基于BIM的古建筑信息模型研究
——以山西晉祠魚沼飛梁為例

王崇恩，白 焱

（太原理工大學建筑學院，山西 太原 030024）

我國各民族的古建筑各具特色，記錄了各時期古建筑的特點，傳承著深厚的文化，在技術、文化、藝術等方面也具有很高的研究價值。由于這些古建筑受自然因素及年久失修、人為損害等外界因素的影響，出現不同程度的損壞。若仍通過傳統技藝對古建筑進行保護、修復與完善，必將消耗大量人力、物力、財力，甚至會給一些古建筑帶來更為嚴重的毀損。若不對其進行及時有效的保護，古建筑的構件信息將會消失。及時存儲、保護、修復好這些古建筑文化遺產已成為亟待解決的問題。

古代傳統的古建筑信息存儲方式包括文字、彩畫與構件大樣圖等，這些資料很容易丟失，且不能完全真實地反映出古建筑的結構特點，關聯性相對較差。隨著現代科學技術的發展，BIM技術逐漸被應用到古建筑模型信息中，解決了古建筑修復、保護與擴建的問題，從而使得建筑中的構件信息得以永久保存。目前，我國古建筑保護應用BIM技術主要體現在：記錄古建筑生命周期的信息、古建筑三維整體模型與局部模型的建立等方面。由于我國古建筑的獨特性，必須加強數字信息化研究，利用BIM技術來保護和傳承彌足珍貴的古建筑信息。

1 BIM技術在古建筑方面的優勢

1.1 BIM技術定義

BIM（building information modeling），意即建筑信息化模型。傳統意義上的建筑軟件，例如CAD、Sketch up、Rhino等2D、3D軟件，必須相互配合才能建立古建筑各個構件的模型，呈現出完整的古建筑原貌。傳統意義上的軟件盡管大幅度提高了工作效率，卻并不能存儲模型構件信息，如由點、線、面等幾何元素構成的CAD。BIM建筑信息模型是一個數字化的三維模型，由族庫里的族構件（梁、柱、墻、枋、門、窗）等構成，是具有空間與屬性數據的虛擬三維模型。

相對于CAD二維軟件來說，BIM平臺提供了三維思維，將建筑平面圖設計、施工圖設計、方案設計、建筑能耗、壽命周期等整合在一座建筑模型中，節省了大量人力、物力、財力，大大提高了工作效率。隨著現代建筑逐步增加，作為我國三大支柱產業的建筑行業也在迅速發展。為此，應該更加重視保護傳統文化建筑，加強保護古建筑構件信息，以傳承我國優秀的民族傳統文化。

通過BIM技術所提供的平臺，可更為真實地記錄古建筑構件信息，將其作用發揮到最大。BIM技術所構建的建筑信息模型最大特點是參數化。參數化族構件是動態的，能夠體現一座建筑在不同時期的不同尺寸，且可以與其他構件相關聯。因此，建筑即使受到不同程度的損害，也可以通過模型信息將其修復與還原。BIM技術強大的信息存儲能力和完善的功能平臺，為現代建筑及古代遺產建筑保護提供了強大的技術支持，使遺產保護工作更高效，也使我國的古建筑文化源遠流長。

1.2 我國古建筑的特點

在世界建筑體系中，我國古代建筑以復雜而優美的結構形成了獨特的體系。該體系早在3 000多年前的殷商時期就初步形成，其風格優雅、結構靈巧。中國古代建筑的發展由原始社會直至現代，都體現著獨特的建筑結構和規劃布局。

從構造角度看，古建筑有以下特點：①以木材作為主要材料，創造了獨特的木構架，再結合等級制度，創造出舒展的形體和宏偉大氣的建筑風格；②以模數化的方式創造各個構件，如柱、梁、枋、斗拱等；③由屋基、屋身、屋頂3大部分組合成一座完整的古建筑。

古建筑的梁架式結構，也是現代建筑的框架式結構。但古建筑的結構材料相對于現代建筑來說，更容易受外界因素的影響而消耗受損。通過運用BIM技術，再結合我國的《營造法式》《園冶》等文獻中模數制的思想，用REVIT軟件實現古建筑數字化存儲，為建筑文化遺產保護開辟一條新路徑。1.3 BIM與古建筑結合的優勢

魚沼飛梁的建模依托REVIT軟件實現。REVIT集合了BIM平臺的各種功能，是一種綜合性的分析軟件。借助該軟件可完全還原魚沼飛梁的建筑模型，古建筑測繪的構件數據、建筑結構和細微的雕刻、古建筑材質、物理受力分析也能完整地記錄在模型當中。在REVIT軟件中，古建筑的二維平面和三維實體緊密相關，在任何一個二維圖形里修改數據，其他關聯的立面、剖面都會進行自動修改，體現了BIM平臺的智能化。

另外，REVIT建模的核心是參數化設計。古建筑特有的構件——斗拱在《營造法式》中有詳細的數據記錄，將斗拱構件的各個尺寸信息輸入到REVIT族中，再根據公式實現參數化的構件模型信息，通過斗拱就可以關聯到其他構件信息，從而起到“牽一發而動全身”的作用。由此，模型中的建筑構件都有相互關聯的信息數據，打開三維模型便可隨時讀取二維圖形的各種信息，以便相關人員隨時檢查、修改。從信息采集到信息庫的建立、從測繪尺寸到輸入構件信息一個完整的建模過程，它最終展現了建筑的生命周期，亦等同于模型生命周期，BIM在這一技術方面具有無可比擬的專業優勢。

2 三維信息模型應用研究

文章以山西省宋代晉祠魚沼飛梁為例說明三維模型信息的創建過程。

2.1 創建模型信息的基本流程

建模之前，應對古建筑進行數據收集。①用尺子、測距儀等工具到現場測得數據。②使用三維坐標測量機掃描，通過生成的點云測得魚沼飛梁的其他數據。以二維圖紙和點云測繪圖為準，結合現場拍攝的照片，通過BIM提供的平臺，使用REVIT軟件實現三維信息模型的建立，模型完成后再結合Photoshop賦予模型材質，在REVIT中調節材質的參數。③進行渲染、存儲信息等，完成模型構建。

另外，在建模過程中要將魚沼飛梁進行分解，將不同的建筑構件分離為族構件，賦予其參數化并保存，通過族構件完成魚沼飛梁模型信息的制作。

2.2 創建三維建筑構件信息模型

2.2.1 柱礎結構

①根據現場測量的數據，運用Autodesk CAD軟件繪制魚沼飛梁平面圖；②在REVIT中新建公制結構柱，根據構建的平面圖和立面圖，創建柱礎與柱子（圖1）；③運用修改工具中的連接選項，將柱礎與柱子相連接成為一體。保存公制結構柱文件，將其載入項目，并關閉族文件，保存名稱為結構柱族。

另外，REVIT中新建公制常規模型，將測得的斗拱信息數據CAD，導入REVIT中，運用拉伸命令對齊尺寸標注命令，根據斗拱的平面圖、立面圖，創建斗、耳、平、欹以及斗拱模型。運用修改工具中的連接選項，將其連接在一起完成模型，賦予木材質。將模型保存至斗拱族，載入項目并關閉族文件。

在族類型對話框中，根據數據設立族參數。運用拉伸命令和標注命令，創建參數化的華栱單材，并將拉伸的水平面長軸尺寸標注關聯為“長”，短軸尺寸標注關聯為“寬”。

2.2.2 梁架結構

(1)根據實際場地和CAD立面圖、剖面圖，將創建好的斗拱族放置于柱子頂端。在REVIT中新建公制結構框架——梁和支撐族，導入點云激光掃描測繪的梁架結構CAD（圖2）。在族類型中新建類型名為梁架，使用放樣工具，繪制出梁架。完成后將其保存到梁架族類型中，載入項目并關閉族文件。根據導入的平面圖、剖面圖，將制作好的梁架按結構位置依次放入，完成整體結構的繪制，最后將其放置于承重的斗拱上。

(2)根據REVIT導入的CAD剖面圖，在REVIT中使用建筑、樓板命令繪制出樓板，在屬性編輯中修改樓板厚度為140 mm，并賦予地磚材質。由于魚沼飛梁樓板有坡度，按照CAD剖面圖添加分割線，輸入高差值，從而繪制出樓板坡度。另外，運用建筑墻體命令，添加青磚材質（圖3）。

2.2.3 魚沼飛梁族構件

在REVIT中新建公制結構框架——梁和支撐族，導入望柱CAD平面圖、立面圖，利用拉伸命令，制作望柱族（圖4），并保存至望柱族，載入項目并關閉族文件。新建常規模型族，利用拉伸、旋轉等命令，制作凈瓶、欄板、抱鼓石（圖5）、雕花等構件，完成后進行保存并載入項目。

2.2.4 魚沼飛梁模型

(1)通過REVIT導入平面圖、立面圖、剖面圖，將上述模型族構件利用移動、復制、修剪、連接等工具進行組合，完成魚沼飛梁的整體繪制。

(2)根據REVIT中的CAD平面圖，結合地形高差數值繪制模型剩余部分。創建臺階、扶手、欄桿、欄板等構件，制作完成后將其進行組合，通過BIM平臺并利用REVIT軟件，將所有詳細數據存儲在宋代魚沼飛梁模型中（圖6）。

3 古建筑參數化構件管理

由于古建筑為木質，容易腐朽、開裂、受潮，因此年代悠久的古建筑信息容易丟失。另外，古建筑的建造手法大多數為代代相傳，雖然《營造法式》里有部分古建筑構件信息，但百科全書式的建筑記錄幾乎無存，為研究古建筑構件信息帶來了困難。因此，必須結合當代技術解決古建筑信息的遺失。古建筑主要包含古建筑尺寸、材質屬性、雕刻與彩畫風格、裝配位置、構件物理受力、結構穩定、壽命預測、綜合說明等信息，收集并保存這些信息，建立古建筑構件信息化平臺，有助于古建筑的保護，同時結合BIM管理平臺的使用，實現效率最大化。

4 結束語

文章結合宋代《營造法式》和測繪數據，以山西省宋代晉祠魚沼飛梁為例，分析論述古建筑信息模型的構建方法。與此同時，建立參數化構件族，運用相應構件族建立魚沼飛梁結構。

我國存有大量珍貴的古建筑，古建筑構件信息的存儲與保護至關重要。選擇BIM作為存儲古建筑構件信息的平臺，利用現代科技新技術來解決較為繁雜的古建筑構件信息記錄，使我國古建筑三維信息更直觀地呈現在REVIT三維模型中。與此同時，各個構件信息可隨意被調用。BIM技術可以更好地實現模型信息管理與信息共享，使讀者、觀看者、研究者可以全面詳細地了解古建筑[1-2]。隨著社會科學的發展，BIM技術既為山西省古建筑信息管理提供了平臺，又為后人更好地研究與學習古建筑創造了條件[3-4]。