季文媚,汪立才,馬俊晨

安徽建筑大學(xué) 1.建筑與規(guī)劃學(xué)院;2.安徽省國(guó)土空間規(guī)劃與生態(tài)研究院,安徽合肥,230601

古建筑保護(hù)與修繕項(xiàng)目是一個(gè)高度分散的管理系統(tǒng),且依賴于不同專業(yè)團(tuán)體(包括業(yè)主、承包商、建筑師和工程師等)之間的相互協(xié)調(diào),因而成為限制其經(jīng)濟(jì)規(guī)模的重要因素,間接導(dǎo)致施工過(guò)程與修繕文本的統(tǒng)一性降低。項(xiàng)目施工造價(jià)和施工進(jìn)度是否契合于所擬工程預(yù)算和施工模擬計(jì)劃,所依照的工藝做法和所應(yīng)遵守的原則是否為傳統(tǒng)地方做法和保護(hù)明文準(zhǔn)則,皆有待考據(jù)。這些市場(chǎng)特征導(dǎo)致建筑保護(hù)與修繕行業(yè)的歷史表現(xiàn)長(zhǎng)期欠佳,致使市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化不足、創(chuàng)新和數(shù)字化進(jìn)度緩慢及客戶滿意度低、交付過(guò)程繁瑣等[1]。

BIM技術(shù)帶來(lái)的曙光——建筑信息化建模(BIM)是一個(gè)借助共享化數(shù)字系統(tǒng)的搭建來(lái)貫穿建筑全生命周期(設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng))的產(chǎn)業(yè)模式,并提供可靠決策支持的過(guò)程。BIM的全稱是Building Infornation Model,指在建筑工程項(xiàng)目中將傳統(tǒng)二維表達(dá)圖紙變?yōu)橛捎胁馁|(zhì)數(shù)據(jù)、物理特性和幾何數(shù)據(jù)的三維模型來(lái)進(jìn)行表達(dá),最終形成一個(gè)匯總建筑所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。數(shù)據(jù)庫(kù)不僅包含建筑及構(gòu)筑物所擁有的尺寸大小和連接方式,還可以賦予構(gòu)件殘損病害信息、材料覆蓋屬性、標(biāo)準(zhǔn)樣板展示和力學(xué)受力特征等。每一個(gè)數(shù)據(jù)信息并非單獨(dú)的個(gè)體,它們彼此存有緊密關(guān)聯(lián)性。

1 BIM技術(shù)應(yīng)用特征

1.1 可視化展示

目前多數(shù)古建筑工程項(xiàng)目仍以圖紙或者CAD為工程信息的載體[3],繼而利用SU、3DMAX等軟件進(jìn)行基礎(chǔ)建模,僅作為效果圖向客戶展示,導(dǎo)致信息傳達(dá)不到位,使BIM的優(yōu)勢(shì)之處得以體現(xiàn)。如今市場(chǎng)上BIM的建模軟件以revit為主,revit在建模過(guò)程中,精確到古建筑各個(gè)構(gòu)件,如立柱、梁架、墻壁和瓦件等,木構(gòu)件之間的榫卯結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系也能得以精確定位,極大減少了施工配料時(shí)間和返工次數(shù);在施工模擬過(guò)程中,將BIM模型導(dǎo)入fuzor軟件進(jìn)行同步處理(圖1),設(shè)置整體項(xiàng)目計(jì)劃的開(kāi)始日期和結(jié)束期限,作為進(jìn)度模擬時(shí)間軸,在每一段時(shí)間內(nèi)選擇相應(yīng)構(gòu)件創(chuàng)建進(jìn)度條,4D動(dòng)畫模擬便可得以清晰地展示。BIM的可視化不只是模型構(gòu)造信息可視化,更在于項(xiàng)目文本制作、現(xiàn)場(chǎng)施工修復(fù)溝通過(guò)程及運(yùn)營(yíng)后期維護(hù)管理都在可視化狀態(tài)下進(jìn)行。

圖1 項(xiàng)目可視化展示圖

1.2 原真性保護(hù)

“原真性”一詞是英文“Authenticity” 的中文釋義,起源于中世紀(jì)的歐洲,曾用于宗教、時(shí)代精神和價(jià)值觀念等領(lǐng)域[4]。對(duì)于歷史建筑而言,其原真性的保護(hù)集中體現(xiàn)在建筑形制、建筑結(jié)構(gòu)、原有材料和工藝技術(shù)等四個(gè)方面[5],BIM技術(shù)給予原真性保護(hù)工作極大支持。首先利用3D激光掃描設(shè)備對(duì)歷史文物進(jìn)行全方位掃描,獲得數(shù)據(jù)后用配套軟件(如geomagic)進(jìn)行點(diǎn)云去噪、平滑等數(shù)據(jù)預(yù)處理(可借助SCAN TO BIM插件)。數(shù)據(jù)處理完成后轉(zhuǎn)入revit,在revit中建立相應(yīng)族文件,按照專業(yè)要求設(shè)置對(duì)應(yīng)的屬性信息,每一步添加更詳細(xì)的說(shuō)明及資料。最后在現(xiàn)場(chǎng)利用BIM驅(qū)動(dòng)和指導(dǎo)施工。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

傳統(tǒng)建筑與現(xiàn)代建筑在信息模型管理與分析方面存在較多一致性,主要是基于軟件平臺(tái)間的協(xié)同操作與分析路徑[6]。BIM按數(shù)據(jù)類型可分為幾何數(shù)據(jù)和圖文數(shù)據(jù)。幾何數(shù)據(jù)包含構(gòu)件內(nèi)部幾何形態(tài)和與外部關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)信息,圖文數(shù)據(jù)指族參數(shù)屬性的添加,對(duì)所屬構(gòu)件進(jìn)行分類、解釋,這些參數(shù)可以作為共享參數(shù)上傳云端數(shù)據(jù)庫(kù),不同項(xiàng)目可以此為參照進(jìn)行分類整理。數(shù)據(jù)庫(kù)的功能為標(biāo)準(zhǔn)化修繕設(shè)計(jì)提供了極大便利,對(duì)建筑文化的傳承與發(fā)展提供了無(wú)限可能。

2 歷史建筑項(xiàng)目概述

2.1 歷史沿革

包公祠[7],又名“包肅孝公祠”(圖2),坐落于安徽省合肥市,坐北朝南,占地面積約 0.81 公頃。包公祠史建于北宋,明中期移遷今址,明清兩代多有修繕,清末李鴻章出資重修,基本規(guī)模布局沿襲至今(圖3)。祠內(nèi)存有包拯及其子嗣大量珍貴的歷史資料及附屬文物[8],包公祠的保護(hù)對(duì)優(yōu)秀歷史文化的傳承具有重要意義。

圖2 包公祠鳥瞰圖

圖3 包公祠歷史沿革圖

2.2 平面布局

祠堂建筑原構(gòu)保存完整,由正殿、東西廂房、游廊等組成(圖4)。建筑整體風(fēng)格為清代遺構(gòu),天井式院落布局,中軸對(duì)稱,樸素典雅。正墻為一堵“高門臉”,上覆疊瓦,墻角雕有花邊圖案,做法講究,氣勢(shì)恢宏;正門入內(nèi)為一方天井,尺寸寬敞,增加院內(nèi)通風(fēng)采光;東西則為倆廂房?jī)?nèi)展有歷代包拯畫像,包式宗譜等;正殿為兩面坡小瓦木結(jié)構(gòu)平房,面闊五間,室內(nèi)構(gòu)架裝飾考究,墻磚、牛腿拱、梁架等均有雕刻和彩繪;游廊環(huán)繞正殿及東、西廂房四周墻體外圍而建, 長(zhǎng)約 40 米,正殿與廂房的回廊合為“抄手回廊式”,分成 前“遊步”后“副階”,側(cè)面呈歇山屋面狀,將小中見(jiàn)大“匠 意”得以升華。

圖4 包公祠平面布局圖

2.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

包公祠主要建筑為南向的正殿以及東西向的廂房,建筑結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu),歷經(jīng)百余年,其建筑主體難免受到人為或自然因素的影響造成殘損破壞。其一,因合肥位于江淮之間,空氣濕潤(rùn),夏季多雨,木質(zhì)材料難以保存其原有面貌,加快木構(gòu)件的糟朽與病害,亦出現(xiàn)磚石構(gòu)件表面局部風(fēng)化酥堿、抱柱油漆和墻體抹灰脫落、彩畫裝飾受潮霉化等現(xiàn)象。其二,包公祠自開(kāi)放以來(lái),客流量與日俱增,參觀朝拜者絡(luò)繹不絕,尤其是旅游高峰時(shí)期,景區(qū)內(nèi)人滿為患,對(duì)建筑和文物本身也帶來(lái)諸多風(fēng)險(xiǎn)。其三,20世紀(jì)以來(lái)政府持續(xù)對(duì)包公祠進(jìn)行撥款修繕工作,由于前期調(diào)研和資料收集不足,對(duì)文物的修繕難以依據(jù)傳統(tǒng)工藝做法,也間接造成了文物的二次損害。因此,標(biāo)準(zhǔn)化修繕措施的制定工作迫在眉睫。

3 BIM基本模型建構(gòu)

3.1 族類別的選取

在revit軟件中,“族”是組成建筑的基本要素,也是revit最核心的概念。在建模過(guò)程中根據(jù)項(xiàng)目需要,尤其是傳統(tǒng)建筑的木作結(jié)構(gòu),對(duì)不同構(gòu)件進(jìn)行分類從而甄別合適的族類別,可以大大節(jié)省建模時(shí)間。不同的族類別帶有不同參數(shù)和屬性,但可以通過(guò)共享參數(shù)的建立達(dá)到參數(shù)的完整性,例如立柱與穿枋之間的榫卯尺寸,內(nèi)外鋪裝的排列方式,墻體、屋面的材料分層等。revit族根據(jù)軟件自身定義以及實(shí)際項(xiàng)目情況可分為三大類,分別為系統(tǒng)族、外部族和自建族。

(1)系統(tǒng)族為軟件在項(xiàng)目樣板自帶的族[9],其所具有的自身參數(shù)類型不可進(jìn)行更替,但滿足基本需求。包公祠內(nèi)的圍護(hù)構(gòu)件,如墻體、欄桿和門窗等皆可使用系統(tǒng)族創(chuàng)建。

(2)外部族指軟件內(nèi)部不自帶,需要通過(guò)外部導(dǎo)入的族,如構(gòu)件塢、族庫(kù)大師等外部插件的使用,相對(duì)程度上能夠填補(bǔ)系統(tǒng)族不完善的缺陷。但如今外部族開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)始終停留于房建方向,對(duì)于傳統(tǒng)建筑的開(kāi)發(fā)利用少之又少。

(3)自建族多適用于異形結(jié)構(gòu)和細(xì)部裝飾的建構(gòu),需先新建一個(gè)族頁(yè)面,創(chuàng)建一組在項(xiàng)目中使用的自定義構(gòu)件。由于新建頁(yè)面無(wú)構(gòu)件位置和尺寸信息,只能重新導(dǎo)入CAD底圖進(jìn)行參照建模,因此可先借助常規(guī)模型在項(xiàng)目?jī)?nèi)進(jìn)行構(gòu)件創(chuàng)建,繼而復(fù)制到新建族頁(yè)面中進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置,最終導(dǎo)入原本項(xiàng)目文件中,達(dá)到項(xiàng)目之間的共享。

3.2 自建族的繪制

自建族通過(guò)參數(shù)化約束手段來(lái)實(shí)現(xiàn)幾何形體尺寸及位置的聯(lián)動(dòng)作用[10]。自建族類型可根據(jù)構(gòu)件所屬類型進(jìn)行細(xì)分,這也是建模前期的準(zhǔn)備工作。如立柱的族按縱深方向可分為脊柱、金柱、檐柱和廊柱等,按外形可分為直柱、梭柱;亦有按柱的功能、截面形狀分類的,不勝枚舉。建模之初,首先在合適的族樣板(一般采用公制常規(guī)模型樣板)內(nèi)創(chuàng)造參照線和參照平面,并且對(duì)其進(jìn)行尺寸丈量;通過(guò)融合、拉伸、放樣融合、空心形狀等命令做出構(gòu)件基本型,再將各個(gè)邊線與參照線或參照平面對(duì)齊;接著建立實(shí)例或類型的共享參數(shù)屬性(圖5),再將其與對(duì)齊尺寸標(biāo)注關(guān)聯(lián);最后導(dǎo)入項(xiàng)目樣板中,可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)修改。

圖5 共享參數(shù)設(shè)置圖

3.3 木排架的細(xì)化

包公祠所屬建筑排架形式是基于構(gòu)件族庫(kù)而體現(xiàn),主要分為入口前堂、東西廂房和正殿等三類木排架。由于建筑整體風(fēng)貌統(tǒng)一,構(gòu)件基本樣式類似,處于同一通例基礎(chǔ)上的構(gòu)件適用于不同構(gòu)架,如直柱、步梁和牛腿等。通過(guò)BIM成果的展示,使建筑排架、單一構(gòu)件、榫卯結(jié)構(gòu)一目了然,進(jìn)而得出結(jié)構(gòu)特征分析(圖6)。包公祠木構(gòu)架融合“抬梁式”和“抬梁穿斗結(jié)合式”兩種梁架結(jié)構(gòu)[11],前堂、廂房、正殿排架之間又經(jīng)過(guò)枋件進(jìn)行串接,圍合成一進(jìn)天井院落。整體工藝做法講究,又不失地方特色,通過(guò)外擴(kuò)天井圍合面積,增大院落場(chǎng)所空間,同時(shí)滿足正殿室內(nèi)通風(fēng)采光需求。

圖6 木排架結(jié)構(gòu)特征圖

4 基于BIM的建筑保護(hù)與修繕

4.1 殘損信息平臺(tái)搭建

完整的建筑保護(hù)設(shè)計(jì)方案文本不僅包含建筑歷史沿革、建筑形制、價(jià)值評(píng)估等基本章序,還囊括建筑主體勘測(cè)及殘損狀況統(tǒng)計(jì)、殘損因素的推理以及后期修繕措施的分析。其中,殘損信息統(tǒng)計(jì)的環(huán)節(jié)是整個(gè)方案文本的核心,也是殘損評(píng)估乃至后期修復(fù)的依據(jù)。由此可見(jiàn),歷史建筑殘損信息的處理能力尤為重要?；贐IM的殘損信息管理在傳統(tǒng)CAD制圖模式下,增加了構(gòu)件與殘損信息的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)作用。在提取殘損信息關(guān)鍵字段同時(shí),將構(gòu)件所處位置和構(gòu)件相關(guān)信息快速、完整地展示,并通過(guò)選取構(gòu)件本身直接進(jìn)行快速修改。主要有兩種方式可以進(jìn)行殘損信息的處理,其一是運(yùn)用標(biāo)記注釋,其二是與Excel表格的聯(lián)動(dòng)作用。

4.1.1 標(biāo)記注釋的運(yùn)用

在revit軟件中新建項(xiàng)目圖紙并命名,將各個(gè)圖層分別導(dǎo)入并鎖定視圖;在標(biāo)題欄選擇注釋,點(diǎn)擊按類別標(biāo)記;選中圖框內(nèi)殘損待修繕構(gòu)件,雙擊進(jìn)入文字框進(jìn)行構(gòu)件現(xiàn)狀的描述?？赏ㄟ^(guò)“云線批注”和“填充區(qū)域”的使用,對(duì)殘損區(qū)域較大的部位進(jìn)行圈出、覆蓋,使整個(gè)圖例的展示更加直觀、清晰(圖7)。該方法滿足建筑本體及附屬設(shè)施的殘損展示,但仍屬于2D功能的延續(xù),對(duì)于龐大體量的建筑群的信息管理仍存有一定局限性,不能批量地進(jìn)行信息修改及各部件殘損狀況的比對(duì)。

圖7 殘損信息圖

4.1.2 與Excel表格的聯(lián)動(dòng)

族屬性信息添加的傳統(tǒng)做法是逐一添加,對(duì)其信息內(nèi)容的更改也是逐一更改,導(dǎo)致項(xiàng)目整體效率較低,準(zhǔn)確度有待提升,通過(guò)BIMone插件的使用使所屬信息與Excel表格進(jìn)行交互聯(lián)動(dòng),能有效地解決此類問(wèn)題。首先新建明細(xì)表(根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要選擇相應(yīng)類別、可用字段),通過(guò)BIMone將明細(xì)表導(dǎo)出為本地Excel文件,并對(duì)文件命名;打開(kāi)Excel表格將工作表保護(hù)模式撤銷,進(jìn)行族屬性信息的添加或信息內(nèi)容的批量更改;再次將已做修改的Excel表格導(dǎo)入項(xiàng)目文件,明細(xì)表內(nèi)容自動(dòng)發(fā)生修整。在明細(xì)表中如何發(fā)現(xiàn)沖突信息,可選擇將其在模型中高亮顯示并進(jìn)行答疑(圖8)。基于Excel表格的同步聯(lián)動(dòng)作用可對(duì)保護(hù)建筑進(jìn)行逐一分析,分析條例含殘損狀況、殘損因素及修復(fù)意見(jiàn)等,同時(shí)為后期修復(fù)手法的針對(duì)性研究做鋪墊,如表1所示。

表1 殘損統(tǒng)計(jì)表

圖8 表格創(chuàng)建流程圖

4.2 施工修繕做法演繹

通過(guò)殘損信息平臺(tái)的搭建,對(duì)保護(hù)建筑所需修復(fù)構(gòu)件的所處位置和殘損程度進(jìn)行直觀展示,對(duì)不同病害要素進(jìn)行分類、匯總,這是對(duì)建筑差異化、針對(duì)性修繕措施的前提和依據(jù)。根據(jù)信息表可知包公祠整體保存現(xiàn)狀相對(duì)較好,木構(gòu)架及地面鋪裝保存較為完整,保護(hù)與修繕任務(wù)較輕,重點(diǎn)修復(fù)內(nèi)容主要集中于干裂梁柱面層的生漆修補(bǔ)工程以及墻體表面空鼓、脫落的修復(fù)處理。

4.2.1 生漆修補(bǔ)

首先是前期打磨階段,所需材料有油灰、膩?zhàn)?、桐油和麻布?對(duì)殘損梁柱表面做地仗處理,使構(gòu)件表皮光滑平整。接著是所需顏料的選取與處理,古代用料多為礦石材料,常見(jiàn)材料有:朱砂、鉛粉、胭脂、赭石和石青等,這些礦物質(zhì)需經(jīng)過(guò)研磨、淘、澄、飛、跌的制作過(guò)程方可使用:在研磨過(guò)程中根據(jù)顏料顆粒的粗細(xì)對(duì)顏料的深淺進(jìn)行區(qū)分,將研磨完成的顏料泡入水中淘洗并加入膠水使其澄清;沉淀一段時(shí)間后將水面上層較輕的顏料及底層所沉淀的雜質(zhì)進(jìn)行取出撇除,這項(xiàng)工作要反復(fù)進(jìn)行;最后是利用所調(diào)制的顏料進(jìn)行梁柱面層的均勻涂抹,頭道漆后進(jìn)行二次涂抹。此外,考慮到包公祠處于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,可在顏料中加入少量明礬,起防霉防潮作用。

4.2.2 墻體粉飾

墻體所遭受的殘損程度決定著不同修復(fù)措施的采取與運(yùn)用。根據(jù)對(duì)現(xiàn)狀墻體的勘測(cè)可知,墻體殘損現(xiàn)狀以因雨水侵蝕和日積月累的風(fēng)化作用而造成的墻體表層局部鼓包、空鼓及外露磚墻顯現(xiàn)的磚體殘缺、酥堿為主,由于殘損級(jí)別略低,多數(shù)殘損部位僅需對(duì)其表面進(jìn)行拋光打磨、二次粉刷工作,拋光打磨遵循著勾抹、打點(diǎn)、漫干活、漫水活等四個(gè)流程,這種修復(fù)手法較為簡(jiǎn)易且不傷及墻體。針對(duì)整體保存尚好,但局部酥堿的墻體,則需進(jìn)行剔鑿?fù)谘a(bǔ)及摘砌工作,方法是:將殘損磚塊進(jìn)行移除,將備好的同形制同材料的磚塊嵌入墻體并用灰漿進(jìn)行粘結(jié),待灰漿風(fēng)干之后再進(jìn)行打點(diǎn)、抹灰工作[12]。

5 結(jié) 語(yǔ)

古建筑保護(hù)是對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)及建筑所屬文化信息的保護(hù),古建筑修繕則是處于“修舊如舊”基本準(zhǔn)則下的修繕[13]。古建筑保護(hù)與修繕的難點(diǎn)在于資料收集的完善程度及與原有材質(zhì)形制、工藝做法的精確度和契合度。古建筑修繕中運(yùn)用BIM所體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)主要有兩點(diǎn):其一,通過(guò)前期采集的電子信息數(shù)據(jù),精確記錄古建筑的二維、三維信息,并利于數(shù)據(jù)保存;其二,對(duì)各古建筑信息匯聚后,可組建一個(gè)精確的“大數(shù)據(jù)庫(kù)”,便于后期維保和傳承利用。本文以包公祠為研究對(duì)象,采用BIM技術(shù)提出相應(yīng)保護(hù)與修繕舉措的技術(shù)路線,為目下歷史建筑的保護(hù)以及修繕文本的制作提供參考。