HBIM在建筑遺產保護中的應用
——以山西陵川小會嶺二仙廟為例

王崇恩（天津大學建筑學院 天津 300072；太原理工大學建筑學院 山西太原 030024）

郭正可（山西五建集團有限公司 山西太原 030013）

朱向東（太原理工大學建筑學院 山西太原 030024）

引言

歷史建筑信息建模（Historical Building Information Modeling，簡稱HBIM）是當前古建筑信息保存與管理的一種新的技術手段，它是由歷史數據構成代表建筑元素的交互式參數對象，這些元素可以準確地映射到點云或基于圖像的調查資料[1]。HBIM理想化的最終階段是將參數模型原型庫的跨軟件平臺管理系統映射到點云和圖像調查數據，參數模型能夠將多媒體和紀錄片信息與實際建筑物進行比較，實現三維對象相關聯，也可以從參數模型中自動生成完整的工程圖紙平、立、剖面圖和三維模型[2]。歷史建筑信息建模（HBIM）的“三維協同”優勢貫穿于古建筑保護的勘察、修繕、展示、研究以及監測的全過程。

本文選取山西陵川小會嶺二仙廟[3－5]作為研究對象，探討HBIM在建筑遺產保護中的應用研究。小會嶺二仙廟位于山西省陵川縣附城鎮小會村東南山嶺之上，坐北向南，占地面積1167.55平方米。廟宇分上下兩進院落共11座建筑，由山門戲臺、廊房、獻廳構成一進院落；獻廳兩側做月亮門區隔二進院，院內有大殿和東西垛殿，現存大殿為宋代遺構，余皆明、清所建。2001年被公布為第五批全國重點文物保護單位（圖1、2）。

一、古建筑建模技術

古建筑與其他文物類型不同，具有體型大，結構復雜的特點。一般一座單體建筑至少由幾十個或幾百個構件組成，有的甚至是幾千個構件組成（磚瓦、椽子還不計算在內）[6]。為了更好的實現古建筑參數化建模，將古建筑構件分為屋頂、柱類、梁類、枋類、桁檁類、椽類、瓜柱、墊板、望板、枕木、斗栱、隔扇等，各個部分又可以根據其特點再分為很多種類[7]。本文以小會嶺二仙廟的正殿斗栱為例，詳細分析各類構件的構成特點和參數化建模的關鍵參數，建立其參數化模型，總結得到古建筑構件庫參數化建模的方法。

小會嶺二仙廟正殿大木構件建造規整，用材規范，為宋代遺構。廟前石質焚爐上刻有“嘉祐八年李則為首率修”題記。正殿面闊三間（7.75米），進深六椽（7.45米），平面呈方形，單檐歇山頂。屋頂舉折平緩，出檐深遠。檐下柱頭斗栱五鋪作，雙杪雙下昂，補間斗栱五鋪作，雙杪雙下昂。梁架結構簡潔嚴謹，用材粗大。整個殿宇的建筑形制、結構手法明顯帶有宋代建筑風格。

（一） 構件參數化建模

北宋崇寧二年（1103年），李誡著《營造法式》，總結了此前營造技術的實踐經驗，自此后斗栱有了制度、等級、名稱、次序、尺寸規定的做法[8]。下面以小會嶺二仙廟的柱頭鋪作櫨斗和華栱為例，闡述參數化構件的制作過程。

1.櫨斗構件模型制作（圖3）

安置點：置于柱頭額枋或平板彷上，由暗榫固定。

結構：根據《營造法式》，斗的形制由上到下分為耳、平、欹三部分[9]。

參數信息：根據實測尺寸，坐斗上寬465毫米，上深425毫米，下寬350毫米，下深365毫米。耳、平、欹高度尺寸分別為95毫米、65毫米、115毫米，斗口寬115毫米，凹30毫米，根據數理幾何推算得到欹的內凹曲面半徑。

模型制作：

創建公制常規模型族樣板的族文件，保存名稱為櫨斗族。

依據常規參數給出的參照平面坐標點，在族類型對話框中根據參數信息設立族的相關參數。運用拉伸命令，創建坐斗的耳（包括隔口包耳）模型；制作與模型z軸上下面等高的參照平面，將模型上下面與對應等高的參照平面鎖定；使用標注命令標注參照平面標高，將標注分別與參數“耳平欹”與“平欹”相關聯。

使用融合命令，將坐斗的平和欹體塊分別制作，使用空心放樣命令來拉伸欹的內曲線倒棱，運用標注命令將倒棱的曲面半徑標注并與參數Ra、Rb相關聯。

通過參數關聯尺寸標注的方式，將其他族參數指定給對應的標注相互關聯。

驗證模型的參數化可變性，嘗試調整參數數值進行模型錯誤檢測和調整，完成族模型。

填寫構造信息，如構件名稱、圖片、構件編碼、構件模數、彩繪信息以及受損程度等信息；物理特性信息，如彈性模量、材質、強度、力學性能以及抗腐蝕性能、抗蟲蟻性能；構件維護信息[10]，維護單位、維護日期、構件維護價格等。

2.華栱構件模型制作（圖4）

安置點：置于柱頭櫨斗泥道栱之上，長軸方向垂直于櫨斗面寬，由泥道栱和櫨斗榫卯固定。

結構：根據宋代《營造法式》，華栱形制分為上下兩部分，分別為單材和栔，合在一起稱為足材[11]。

參數信息：根據實測尺寸，華栱單材高為210毫米，足材高為295毫米，華栱寬135毫米，斗口寬115毫米。根據宋代《營造法式》，計算得到各細部尺寸。

模型制作：

創建公制常規模型族樣板的族文件，保存名稱為一跳華栱族。

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”，短軸尺寸標注為“寬”。

使用拉伸命令和標注，根據參數完成坐斗的栔和隼的制作，使用空心放樣命令來拉伸華栱的栱眼以及卷殺。

通過參數關聯尺寸標注的方式，把其他族參數指定給對應的標注相互關聯。

驗證模型的參數化可變性，嘗試調整參數數值進行模型錯誤檢測和調整，完成族模型。

填寫構造信息。

3.族構件拼裝（圖5、6）

運用相類似步驟可以制作斗拱其他相應構件，如果是相似的構件可以通過調整族參數獲得，斗口尺寸相互關聯，將族構件依照施工疊放次序依次導入櫨斗族文件中關聯斗口尺寸，核對榫卯尺寸的同時依次將模型放置入位。

（二） 古建筑參數化模型

利用構件族構建小會嶺二仙廟單檐歇山頂大殿整體信息模型（圖7），并在此基礎上，歸納總結了部分主要古建筑構件的結構規律，最后對模型進行簡單的渲染。在歇山類建筑拼裝過程中，嚴格遵循實際測繪數據，對各部位的構件進行大木安裝，確保模型能夠符合實際情況的要求。

同理，以小會嶺二仙廟獻殿（卷棚頂）為例說明建模過程（圖8、9）：

（1）依據測繪信息，創建獻殿構件族庫。

（2）新建項目，命名為獻殿，創建平面軸線，調整立面標高。

（3）使用拉伸命令創建獻殿基礎。

（4）通過軸線位置定位柱網中心點，打開族庫中的獻殿柱族，載入項目中放置內建模型-獻殿柱。

（5）同理依據構造順序放置各個族構件。

（6）內建模型－屋面，運用放樣及空心拉伸命令，制作望板及屋面瓦。

（7）同理內建模型－墻，運用拉伸命令制作獻殿墻。

（8）調整參數材質，完成模型。

二、古建筑參數化建模“系統化”框架

（一） 古建筑參數化建模原則

1.遵循“有依據的復原”原則

古建筑資料一般并不完整，細部尺寸和內部構造并不能在以往的古建筑信息記錄方法中完整表述，而要制作古建筑參數化模型，就要從資料沒有的部分進行推導構件內部構造的工作。對尚存的古建筑本體出現的破損殘缺部分的建模，要掌握有依據復原的原則，以尊重原始材料和確鑿文獻為依據。當推導出的構件違背文物的構件受力原理和邏輯、或嚴重有礙觀瞻時，即應對缺失部分，根據現存構件的形制或同時代、同類型的相同構件加以復原性參數化建模，如建筑物的柱梁、枋、額、斗栱部分等。對于已經損壞的紀念性建筑物、古建筑等文物，因特殊需要建模時，應盡量遵循文獻資料和參考同時期古建筑。

2.遵循“古建筑模數制”原則

制作參數化模型，需要體現構件的內在關系，就需要以古建筑的模數制特征為基礎來研究古建筑構造。以構件內部關系制作的參數化模型，才有重復利用的價值，例如小會嶺二仙廟的各個斗族均是通過修改櫨斗族的參數和模型得到的。這樣的制作過程可以節約時間，模型可以根據實際需要更改參數獲得不同類型，使得為了制作小會嶺二仙廟模型所生成的族庫，可以直接用于其他宋代建筑模型制作，具有通用性，族庫具有實際使用價值。

3.遵循“HBIM系統性”原則

系統性原則也稱為整體性原則，它要求把決策對象視為一個系統，以系統整體目標的優化為準繩，協調系統中各分系統的相互關系，以模型整體為優化原則，協調各構件的構成放到整個模型中去以整體的眼光來衡量構件正確性，以模型整體為總目標，協調各個構件的制作順序和流程。比如鋪作的制作，就需要從櫨斗開始從最下層一層層向上制作構件，否則不容易協調各構件之間的關系，出現模型錯誤。

系統性的體現也反映在模型的分布式上，模型不同用途也決定了模型的精度，根據現有條件，這些模型根據需要可能包括：設計模型、施工模型、進度模型、成本模型、制造模型、操作模型等。HBIM“分布式”模型還體現在HBIM模型往往由相關的設計單位、施工單位或者運營單位根據各自工作范圍單獨建立，最后通過統一的標準合成。

（二） 古建筑參數化建模流程

1.構件信息分類化整理

制作參數化模型之前，首先要做的是參數化構件庫的建立，而在構件庫建立之前，需要對構件信息進行分類化整理，資料通過收集整理后可以在整體上分成四個部分，即幾何信息、材質信息、物理信息、彩繪信息以及其他信息。

所有信息中，幾何信息用于參數化族庫和模型制作，彩繪信息通過調整軟件自帶的材質參數記錄在模型上，而其他物理信息、化學信息等不能通過模型可視化的信息，可以通過將各個構件的信息制作成相應的族參數記錄在各構件族上。通過構件族參數即可瀏覽構件的全部信息。

2.基礎數據和構件的制作方案

根據整理后的幾何信息（定位關系參數和構件幾何參數），可以對構件的構成進行分析，即構件本身的形體特征以及與其他構件空間組合關系，將構件的類別、族進行歸屬，例如轉角鋪作中的櫨斗，根據櫨斗的外形可以歸屬于斗這一類別，而根據櫨斗位于轉角柱頭之上這一特征可以將其族構件名稱命名為角櫨斗。根據構件幾何參數制作相應的構件族，將所有構件族制作完成后，提取相應的構件族，載入新的族中，通過關聯定位關系參數生成嵌套族，將全部生成的構件族和嵌套族稱為族庫。從族庫中提取需要的構件族和嵌套族，根據實際需要調整模型參數，得到不同的構件類型，載入項目中生成參數化模型（圖10）。

3.參數化建模的成果應用

模型的應用按照使用方法劃分為兩類：傳統圖紙、表格的打印和屏幕圖像顯示。

傳統圖紙、表格打印：參數化模型的一大特點就是可以直接生成傳統的平、立、剖等二維平面圖、構件詳圖和相應的表格。

屏幕圖像顯示：圖紙顯示方面可以分為傳統圖紙、表格、動態圖、專題圖，參數化模型的優勢就是可以將模型所包含的信息通過屏幕、個人電腦、移動終端快速查詢，直觀準確的指導施工過程、教育研究。

模型的應用按照使用領域分，又可以分為三個方向：教學研究、施工指導以及古建筑信息管理。

在教學研究方面，HBIM為教學和研究提供了準確和直觀的模型信息，可以通過參數反映構件的內在關系，提高教學的質量和研究的效率。

在古建筑保護方面，古建筑信息管理系統通過HBIM結合RFID的標簽芯片，可以使文物的定位及相關參數信息一目了然，快速查詢。

災害預警方面，利用HBIM及相應災害分析模擬軟件，可以在災害發生前，模擬災害發生的過程，分析災害發生的原因，制定避免災害發生的措施，以及發生災害后人員疏散、救援支持的應急預案。當災害發生后，HBIM模型可以提供救援人員緊急狀況點的完整信息，這將有效提高突發狀況應對措施。

結語

綜上，參數化建模要以科學的理念為指導思想，以HBIM軟件為技術支持，以成果應用為最終目標。指導思想、HBIM建模技術和成果應用，共同構成古建筑參數化建模的系統框架。本文正是在分析山西古建筑的組成體系結構和構成方式的基礎上，結合宋代《營造法式》和測繪數據，歸納了古建筑構件的構造規則和建模方法，完成了小會嶺二仙廟的建筑信息模型（圖11）。

古建筑歷史信息模型的建立將為古建筑保護提供重要資料，也為傳承傳統建筑遺產提供幫助。