建筑構(gòu)件庫的生成過程為研究對象，研究核心問題：(1)構(gòu)件性。建筑構(gòu)件應(yīng)劃分為獨立的構(gòu)件單元，以呈現(xiàn)每個歷史建筑構(gòu)件的完整歷史痕跡。例如，每一個“斗拱”(頭公、支架組)、梁和柱子都有不同的歷史和翻新記錄，每一個都應(yīng)被視為不同的單獨單元。(2)組件屬性。組件屬性包括所有修復(fù)的尺寸、材料、表面裝飾、時間、工匠姓名、使用的工具和翻新記錄。應(yīng)根據(jù)項目生命周期不同階段的需求確定屬性。(3)關(guān)聯(lián)性。創(chuàng)建關(guān)聯(lián)是為了給建筑的元素之間的關(guān)系以及翻新的細節(jié)提供通用詞匯表。該關(guān)聯(lián)還確定了類別和類之間的相互關(guān)系，以建立基本的數(shù)據(jù)描述，并探討數(shù)據(jù)驗證和集成的可能性。采用本體論和CIDOC-CRM對建筑構(gòu)件、基礎(chǔ)信息和維修信息進行了重新定義。(4)保護性。通過HBIM規(guī)定實施工序，把材料、構(gòu)造等傳統(tǒng)施工工藝體現(xiàn)在三維BIM的建筑遺產(chǎn)構(gòu)件修復(fù)中，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入HBIM數(shù)據(jù)庫并以可視化模型顯示。

2 HBIM技術(shù)建筑遺產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化研究對象—磺溪書院

磺溪書院(圖1)建于1888年，是座落于臺中市大渡區(qū)的一座歷史名勝。這里曾是大渡口、龍井、武里等地學(xué)者和官員聚集的重要場所。在日本占領(lǐng)時期，它是一所國立小學(xué)。目前主要是旅游景點和祭祀場所?；窍獣翰捎秒p廣場布局，前后分院。這座建筑的寬度是七個“開間”(傳統(tǒng)的測量單位)，大約28 m寬，深度約30 m。從外到內(nèi)的空間布局包括：山門(前門)、庭院、拜殿(禮拜堂)、正廳(講堂)、東西兩室以及連接走廊(圖2)。建筑材料包括紅磚、花崗巖、青石和杉木。HBIM技術(shù)可視化研究以磺溪書院建筑結(jié)構(gòu)為例，建立結(jié)構(gòu)分解圖并進行建筑元素分析，并以Autodesk Revit為工具建立構(gòu)件庫。

圖1 磺溪書院：(a)3D模型；(b)拜殿(禮拜堂)；(c)部分3D剖面

圖2 磺溪書院的布局，包括正門、庭院、禮拜堂、正廳、廂房和連接走廊

3 HBIM技術(shù)在建筑遺產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用研究

3.1 HBIM數(shù)據(jù)可視化組件庫

目前，大多數(shù)BIM技術(shù)都是處理新建筑。用于模擬歷史建筑的預(yù)定義庫或工具非常有限。在磺溪書院項目中，為歷史建筑創(chuàng)建了一個可重用的參數(shù)化庫對象，重點是傳統(tǒng)的木制建筑。組件和三維模型是使用Autodesk Revit創(chuàng)建的，其中，RFA文件是可以加載到項目中或保存到外部的族文件。為了允許其他項目使用為此項目創(chuàng)建的組件，大多數(shù)組件都創(chuàng)建為RFA文件。以《臺灣的書院》提供的磺溪書院二維計算機輔助設(shè)計為參考依據(jù)，這些圖紙是由FARO激光掃描儀Fo-cus3Dx130基于現(xiàn)場測量結(jié)果創(chuàng)建的。組件類型根據(jù)每個組件在模型中的使用方式進行分類。分為三類：(1)帶參數(shù)的族構(gòu)件。適用于在項目中重復(fù)使用某個構(gòu)件，并且需要針對不同位置修改尺寸的情況。(2)無參數(shù)族構(gòu)。適用于在項目中重復(fù)使用而不修改尺寸的構(gòu)件。也適用于此項目中僅使用一次的組件，但它是可用于其他項目的通用組件。(3)自定義組件。僅使用一次且不能用于其他項目時，組件屬于此類別[4-5]。

3.2 定義建筑遺產(chǎn)的建筑構(gòu)件的規(guī)則

為明確建筑構(gòu)件的規(guī)范，查閱了相關(guān)領(lǐng)域的資料。具體規(guī)定如下：歷史建筑構(gòu)件區(qū)分規(guī)定，如圖3所示。(1)從歷史建筑正面開始，沿建筑物的主軸前進。例如，山門-天井-拜殿-正殿(前門-庭院-禮拜堂-大廳)。(2)在每個建筑空間內(nèi)，從外到內(nèi)、從前到后、從左到右區(qū)分每個桁架。(3)從桁架下方的最低建筑構(gòu)件開始，識別不同高度的每個間隔。(4)在每個高度間隔中，遵循相同的原則(從外到內(nèi)，從前到后，從左到右)來識別每個建筑構(gòu)件。如果一個建筑構(gòu)件跨越多個間隔，則選擇其連接的第一個間隔。

圖3 定義建筑構(gòu)件的規(guī)則：(a)閩南風格歷史建筑平面圖，規(guī)則a示例；(b)規(guī)則b示例；(c)桁架的剖面圖，規(guī)則c～d示例。

有關(guān)將建筑構(gòu)件定義作為HBIM模型中的一個或多個構(gòu)件的規(guī)則：(1)當歷史建筑構(gòu)件上需要修復(fù)的確切位置無法預(yù)測時，應(yīng)將整個建筑構(gòu)件視為一個構(gòu)件。例如，由于墻壁上可能出現(xiàn)的裂縫的位置是不可預(yù)測的，因此無法預(yù)測墻壁的哪一部分需要修復(fù)。整個墻被視為一個構(gòu)件。(2)建筑構(gòu)件具有重要的文化或歷史意義。例如，如果一塊屋瓦上的印記、圖案或銘文與其他屋瓦不同，則該屋瓦將被視為一個構(gòu)件。否則，所有屋頂瓷磚應(yīng)視為一個建筑構(gòu)件。(3)建筑構(gòu)件由一系列元素組成，例如屋頂下的椽子。如果沒有任何椽子被修改或恢復(fù)，則所有椽子都將被視為一個構(gòu)件。這些規(guī)則是根據(jù)磺溪書院的案例制定的。然而，傳統(tǒng)的閩南風格建筑有多種形式。建模過程會因不同結(jié)構(gòu)和不同需求而異。

3.3 磺溪書院各區(qū)域建筑構(gòu)件

磺溪書院的建筑分為5個區(qū)域：正門、禮拜堂、正廳、廂房和連接走廊。根據(jù)3.1節(jié)規(guī)定、特殊建筑構(gòu)件明細如表1所示，包括代表每個區(qū)域內(nèi)有多少種特殊構(gòu)件類型的數(shù)字。某些自定義組件是專門為Revit中的項目創(chuàng)建的，不包括在表1中。

表1 磺溪書院各區(qū)域建筑構(gòu)件類型

3.4 帶有參數(shù)的族組件

為了提高構(gòu)建三維模型的效率，選取形狀相同但尺寸不同的構(gòu)件作為帶參數(shù)的族構(gòu)件。以磺溪書院為例，創(chuàng)建了4個帶有參數(shù)的族構(gòu)件。它們是圓形支撐架、方形支撐架、主梁和屋頂梁。圖4顯示了這4個具有參數(shù)的組件，其中的參數(shù)可以全部或部分修改大小。例如，用戶可以通過更改參數(shù)r的值來修改屋頂梁(b)的直徑，并通過更改參數(shù)a和b的值來更改凸榫(a)矩形尖端的大小。圖5顯示了禮拜堂中12種不同大小的方形支架參數(shù)。

圖4 帶參數(shù)的四個族構(gòu)件：(a)主梁；(b)屋頂梁；(c)方形支撐架；(d)圓形支撐架。

圖5 禮拜堂內(nèi)12個方形支架

3.5 無參數(shù)的族組件

除了帶有參數(shù)的族構(gòu)件外，大多數(shù)構(gòu)件都是在RFA文件中創(chuàng)建的，但此時不會設(shè)置參數(shù)。用戶可以隨時根據(jù)項目需要設(shè)置參數(shù)?；窍獣簞?chuàng)建了23個結(jié)構(gòu)元素，每一個都是在形式變化類型的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的。圖6顯示了禮拜堂中8種類型的結(jié)構(gòu)元素-柱基。

圖6 禮堂堂柱基

4 結(jié)語

在構(gòu)建組件庫和三維模型之前，必須將建筑遺產(chǎn)內(nèi)的建筑組件/圖元分離并分類為適當?shù)膱D元單元。根據(jù)未來相關(guān)建筑遺產(chǎn)構(gòu)件數(shù)據(jù)庫所需的信息，分離和分類組件的方式可能會有所不同?？辈旌陀涗浶畔?，這是文物保護才有的需求，HBIM技術(shù)將有價值的信息在BIM建模數(shù)據(jù)完成后永久保存，要求必須對組件進行合理分類，并檢查參數(shù)以確定它們是否必要。這將有利于組件庫的管理，并使組件更適用于未來的工程。

在HBIM技術(shù)中為了在包含數(shù)據(jù)的情況下為每個組件創(chuàng)建視覺效果，例如與改建有關(guān)的信息，建議使用LOD 300。較低的模型可能不會生成太多的細節(jié)。然而，如果使用更高的模型，考慮到傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，建立模型將更加耗時。此外，三維模型將在網(wǎng)上提供鏈接到數(shù)據(jù)庫瀏覽，細節(jié)過多的模型會降低瀏覽速度。

HBIM可以記錄、呈現(xiàn)和傳輸歷史建筑元素背后的數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的數(shù)字歸檔技術(shù)相比，HBIM既記錄了整個建筑有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，同時也記錄了單個結(jié)構(gòu)元素的數(shù)據(jù)信息。這對保護建筑遺產(chǎn)很重要。然而，組件庫的創(chuàng)建僅僅只是一個開始。 該研究的最終目標是建立一個歷史建筑的綜合數(shù)據(jù)庫。還需要進一步探討其他問題，包括如何定義和分類每個元素背后的數(shù)據(jù)，以及重新定義數(shù)據(jù)集之間的關(guān)系。