童喬慧

楊 飛

劉天卉

隨著科技的發(fā)展，歷史遺產保護的研究重點從傳統(tǒng)的修繕維護等技術研究擴展到建筑全生命周期的信息記錄、運營管理中來，而現階段我國建筑修繕的常規(guī)做法多為人工測量、利用平立剖等二維圖形記錄相關信息，但由于歷史建筑存在形態(tài)繁復多樣、構造做法獨特，內部病害不易發(fā)現等因素，導致修繕工作出現制圖難度大、設計變更多、施工耗時長、成本造價高等特點[1]，且傳統(tǒng)的二維圖形表達難以呈現全面的建筑信息，故急需引入新的技術手段對各種數據信息加以整合，對歷史遺產的保護起到優(yōu)化作用。

圖1 武漢大學早期建筑分布圖

圖2 華中水工試驗所總平面圖

BIM技術是指將建筑工程項目的二維平面圖紙轉化為由材質數據、物理特性和幾何數據的三維模型，形成綜合數據庫的技術[2]，具有數據記錄更加全面，圖紙展示更加準確，操作步驟更加便捷等特點。BIM技術在武漢市大型工程項目中得到了積極的運用[3]，但在歷史建筑保護勘察設計中運用的較少。武漢大學早期建筑是第五批全國重點文物保護單位，具有重要的歷史文化價值。2011年起武漢大學開始系統(tǒng)性地對早期建筑進行修繕，本文以武大早期建筑為例，探索BIM技術在歷史建筑保護中的應用，為武大早期建筑的修繕提供建議。

圖3 華中水工試驗所方案設計圖

圖4 華中水工試驗所現狀圖

1 武漢大學早期建筑簡介

武漢大學早期建筑是中國近代建筑史上的一顆璀璨明珠。校園選址由以李四光與葉雅各①為代表的建筑設備委員會負責決議，校址北臨東湖水，南據珞珈山，層巒疊翠，風景優(yōu)美，校園建筑設計與結構設計由美國建筑師開爾斯②（F.H.Kales）、萊文斯比爾③（A.Levenspiel）與薩克瑟④（R.Sachse）負責。整個建筑群尊崇“軸線對稱、主從有序、中央殿堂，四隅崇樓”的設計理念，將中式建筑的古樸與西式營造的技術完美融合，創(chuàng)造出新的建筑風格。而建筑建造由漢協(xié)盛⑤、袁瑞泰、上海六合與永茂隆等營造廠負責，采用了鋼筋混凝土框架結構、鋼桁架結構與三鉸拱鋼架結構等多種新型技術，為西式結構、營造技術在近代中國的發(fā)展奠定基礎。

武漢大學早期建筑共15處26棟，分兩期完成（圖1）。第一期從1930年3月始至1932年1月完工，耗資150萬銀元，修建的建筑包括：文學院、理學院主樓、男生寄宿舍、學生飯廳與一期教授住宅。二期工程從1932年2月開始至1937年7月完成，耗資400萬銀元，建筑包括：圖書館、體育館、法學院、理學院擴建、水工試驗所、女生宿舍等[4]。二期工程中已通水電，其營造技術、物料管理、有效工時等較一期工程均有明顯提升[5]。

2 華中水工試驗所概況

華中水工試驗所（后簡稱“水工所”）是武漢大學早期建筑中的典型代表，據《華北水利月刊》⑥與《國立武漢大學周刊》記載， 1922年湖北、江西、安徽與江蘇四省水患頻發(fā)，為治理水患，建設水利設施，培養(yǎng)后備人才，國民政府與武漢大學共建華中水工試驗所[6]。1938年10月武漢淪陷，水工所成為日軍馬廄，直至1945年抗戰(zhàn)勝利后才逐漸被修葺，劃為水利學院實驗室，改革開放后水工所被改造為武漢大學檔案館。

水工所位于文理學部梅園二路上，北面為城市設計學院教學樓，南面為半山廬與研究生院，西側為湖北省高校后勤管理研究會，東側為人文路與環(huán)山南路交叉口（圖2）。

整體建筑由凱爾斯負責建筑設計，萊文斯比爾負責結構設計，上海六合公司負責建筑營造。建筑面積達2197m2，采取鋼筋混凝土框架結構與鋼桁架結構，平面通進深達21.80m,通開間為113.20m。平面為二層：一層為水利試驗場；二層為設備間，總造價為9.89萬銀元。建筑造型模仿宋式木構建筑，由下至上依次為臺基層、屋身層、鋪作⑦層與屋面層（圖3）。

其中臺基層被簡化為磚砌墻裙，仿照的宋式磚砌須彌座中仰蓮⑧、束腰與合蓮磚等被簡化為弧形線腳，澀平、奄澀、壺門磚⑨等被簡化為方形線腳，去掉繁冗的裝飾后，建筑顯得沉穩(wěn)大氣。屋身層設雙檐柱，柱間為大方窗，轉角為16個小方窗，虛實對比強烈，檐柱上焊接綽幕枋⑩與普拍枋?以承托鋪作。鋪作層則均為單下昂補間四鋪作，且置于屋身中段，而屋身轉角處為簡化的云紋與椽頭裝飾，造型豐富。屋面層為重檐歇山頂，蓋孔雀藍琉璃瓦，重檐之間將鋪作取消而換為一列小方窗，以加強室內采光。屋角、屋脊均有起翹，顯得靈動飛揚，正脊?、垂脊?與戧脊?上均飾有走獸與云紋，形態(tài)逼真，變化多彩（圖4）。

圖5 華中水工試驗所BIM磚墻砌筑圖

圖6 櫨斗BIM建模流程圖

圖7 泥道 BIM建模流程圖

圖9 昂BIM建模流程圖

圖10 補間鋪作BIM模型效果圖

3 華中水工試驗所BIM模型建構

BIM技術應用于歷史遺產保護方向的原理是：在測繪階段通過三維激光掃描得到詳細完整的建筑原始尺寸，利用BIM技術進行三維逆建模，可以得到建筑修繕前后精準的信息模型[7]，為方案決策提供科學依據，后期則利用VR與AR技術的結合，實現歷史建筑的全方位展示[8]。

2018年，童喬慧、董維敏等首次以BIM技術建立了武漢大學老齋舍數字信息模型，為武漢大學早期歷史建筑的修繕、維護與全生命周期的管理提供了技術支撐[9]。在此研究的基礎上，本研究以水工所為對象，進一步探索BIM技術對歷史建筑保護領域的應用。

3.1 BIM模型族規(guī)劃

在以往的研究中，利用BIM技術對中國古代木構建筑的構造做法、結構分析、模數化等的研究成果豐碩，但應用于中國近代建筑的研究較少。以武漢大學早期建筑為例，建筑結構為磚混、鋼筋混凝土框架等現代結構，而柱、斗 、枋、檁等構件卻仿宋式形式，并加以簡化，這就導致了難以再用“以材為祖”?等中國古代模數制體系進行推算與記錄[10]。但中國近代建筑的特點正是中式建筑形式與西式營造技術相結合，而BIM軟件的建模邏輯正是以模擬實際建造過程為基礎，為體現建筑保護的原真性，發(fā)揮BIM技術優(yōu)勢，本次探究則從中國近代建筑營造技術角度出發(fā)，利用Autodesk Revit中的族、體量等工具建造基礎、主體、圍護、屋架等結構與細部裝飾（表1），并在基準定位圖元中加以合模，完成水工所的BIM模型。

囿于篇幅限制，本研究以圍護結構中的墻體、屋架結構中的斗 為例來展現BIM技術的建模思路及族模板的制作。

3.2 圍護結構

武漢大學早期建筑的圍護結構可以分為磚墻圍護與石墻圍護兩種形式，其中磚墻圍護是最為常見，采用最多的形式[11]。通過實測可知水工所的墻體為磚墻，墻厚385mm,采取英式砌筑法（一丁一順形），且磚墻不起承重作用，僅起圍護作用。通過凱爾斯繪制的墻身大樣圖可知墻體下端深入地面300mm，地坪至窗臺段磚墻高度為1950mm，窗上為鋼筋混凝土現澆圈梁，圈梁上為200mm厚磚墻與方形小窗。其中磚為240mm×115mm×55mm窯燒青磚，墻面為水泥砂漿抹面，局部為水泥趕光抹面，灰縫為10mm水泥砂漿嵌縫?。水泥砂漿配比為水泥一份，黃砂三至四份，加水混合攪拌制成[12]。

表1 華中水工試驗所BIM模型族規(guī)劃信息表

表2 水工所墻體線腳BIM模型一覽表 （單位：mm）

表3 華中水工試驗所BIM局部墻體構件信息明細表（單位：mm）

由于Autodesk Revit自帶的磚墻系統(tǒng)只記錄了墻體的幾何信息與材料信息，例如在建筑立面上，僅利用貼圖對材質進行示意表達，而記錄著歷史信息的使用痕跡、建筑病害等卻無法表示，導致難以實現對歷史建筑的數字化表達與完整的信息錄入。

故為還原歷史建筑的本來面貌，對墻體的參數化實踐應是基于墻的實際砌筑過程，即利用BIM技術模擬磚墻的砌筑過程、施工工藝，記錄材料的種類、尺寸、對位關系、耗材量與對應工人的相關信息等。在進行模型構建時，利用“族”文件中的“公制常規(guī)模型”建立磚與相應灰縫的模型，然后利用實際砌筑方法進行單個磚塊與灰縫的堆疊合模，在門窗洞口、磚墻與構造柱的交接口、磚墻轉角處等地方以實現建造前的預模擬。

具體來講就是先建立一塊115mm×240mm×55mm的青磚模型，在一塊順磚、兩塊丁磚之間建立10mm的抹灰模型，共同組成一個墻厚為385mm單元體，并在兩個墻體單元之間再建立一層抹灰模型以砌筑完整的墻體（圖5）。

水工所磚墻外飾有各異的紋飾，包括線腳與裝飾紋路，均由水泥現澆完成。若全部采用公制常規(guī)族模型或內建體量制作則會導致數據量過于龐大，出現模型卡頓，統(tǒng)計數據困難等現象。故根據特點將其進行分類，墻體線腳部分采用“層疊墻”命令（表2），而其他的紋飾（云紋、鴟尾?、懸魚?等）則利用內建體量來進行建模，利于模型信息的錄入。

通過對兩根柱子之間的磚墻段的模擬建造，可以精確地得到磚與水泥砂漿的用量，對施工工藝、工人信息、工時長短等進行有效記錄，進而對成本管控、施工管控等方面加以優(yōu)化。

3.3 屋架結構

（1）斗

斗 是中國古代木構建筑中最具特色的構件，它起源于周代，發(fā)展于漢代，完善于唐代，成熟于宋代，簡化于元代，又在明清變得繁冗。而武漢大學早期建筑的斗 造型是以宋代斗 為藍本，并被取消了承重與身份象征作用，簡化為純粹的裝飾構件，并改木材質卯接為混凝土現澆或預埋件焊接而成。根據當時的營造技術顯示，對斗 的施工過程主要包括：

①前期準備：依照施工的難易程度對宋代斗 進行簡化，并確定其細部尺寸。

②支模澆筑：將簡化完成的斗 部件制作相應的模板并采取混凝土現澆，在其中留下預埋件，待結構強度達到1.2MPA時方可拆除模板。

③預制安裝：由于混凝土強度比木材大，不適合再采取榫卯結構，故在安裝各構件時采用焊接技術，將各個部件焊在一起。焊接時現在四周進行點焊，再在兩邊進行對焊以保證接縫不出錯。

④安裝構件：由于構件較多較繁，所以在進行安裝時首先要設置控制線，再安裝企口卡住構件并核對尺寸直至無誤為止[13]。

水工所的斗 為仿宋式單下昂補間四鋪作?，本研究以實際營造工藝為建模邏輯，以各構件比例關系為驅動參數，以公制常規(guī)模型為模板，實現斗 族的BIM模型建構。

（2）櫨斗

櫨斗是斗 中承托 、昂的方形木塊，因狀如舊時量米的斗而聞名[14]，由上至下可以分成斗耳?、斗平與斗欹?。其中斗與升在斗耳、斗平與斗欹的高度比為4:2:4，斗欹分為直線與內??兩種類型[15]。水工所的坐斗為方形，斗欹為內?。故實現櫨斗建模的關鍵在于：①斗耳、斗平與斗欹的高度比。②安裝泥道 的企口寬度與內?的曲線弧度。

確定這兩者可以從形態(tài)上控制櫨斗的準確比例，又可以從營造上保證櫨斗與泥道 的精準安裝。故據此整理出櫨斗BIM建模的思路為：創(chuàng)建拉伸—空心放樣—空心拉伸，以此來對應構件比例與內?曲線的建立（圖6）。完成此項建模后以此儲存為櫨斗族模板，將斗平的寬度與斗欹的刻口大小作為變量因素，并在此基礎上以十八斗、交互斗、平盤斗與斗耳為代表的斗 均可以此來進行驅動建模。

（3）泥道?

基于《營造法式》的記載，傳統(tǒng)的泥道 制作應該由一整塊木料經過鑿、削、刻等步驟進行加工[16]，但在進行水工所泥道 的營造時，需要進行精細的模板制作，故在進行BIM建模時應該保證族模板的準確。基于此特點總結出建模的驅動參數在于：①確定四分瓣的長度與高度；②正心開口的寬度與高度。

以此對應能夠卡入下方櫨斗與上方散斗。由于每個材 的份值不同，故泥道 上方的暗 若采取單獨的族建模，再進行嵌套則更有利于形成系統(tǒng)的泥道 模板。綜上所述，建立泥道 BIM模型的思路為：創(chuàng)建拉伸—空心拉伸—創(chuàng)建拉伸，依次來創(chuàng)建 身、正心開口、四分瓣與 眼等構件（圖7）。

（4）插昂?連華?

插昂連華 主要包括昂與華 兩個部分，營造技術為兩者通過昂栓與企口連接，但是在實際營造中，兩者通過昂尾與華 的預埋件焊接而成。為了讓營造順序與建模邏輯相一致，采取的主要驅動參數為昂首斜線與端部弧線，以此來控制昂的造型。而由于華 是屬于出跳的 ，在營造技術、構件形制上差別不大，只需改變主驅動參數并通過對之前建立的泥道 族模板進行更改即可。

所以在進行插昂連華 BIM建模的關鍵在于確定昂的形態(tài)、昂栓（預埋件）的位置以及正心開口的寬度。同樣也是經過“創(chuàng)建拉伸”與“空心拉伸”來確定其精準的形態(tài)（圖8～9）。

（5）鋪作拼合

將櫨斗、泥道 、華 與昂通過連接件焊接而成，由于構件體量較小，故實際建造中可以通過肉眼觀測進行焊接，但是在進行BIM模型建立時需要對各個圖元進行定位才能得出準確的模型構件（圖10）。

（6）枋?、?、椽

枋在宋代木構建筑中可以分為闌額?、普拍枋與綽幕枋等，主要起承托斗 、屋架與拉結柱網的結構作用[17]。 與椽也均起到承托望板?的作用。但在水工所中，這些構件均被簡化，只保留其大致形態(tài)作為裝飾之用。而在實際營造中，這些構件均由混凝土現澆或石膏預制，最后焊接預埋件而成。

這些構件的關鍵參數在于標高定位與形態(tài)把控，若采用“公制常規(guī)模型”建立族文件，則需重新定位標高，故在Revit建模中采用“內建體量”最為便捷。以建檐椽為例，建模的思路宜先創(chuàng)建剖面與設置定位線以保證檐椽的位置準確，其次采用“內建體量”勾勒出構件輪廓，并拉伸出厚度，最后在立面上陣列檐椽至相應數量并完成建模。

4 華中水工所BIM技術應用

建筑遺產的數字化指建筑遺產可以被轉譯為數字信息，并被保護[18]。搭建歷史建筑信息化數據平臺可以實現多方資源的整合，例如前期測繪的尺寸數據、圖像信息、病害信息、施工信息等的錄入，中期修繕方案的各專業(yè)擴初設計、施工圖設計以及可視化展示等，后期運營管理的使用后評價與政府部門的政策制定與職權監(jiān)督。在現行的歷史建筑修繕施工與監(jiān)理過程中，存在設計方與施工方溝通不暢、施工管理不嚴、備料與造價體系混亂等現象，易造成工期拖沓，造價提高等問題[19]。

基于BIM技術的施工管理在工程概預算與工人數據管理方面較傳統(tǒng)方式有較大革新。以磚石、鋼筋混凝土備料為例，鋼筋與砂石骨料以寧多不少的形式進行儲備，但具體用量仍掌握在工人手中，導致項目用料總數模糊，成本預算難度增大。但是利用BIM技術可以精確地統(tǒng)計磚石、鋼筋、水泥的用量，并可以統(tǒng)計設計用量、實際用量與荒廢用量，從而實現精準合理的概預算（表3）。

在工人信息管理方面，傳統(tǒng)的工人數據管理多指施工工人的信息記錄，如姓名、年齡、工齡、工時、工種以及施工日志等內容，通過責任到人，工時報備來縮短工期，提高效率。但當出現設計變更或施工問題時，施工方、駐場工程師與設計師的意見需要通過協(xié)調來達成統(tǒng)一，而協(xié)調過程中往往出現停工現象，導致施工成本增加，拖延竣工時間。若采取BIM技術將建結水暖電的設計師與施工人員的信息進行全鏈接與記錄，實現點對點聯(lián)系，并通過協(xié)同平臺進行同步演示，可快速完成技術交底、開工預演、結果展示等過程，通過可視化界面示來充分表達各方意見，加快施工協(xié)調過程，減少停工次數，節(jié)省施工成本。

結語

本文通過文獻研究、計算機模擬、對比與歸納的方法對水工所BIM模型建構進行了研究，分析了傳統(tǒng)軟件建模與BIM建模的利弊，提出以水工所為代表的武大早期建筑BIM建模的宗旨與建模方法為：構件族規(guī)劃—構件定位—構件合?！獏蒂x值—數據鏈接。根據建模中存在的難點（自帶族文件不適、定位圖元復雜、貼圖表達不適、裝飾構建形態(tài)復雜等）提出解決方案與參數化設計思路，建立了完整的水工所BIM模型。并據此BIM模型，在建筑施工管理方面進行了BIM技術應用，為水工所的保護與修繕提供技術支撐。

資料來源：

圖3：武漢大學檔案館館藏檔案；文中其余圖表均為作者自繪。

注釋

① 葉雅各，1894-1967，廣東番禺人，耶魯大學森林學碩士。1928年任“國立武漢大學新校舍建設委員會”委員兼秘書長，在校園中親自進行造林設計，采取“自采種、自育苗、自栽植與自保護”的辦法進行苗木植栽。

② 開爾斯（F.H.Kales），1882-1957,1916年到中國從事工程技術工作。20世紀20-30年代參加過中國許多大型工程的建設。1928年任武漢大學新校舍的總建筑師。

③ 萊文斯比爾（A.Levenspiel），？-1984，美籍工程師，畢業(yè)于美國麻省理工學院，參與過部分武漢大學早期建筑的結構設計。

④ 薩克瑟（Richard Sachse）,1884-1966,德籍工程師，是武漢大學新校舍的副總建筑師。

⑤ 漢協(xié)盛，創(chuàng)建于清光緒三十四年（1908年），廠址設在漢口六合路。廠主為沈祝三。漢協(xié)盛是近代武漢眾多營造廠中最具名望的一家，營造的工程包括平和打包廠、交通銀行、景明大樓、武漢大學早期建筑等。

⑥ 參見1935年10月《華北水利月刊》：水利新聞--鄂省府鑒于本省漢江泛濫，多受其害，治水患為建設上最要事務...派楊思廉、李林森等為建筑委員會，會同武漢大學，勘定珞珈山，建水工試驗所。

⑦ 鋪作，狹義指斗 ；廣義指斗 所在的結構層。唐宋建筑斗 所在的鋪作結構層對木構架的穩(wěn)定性起著重要作用。

⑧ 仰蓮，又稱仰蓮磚，宋式磚砌須彌座的結構，位于束腰的上一層，其上雕刻蓮花圖案。

⑨ 壺門，又稱柱子磚，宋式磚砌須彌座的結構，采用砍磨加工的青磚構成，雕刻壺門與柱子花紋。

⑩ 綽幕枋，宋式木構構件，位于大檐額下串聯(lián)角柱與檐柱的枋料，出頭做成蟬肚形，后演變?yōu)槊髑宓娜柑嫘问健?/p>

? 普拍枋，宋式木構構件，位于闌額與柱頂上四周交圈的一種木構件，拉結木構架，又同闌額一道承接補間鋪作。

? 正脊，古建筑瓦作屋頂部位，位于屋頂最高處，與屋面平行，為前后兩坡相交的脊飾，常用磚、瓦等材料覆蓋。

? 垂脊，古建筑瓦作屋頂部位，表示為垂直于正脊的屋脊。在結構上具有防止雨水滲入梁架的功能，在形態(tài)上具有強化屋頂輪廓的裝飾功能。

? 戧脊，古建筑瓦作屋頂部位，為歇山頂的屋脊形式。高度低于垂脊，并與它45°相交。其上飾有仙人走獸等戧獸，裝飾性強。

? 以材為祖，宋《營造法式》中的模數制規(guī)定，將“材”作為造屋尺度的標準，將木構建筑用料尺寸分為八等，按照屋宇大小、結構主次等進行劃分，將所有構件的尺寸都用“材”進行統(tǒng)一，方便設計施工。

? 嵌縫，清水磚墻的灰縫通常要做嵌縫處理，其方法是先用泥刀將灰縫挖進月5mm,用清水刷凈，后將有抗水能力的灰漿嵌入。

? 鴟尾，漢至宋宮殿屋頂兩端的飾物，形似魚尾，寓意抵御火災，故以此作為脊飾。

? 懸魚，屋脊下端的魚形裝飾物，寓意屋主品性清正廉潔。

? 四鋪作，宋代斗 出一跳為四鋪作。從上至下，依次有櫨斗、華 （插昂）、耍頭、襯方頭，共四層，故稱四鋪作。

? 斗耳，斗上面突出的部分，用以卡住 ，形式桌腿，宋時斗耳的高度為斗高的五分之二。

? 斗欹，宋式木構構件，為櫨斗的做成部分，指斗腰下傾斜的部分。

? 內?，斗欹的一種形式，通常為弧線。

? 泥道 ，宋式木構構件，是正心位置的第一道橫 。由于 眼壁常用土坯封閉，表面采用灰泥抹平，故稱泥道 ，清代稱為正心 。

? 昂，斗 中在中心線上前后伸出，前端下斜帶尖的木材部件稱為昂，《營造法式》稱為下昂，其功能與翹相同，形式不同。

? 華 ，宋式斗 上向外出跳的 。

? 枋，在柱子之間起聯(lián)系和穩(wěn)定作用的水平向的穿插構件，它往往是隨著梁或檁而設置。

? ：放置在枋的上面。架于梁頭與梁頭之間或柱頭斗拱與柱頭斗 之間的橫木，清代稱檁。

? 闌額，聯(lián)絡檐柱（或副階柱），上承補間鋪作的枋料，清代稱為額枋。

? 望板，宋式大木作構件之一，指鋪在椽子上的一層模板。望板上做苫背，通過不設天花的梁架，人們可以舉目望見，故稱為望板。