商墩江

(廈門大學 嘉庚學院， 福建 漳州 363105)

建筑遺產管理信息可視化的發(fā)展正在優(yōu)化建筑遺產的保護管理模式，現階段國際古跡和遺址理事會(International Council on Monuments and Sites，ICOMOS)優(yōu)先提倡人們廣泛應用這些技術用于保護遺址。傳統(tǒng)的建筑遺產保護中的一些方法思路被集成到數字信息化技術中。此外，越來越多的研究人員將建筑信息建模(building information modeling，BIM)技術應用在管理建筑信息化全生命周期。BIM同樣運用在建筑遺產的保護和修復中，稱為歷史建筑信息可視化(HBIM)[1]。由于對建筑遺產保護規(guī)律的誤解及長期以來對維護和修復的錯誤觀念，許多工匠認為，建筑遺產的修復工作意味著必須使其完善到人們無法認識到它已經損壞。其實，建筑遺產的保護和修復重點應該是對其遺產的歷史價值和真實現狀的保護。探討歷史建筑組件屬性與其真實性和歷史性有關，是本研究的目的之一。

國內外學者基于HBIM技術在建模、算量以及數據轉化、計算機數據與實踐問題關聯度等方面開展了相關研究，歐美國家在HBIM的實踐應用積累了大量的資料，如在意大利的蛇圣瑪麗教堂、Collemaggio大教堂和帕爾馬大教堂等典型案例中，體現了HBIM技術在建筑遺產風險管理中的模型創(chuàng)建、信息分類、數據管理的優(yōu)越性。國內在最新關于HBIM技術的研究中，相關學者在建筑遺產數據采樣、復原等基礎上，著力研究建筑遺產數字化信息數據庫平臺和數字化信息展示模式，如王茹等研發(fā)古建筑信息模型設計平臺，吳蔥等基于HBIM技術的跨平臺信息化測繪。

通過分析國內外研究案例，從閩南建筑遺產構件特性研究入手，引入類圖與本體論的知識分析理論，將建筑遺產的構成元素系統(tǒng)分類為類圖和知識本體圖譜體系。通過從組件的規(guī)模定義面向對象的類圖和本體，使HBIM系統(tǒng)中的類別、族的計算機管理語義與建筑遺產的知識圖譜相統(tǒng)一，為建筑遺產的組件信息建立HBIM模型仿真的數據庫，用戶通過瀏覽和操作HBIM模型的數據平臺實現對建筑遺產的數據仿真管理。本文通過對“大夫第”歷史建筑單體構件的HBIM模型仿真平臺設計開發(fā)，驗證基于類圖與本體論的HBIM在建筑遺產仿真管理的可行性，并通過使用HBIM數據管理平臺與傳統(tǒng)紙質記錄法的比較，說明其具有提高建筑遺產數據管理的使用經濟效率。

1 類圖與本體論下的HBIM技術相關理論

1.1 歷史建筑信息可視化(HBIM)

HBIM用于協(xié)助建筑遺產的保護或修復。除了建立建筑構件的三維模型仿真外，還必須考慮建筑遺產組件的歷史信息仿真。在當地文化傳承中，建筑遺產的歷史藝術價值是其重要的傳承路徑，可以有效地傳承與保存歷史文化。例如，在建筑遺產的斗拱組件的情況下，可以提取建筑物制造方法、維修者姓名和斗拱組件幾何模型特征的內容[2-4]。但是，目前的HBIM軟件中不存在這些屬性設置。在這方面，有許多研究都探討了建筑三維模型的最終精度或模型的獲取過程。然而，對建筑遺產組件的重要歷史信息的研究較少，尤其是利用幾何模型特征保存歷史信息。本研究旨在構建一套建筑遺產檔案的數字管理仿真模式。

1.2 面向對象類圖

類圖(class diagram)顯示了模型的靜態(tài)結構，特別是模型中存在的類、類的內部結構以及它們與其他類的關系等。類圖不顯示暫時性的信息。類圖是面向對象建模的主要組成部分。它既用于應用程序的系統(tǒng)分類的一般概念建模，也用于詳細建模，將模型轉換成編程代碼。類圖也可用于數據建模[5]。

行業(yè)互操作性聯盟(IAI)應用面向對象的程序設計(object oriented programming，OOP)開發(fā)行業(yè)基礎類(IFC)。通過IFC，在建筑項目的整個生命周期中提升溝通、生產力、時間、成本和質量，為全球的建筑專業(yè)與設備專業(yè)中的流程提升與信息共享建立一個普遍意義的基準。IFC標準為AEC/FM行業(yè)提供共享的標準數據模型，已得到ISO的認證，編號為ISO/PA16739，成為建筑行業(yè)認可度非常高的數據交換與共享標準，如圖1所示。該標準通過OOP的概念證明了建立建筑組件和類之間關系的可能性[6]。

圖1 IFC建筑模型識別圖(ISO 16739—2013)

本研究試圖利用OOP的概念建立建筑遺產組件的類圖，以詳細描述建筑遺產屬性的價值和組件內的結構關系。以此清晰地梳理中國建筑遺產信息管理的標準數據模型。

1.3 知識本體論

知識本體是領域概念及概念之間關系的規(guī)范化描述，這種描述是規(guī)范的、明確的、形式化的及可共享的?！懊鞔_”意味著所采用概念的類型和它們應用的約束實行明確的定義?！靶问交敝钢R本體是計算機可讀的(即能被計算機處理)；“共享”反映知識本體應捕捉該領域中一致公認的知識，反映的是相關領域中公認的概念集，即知識本體針對的是團體而非個體的共識。目前并沒有所有用戶遵守的本體標準(ISO類)，為了更好地定義本體以避免概念誤解，可以由同一或不同領域的幾位專家定義本體知識。

在許多類型的本體語言結構中，OWL是一種定義和實例化“Web本體”的模型語言。通過對增加關于那些描述或提供網絡內容的資源的信息，從而使網絡資源能夠更容易地被那些自動進程訪問。此外，該OWL模型通過發(fā)布到互聯網云平臺，供其他專家瀏覽和進一步研究，最終提高模型的數據信息仿真互操性[7-8]。

本研究旨在通過本體模型闡明建筑遺產的構件類之間的關系以及類的屬性，以及在本體模型中植入基本的歷史信息，將本體模型轉換成計算機信息化可讀語義并提高其數據信息自動化。最終將該本體模型推廣為建筑遺產的標準規(guī)范，使用戶可以通過該模型自動查詢建筑遺產組件的層次結構、構件之間的關系和構件內部的歷史信息。

2 基于類圖與本體論的HBIM建筑遺產數據管理仿真研究方法

2.1 建筑組件的數據仿真結構

建筑遺產保護的數據管理仿真研究，核心數據是采集建筑構件部分和歷史文化信息，并在建筑遺產內應用HBIM概念。例如，閩南風格建筑構件信息在成為HBIM系統(tǒng)中的組件之前需要詳細定義類圖與本體。本研究以閩南式祠堂——“大夫第”建筑遺產為研究對象，通過對傳統(tǒng)的閩南風格建筑數據采樣分析，其根據結構屬性大致分為承重和非承重構件，承重構件主要作用于承載屋頂或建筑物本身的重量，自上而下依次為屋頂、木構件、墻體、石基。木構件是建筑中最復雜的結構件，可分為椽、梁、斗拱、柱和柱基。本研究通過修復工作報告對“大夫第”進行數據采集，除了建筑部分，同時對歷史文化信息進行了調查?？傊?，本研究定義了閩南風格建筑組件的數據仿真結構。

2.2 構建建筑組件的類圖和本體

通過建立類圖和本體以此表示和闡明建筑組件的數據仿真結構。采用統(tǒng)一建模語言(UML)建立該圖。由于定義和要求引用了閩南風格建筑的分類方法以及歷史建筑模型指南，用于建立本體的軟件是Protégé軟件[9]。它是由斯坦福大學開發(fā)的用于編輯和獲取知識的軟件，Protégé軟件通過使用本體語言為OWL并可以結合許多插件功能，其是現階段應用最廣泛的本體編輯軟件之一。正如第2.3節(jié)的描述，類圖和本體的設計模型概念都是建立在以研究閩南樣式的建筑遺產數據仿真結構，通過3.1節(jié)歸納的建筑組件中，選取其中斗拱構件為研究示例，在本體中構建單個建筑構件演示設計HBIM模型概念。

2.3 創(chuàng)建HBIM模型數據管理仿真庫

該數據仿真庫的適用對象是負責建筑遺產保護的利益相關者，保護專家、管理者和維修者。而鼓浪嶼地區(qū)當前傳統(tǒng)數據庫并不能滿足現有HBIM模型數據庫的功能和信息。例如 “大夫第”的建筑信息可以在鼓浪嶼管委會文保科檔案中心系統(tǒng)中找到。通過調閱查看，該部門的檔案數據中記載的建筑信息僅限于對“大夫第”的基本介紹，通過走訪調研得出鼓浪嶼地區(qū)尚無記錄已建文物建筑的歷史信息數據庫。雖然越來越多的研究將HBIM應用于建筑遺產的保護和管理，但與數據庫創(chuàng)建方法相比，HBIM模型在科學歸檔數據自動化仿真方面的控制和適應性仍然較少。

數據管理仿真庫是相關采樣數據的自動化集合，數據是可以處理產生信息圖形的事實和數字的集合。普遍意義上，數據代表可記錄的事實圖形，數據仿真有助于產生基于事實的建筑遺產信息。數據庫類型包括單表數據庫和關系數據庫，單表數據庫在處理復雜和大數據的同時將花費更多的內存空間和冗余[10]。本研究選擇關系數據庫來存儲歷史信息，使用的軟件是My SQLWorkbench ver.6.3.6，數據管理庫的結構是基于類圖，數據來自“大夫第”的報告。

2.4 創(chuàng)建3D模型和集成仿真平臺

通過對建筑遺產數據采集在HBIM模式中建筑組件屬性在其3D模型中排列，3D模型不僅真實再現建筑遺產的現貌及原貌，而且可以自動化顯示階段維修期的位置、體積、材料或管理信息等幾何規(guī)則數據。如果建筑模型不復雜并差異很小，所得到的建筑模型在精度方面比測量技術好。然而，閩南樣式的建筑遺產除了基礎構造外，大多存在大量裝飾和雕塑，如何做出選擇取決于遇到的現實情況。本研究的目的是建立一個HBIM模式在閩南風格建筑遺產保護的數據管理仿真模式。仿真模式的可行性是研究的重點，而不是模型的準確性。因此，研究構建組件3D模型的創(chuàng)建方法現階段通過使用Autodesk Revit軟件中生成，將3D模型直接構建在建筑遺產數據仿真的HBIM環(huán)境。本研究以“大夫第”建筑遺產的斗拱構件修復與開發(fā)為例，測繪二維CAD圖是三維模型的基礎。圖2顯示了2D中斗拱組件的示例。

圖2 建筑遺產斗拱構件CAD圖

通過將建筑遺產的3D模型數據及與之相關的歷史文化資料和修復報告進行系統(tǒng)整合，創(chuàng)建自動化集成平臺。該集成平臺通過使用者調閱建筑遺產組件信息，該組件3D模型和歷史信息同平臺顯示、瀏覽和操作。集成平臺核心為根據與建筑遺產管理的利益相關者要求進行功能開發(fā)：①數據集成平臺動態(tài)顯示連接MySQL數據庫和3D模型。②管理使用者通過數據集成平臺可以調閱數據庫中的表格和HBIM軟件中的模型。

3 基于類圖與本體論的HBIM建筑遺產數據管理仿真的模型平臺

3.1 建筑遺產組件的數據管理仿真結構

建筑遺產組件的屬性數據仿真結構包括建筑遺產物理屬性和建筑歷史文化屬性。物理屬性是建筑構件的幾何信息或空間信息，可以通過采集生成實體進行分析研究；歷史文化屬性是來自建筑遺產的文獻或報告的信息，包括建造構件的工藝、使用的工具與材料、參與工程的工匠、建筑遺產的使用者和使用情況、維修報告等。對于建筑遺產的歷史文化本體知識外的特殊信息，可以增加定義本體知識，以獲得更完整的數據結構。延伸值部分是該建筑遺產在當地文化、歷史、藝術、科學和教育等領域中的學術研究，如圖3所示。

圖3 建筑構件數據仿真結構

3.2 建筑遺產構件的類圖格局

建筑遺產的類圖是基于構件的數據管理仿真結構，建筑基類還有許多不同信息類型的其他子類，不同的建筑基類有14個基本子類的建筑遺產數據管理仿真類圖格局。本文以“大夫第”建筑遺產中的斗拱元件為研究示例說明，其類圖格局依次分為建筑基類、部位構造子類、斗工子類。

1)建筑基類。該類為描述建筑遺產的基本屬性，其代表整個建筑遺產的物理屬性。此類管理大量的建筑遺產數據屬性，在本研究中只列出了最基本的屬性，例如名稱、地址、管理單位和關系人員。構成整個建筑類下又包括3個物理子類，分別是構件子類、表面處理子類和部位構造子類。

2)部位構造子類。建筑遺產有不同類型的部位構造子類型，如屋頂、木結構、墻壁等。這些部位構造子類有名稱、描述、施工日期、圖案等。施工日期包括這個部位構造子類型在不同時期的維修時間，并且這個屬性與“時間”子類相關，其他具有“施工日期”屬性的類是相似的。樣式屬性是指建筑遺產的風格，在建筑遺產中，即使建筑風格相同，不同的工匠、工藝之間也有不同的作法。

部位構造子類的差異是屬性的值，因此在圖4中，“元件”子類是為了區(qū)分不同的建筑遺產部位結構子類而建立的。元件子類通過“類型”屬性與部位構造子類相關，在這種情況下，不會有不同類型的部位構造構建冗余子類。元件子類在部位構造類下存在不同的結構并有不同的類型代碼。在本研究中，選擇了木結構的斗拱元件來演示部位構造子類。

3)斗工子類。表示制作木結構屬性的部位構造子類。木制元件類型是斗工子類的基本組成部分。為了清楚地記錄斗工子類規(guī)模信息，這些木制元件類型構造往往比較復雜，以至于斗工子類比其他子類具有更多的屬性。以斗拱元件為例，該元件類型包括樣式、名稱、ID、材料、施工日期、油漆、工匠、工具、修理、描述、工藝等。同時斗拱元件中材料屬性與建筑基類下的物料子類連接，此材料屬性同時包含在物料子類下統(tǒng)一管理。

3.3 建筑遺產構件的知識本體

Web本體語言OWL是一種定義和實例化“Web本體”的語言，OWL中類的屬性與類圖相同，OWL本體的優(yōu)點是能夠對建筑遺產做推理的工具。OWL中的數據屬性表示建筑遺產類圖對象屬性，對象屬性表示不同建筑類之間的關系。在圖5中看到對象屬性“has_artisan”用于顯示對象屬性的結果。在圖5中，有幾個類的對象屬性值為“has_artisan”，它們根據這個屬性與“工匠”類相關，在對象屬性的域中設置。以此每個類都可以與其他類關聯，以滿足知識本體的要求。

圖4 構件、結構和代碼類的組織

圖5 “has_artisan”對象屬性

通過在Protégé軟件中編輯Web本體語言OWL并將其推送到語義網應用本體知識。建筑遺產的類圖與本體使用GitHub和本體論的方法。用戶首先通過對建筑遺產構件數據歸類并將其本體文件上傳到GitHub，然后將數據存儲庫分拆到本體論網站，最后，本體論網站將本體文件上傳到GitHub：W3id.org中的W3C服務器。此外，Web本體語言OWL還根據本體文件生成許多有用的數據文檔，如詞匯表的評估和可讀的本體文檔，這些功能對于進一步應用和促進數據的仿真互操性非常有用。于此同時，為了確保知識本體顯示正確的數據信息，知識本體的定義范圍必須由相關專家定義。在本研究中，建筑遺產的知識本體基于建筑數據管理類圖格局在內的歷史數據的參數化庫。

3.4 建筑遺產組件參數化數據管理仿真庫

數據管理仿真庫的結果顯示在增強實體-關系(EER)圖中，以便更好地理解數據管理仿真庫中的圖信息和關系信息。EER圖是在數據庫建立之后生成的，不像一般的實體-關系圖，在建立數據庫之前用于顯示藍圖。MySQL Workbench 6.3軟件中的一個名為“逆向工程”的函數生成了EER圖。由于EER圖的復雜性和表數量龐大，為了演示整個圖的組織結構而提取了EER圖的一部分。

圖6顯示了工藝信息表的組織。磚砌和雕刻是工藝的子類，屬性“工藝ID”是子類的外鍵，由于工藝的許多屬性都與工藝類的許多屬性有關。這樣，雖然在工藝表中無法看到使用該工藝的工匠，但在數據庫中瀏覽后可以找到它，以此可以充分發(fā)揮關系數據管理仿真庫的優(yōu)勢。

圖6 建筑工藝部分的關系數據庫

該數據管理仿真庫中的數據來自1986年和2006年“大夫第”的翻修報告。將報告中的數據按其表導入數據庫，對數據庫的評估進行了一些基本的搜索。例如，如果用戶想查找有關組件的信息，則將顯示組件的屬性。

3.5 3D建筑模型和集成仿真平臺(HBIM)

通過使用Autodesk Revit軟件建立基于“大夫第”二維CAD圖的建筑構件三維模型。其模型物理屬性將自動化顯示在HBIM模型。3D建筑模型及三維斗拱元件結果可以在圖7和圖8中看到。圖7顯示了建筑遺產斗工子類下的斗拱元件的三維模型，根據圖類和本體框架，對三維模型設置對象屬性參數。如果Revit中的建筑遺產數據庫不匹配，可以根據二維CAD繪圖中的數據設置基本的測量屬性，最后還需要添加該材質。通過繪制“大夫第”的所有組件后，可以使用這些組件來建造歷史建筑仿真。圖8為“大夫第”正門。

圖7 “大夫第”建筑構件仿真實例

圖8 “大夫第”建筑遺產正門仿真

從建筑遺產組件的角度出發(fā)，基于類圖與本體論的研究合理分類建筑遺產構件屬性。從構件的規(guī)模定義面向對象的類圖和本體，以澄清概念并提高互操作性。為建筑組件信息建立HBIM模型仿真的數據管理庫。建立其數據管理仿真的建筑遺產HBIM模型平臺，供用戶同時瀏覽和操作數據庫，現階段通過在Dynamo環(huán)境中搭建集成仿真平臺測試，瀏覽界面環(huán)境如圖9所示。測試用戶可以同時瀏覽建筑遺產數據信息管理仿真庫中的數據和Revit軟件自動生成的三維模型，瀏覽結果可以導出為電子文本檔案。

圖9 Dynamo中構建仿真組件的瀏覽結果

4 基于類圖與本體論的HBIM在建筑遺產數據管理仿真中的應用模型評估

4.1 HBIM應用模型的實驗設計

對于HBIM在建筑遺產數據管理仿真的應用模型評估，邀請了在該領域職業(yè)生涯超過1年的遺產管理與保護人員。共有13名歷史建筑管理人員與保護專家(11名男性和2名女性)處于不同年齡組(年齡在20～69歲)，其中2/3的測試人員中具有至少3年從事建筑遺產管理和保護工作。他們用兩種方法完成任務，分別是紙質記錄方法和HBIM集成仿真平臺。測試任務包括用戶使用管理手冊、報告檢查和記錄損壞的建筑遺產構件，檢查測試清單上的項目以及將破損構件拍照保留。

通過此項現場測試比較紙質記錄方法和HBIM集成仿真平臺以評估這兩種方法的用戶體驗感受。在現場測試任務結束時，測試人員填寫有關該方法的問卷。為了測量精神壓力水平和身體負荷、廣泛使用、主觀和多維評估工具被用來評估感知的工作量。為了測量所提出的系統(tǒng)的可用性，使用了交互式3D模型仿真信息系統(tǒng)的可用性指數。

4.2 HBIM技術應用模型的實驗結果

在現場測試任務結束比較中，HBIM集成仿真平臺方法比紙質記錄方法少了145 s。在現場測試紙張記錄方法中，用戶需要將各種來源檢索和拍攝信息不斷檢索匯總整理分類，而HBIM集成仿真平臺方法只需將現狀記錄拍照按要求添加，這樣搜索和文檔可以使用單個設備完成，其自動化程度非常高。比較執(zhí)行任務所需的時間和參與者的年齡，對于50歲以上的人來說平均任務需要143 s，對于50歲以下的人平均需要92 s。這似乎是由于對不同年齡組的現場基于HBIM集成仿真平臺的交互的熟悉程度不同，如圖10所示。

圖10 紙質記錄法和HBIM技術應用模型平臺法完成任務所需時間比較

用戶心理壓力水平和身體負荷的結果表明，使用HBIM集成仿真平臺方法的參與者比使用紙質記錄方法時受挫的程度要小得多，如圖11所示。這是因為他們熟悉輸入文本和存儲數據，因為他們通常使用智能手機等數字設備。另一個與紙張方法有很大差異的項目是物理需求，這是由于紙張記錄方法有負擔，用戶必須直接交付文件并找到核對必要的信息。而HBIM集成仿真平臺方法在移動環(huán)境中自動化程度非常高，其自動記錄數據分類歸檔技術可用于架構管理。

圖11 紙質記錄法和HBIM技術應用模型仿真平臺的任務負荷指數

圖12 可用性測試結果

在可用性問卷中，最高平均分(3.9分)是關于信息操作，如圖12所示。與紙質方法相比，HBIM集成仿真平臺方法在建筑數據自動化方面就有先天優(yōu)勢，在測試人員填寫信息過程中，平臺通過類圖和本體選項設置，自動輔助測試人員完成信息操作，節(jié)約了測試人員在清單中查找和分類的時間，同時也間接避免測試人員的錯誤操作。整體理解記錄的平均得分(3.7分)高于其他指數。這是因為該應用程序提供了存儲在HBIM集成仿真平臺。

5 結語

研究基于類圖與本體論的HBIM建筑遺產數據管理應用模型平臺，測試其協(xié)助保護建筑遺產的可行性，提高建筑遺產保護管理的自動化。從建筑遺產組件的角度出發(fā)，基于類圖與本體論的研究合理分類建筑遺產組件屬性。從組件的規(guī)模定義面向對象的類圖和本體，以澄清概念并提高互操作性。為建筑組件信息建立HBIM模型仿真的數據管理庫，并通過HBIM模型平臺供用戶同時瀏覽和操作數據庫。通過“大夫第”歷史建筑單體構件的實驗設計表明，HBIM模型平臺與紙質記錄法比較測試中，在完成時間上綜合效率提高40%，在任務負荷指數上減少10%，在可用性測試結果各項指數優(yōu)秀，以此提高建筑遺產數據管理的使用經濟效率。此外，由于每臺計算機都可以理解本體模型的結構，因此基于類圖與本體論的HBIM集成仿真平臺可以增加信息的互操作性，這一優(yōu)勢使該平臺更容易應用于不同的建筑遺產保護。該集成平臺已被證明優(yōu)于傳統(tǒng)的記錄方法，其在建筑數據自動化方面就有先天優(yōu)勢。如果能將遺產修復過程詳細記錄到數據庫中，就可以完全保存建筑遺產的真實性。

正如討論中所提到的，“大夫第”建筑遺產是本研究的唯一案例研究，該模式對于其他風格的中國建筑遺產中實施的可行性需要更多的案例研究來支持。

“大夫第”建筑遺產構件的三維模型仿真是通過REVIT軟件創(chuàng)建生成的。如果能將測繪技術中的模型應用于HBIM技術應用模型仿真平臺，可以提高建筑遺產幾何真實性的模型的精度，如果從攝影測量或激光掃描的模型完美導入到HBIM集成仿真平臺中，則該平臺將更忠實地反映建筑遺產仿真模型信息，并將對建筑遺產中的利益相關者在遺產修繕的過程中有指導意義。