國內BIM 在建筑遺產保護的應用研究

李東

（廣州大學，廣東 廣州510000）

1 概述

這些年來，隨著國內外BIM技術的不斷更新以及遺產保護理念的不斷深化,BIM 技術的應用范圍已經不只停留在建筑單體的設計上，伴隨著更多遺產對象的復雜性和保護實踐不同需求,使得信息記錄工作面臨巨大的挑戰，研究人員發現，不僅僅可以在現代建筑的設計以及建筑的周期管理中應用BIM技術，還可以將其延伸至遺產保護的領域中。2009 年墨菲（Murphy）提出了HBIM（Historic Building Information Modelling）的概念及相應的工作流程。研究人員認為HBIM不能只局限于具體信息的補充,應建立“索引框架模型”，能夠展示全局信息的索引框架。點云僅僅是數據來源之一，BIM 模型對點云的映射不應成為HBIM建模的必要條件。利用BIM技術參數化、可視化、一致性的優勢和特點，通過對個案的詳細研究進行建筑遺產基礎性數據的測量、提取、整理分析，開展基于BIM技術的對象信息模型建構思路和策略的初步研究，提出過程參數化保護、建筑可視化保護, 營造虛擬化保護的解決方案，建立可隨時可以調用的點云數據族庫。對近些年來國內研究人員在此領域的研究成果進行總結、歸納、整理以及分析,對BIM在我國建筑行業的未來發展及應用打下堅實的理論基礎。

2 BIM 在國內研究現狀及其發展趨勢

美國喬治亞技術學院建筑與計算機專業的查克·伊斯曼博士于30 多年前提出BIM的模型概念:“建筑信息模型集成了所有的幾何模型信息、功能要求及構件性能,利用一個單獨的建筑模型涵蓋建筑項目全壽命周期內的所有信息,包括過程信息,如施工進度、建造過程、維護管理過程等?！眹H標準組織設施信息委員會（Facilities Information Council）對BIM的定義是:“建筑信息模型, 是在開放的工業標準下對設施的物理和功能特性及其 相關的項目生命周期信息的可計算或運算的形式表現,與建筑信息模型相關的所有信息組織在一個連續的應用程序中,并允許進行獲取、修改操作。”

不同于GIS 只能收集地理信息數據，BIM 可以彌補GIS 技術的短板，對建筑所在地的氣候條件、地理位置信息、內部構件等進行數據化處理及分析。還可通過BIM技術針對建筑物的特性進行模擬,使得規劃建筑方位、體量、形態、立面更加合理及科學,從而創造出更宜人的建筑空間及舒適的公共空間。

2.1 國內BIM建模發展

十幾年來，國內建筑遺產保護領域的專家在包括AutoCAD、GDL、SketchUp、Rhino 在內的軟件平臺上，研究了建筑遺產的參數化建模的可行性方法。自2002 年開始，重慶大學的陳越教授提出參數化技術與CAD 軟件結合，提倡將參數化設計應用于建筑遺產的三維建模中，并且在其論文中分析并闡述了建筑遺產構件的分解技巧與相關參數設置，但可惜未能建成一套可行的系統。華中科技大學的謝步瀛、王婉等通過編寫CAD 腳本文件，結合數據庫技術，建立了古建筑造型系統，使得參數化建模不能共享的問題成為過去。王建華、譚潔等在對清代官式建筑進行特征分析的前提下，是國內首次應用GDL 語言編程建立參數化模型，并進行了相關應用的實踐。隨后，西安建筑科技大學的王東、郝志桃等利用Generative Component 參數化建模軟件，巧妙地結合編程設計與陣列算法，通過參數對建筑遺產結構的規律與各構件之間的關系進行了詳細描述，建成了可修改的建筑遺產結構模型。趙彥軍、伊四清提出建筑遺產模型數據的獲取途徑，闡述了在SketchUp 軟件中的建模步驟以及不同形狀構件的建模方法。北京交通大學的張育南正在利用Rhino 軟件中的Grasshopper 插件將古建筑建構與程序算法結合，進行古建筑建模的參數化研究，解決其建模效率與復用問題。近些年，一些學者嘗試利用BIM平臺自帶的參數化設計功能，進行建筑遺產的參數化建模。南京大學的羅翔、吉國華研究了基于Revit Architecture 平臺的古建筑參數化建模方法，并詳細闡述了族庫參數的設置方法與主題結構的建模過程。天津大學的孫偉超提出基于Revit 搭建建筑遺產信息模型的理論框架，詳細介紹了模型的建立方法。朱磊提出了基于BIM的早期木結構建筑信息建模的建構方法，嘗試對古建筑構件族庫進行規劃。云南省設計院的金小峰嘗試將BIM技術應用于雞足山佛塔寺項目，指導建筑遺產的修繕施工。北京交通大學的常磊提出了基于BIM的大木建筑遺產信息管理平臺的理論框架，并對一些具體的操作問題進行了闡述說明。

這些研究及設想實現了建筑遺產單體的參數化三維建模，卻沒有考慮到信息的關聯及適應程度。為了更好的使建筑遺產三維模型快速建造，已有研究機構開始研究建筑構件族庫的搭建，更好的實現模型的調用和有效的管理。同濟大學的袁潔等結合建筑遺產的實際構造，構建了基于ObjectARX 技術的古建筑參數化構件庫平臺，實現了可擴展的平臺管理。西安建筑科技大學的王茹研究了人工測量、點云數據、二維影像等方式生成3D 模型的關鍵技術，提出斗口模數十一等材為基本模數，建立古建筑常用3D 構件庫框架體系，闡述了古建筑工程結構3D 模型參數化重建方法，以及點云數據庫的精簡算法。在此基礎上，其學生唐三元研究了構件庫的框架結構，基于AutoCAD 平臺，利用ObjectARX 技術的編程，詳細闡述古建筑構件的參數設定方法，并結合MFC 界面編程技術進行參數化設計界面的設計；孫衛新教授研究了明清古建筑的構成方式，總結了各建筑構件的關鍵參數，提出建立古建筑構件約束關系數據庫，并說明了向建筑遺產三維模型中添加附加信息的方法；張祥從計算機的角度研究了古建筑構件的具體參數設置方法，并詳細闡述了實現參數化信息構件的技術方法。

2.2 建筑遺產信息管理平臺建設

在信息技術快速發展的背景下, 相關建筑遺產管理部門逐漸建立了建筑遺產保護的數據庫,對測繪圖紙、文檔、照片等有記錄價值的文件進行了歸檔分類。但是在這種單純的存儲方法,往往存在信息遺漏、重復、細節分類不清晰等問題,信息沒有關聯性,導致使用者無法對信息便捷地的提取及使用。在遺產保護工作的具體環節中,數據庫發揮作用受到了較大的限制,無法滿足大量建筑遺產運維管理的需求。因此，天津大學的狄雅靜、吳蔥教授提出通過建筑信息模型管理建筑信息, 在模型的實體圖元中添加非幾何屬性, 實現數據可視化與工作協同化,BIM相關軟件的技術開發為基礎進行建筑遺產信息管理平臺的研究。隨后，西安建筑科技大學的王茹在其建筑遺產參數化建模研究的基礎上,提出創建明清建筑遺產信息模型設計平臺,為建筑遺產構件信息模型庫的建立和宵理提供了基礎平臺, 通過標準化構件與編碼體系的創建,為建筑遺產的修緒、復原、研究及建筑遺產虛擬現實系統等提供精確的信息。

2.3 BIM技術在建筑遺產方面的發展難點及問題

BIM技術在建筑遺產中的建模平臺是集信息存儲、管理、提取、分析、共享的綜合體,其涉及的相關領域包括建筑學、建筑遺產、信息管理、類型學等多個學科,由于領域之廣，技術的復雜性，同時也產生了許多技術難點。

在組建參數化建模的過程中，挑選具有代表性的建筑遺產BIM信息模型是建筑遺產信息管理平臺實現信息管理功能的前提, 其參數化建模技術直接影響到前期工作的協同效率與管理平臺的拓展。因此,需要在考慮整個建筑遺產生命周期需求的基礎上,確定具體的參數化建模方法、流程、標準,以及創建模型的精度,構成標準的信息結構層次,便于建筑遺產模型的復用與整個系統對信息的管理。

其索引框架在特點是，建筑遺產信息管理平臺用于建筑遺產的運營、維護、管理的過程中,其服務對象涉及到建筑遺產的管理人員、設計師、工程師等。BIM遺產保護信息平臺需要一套可靠的技術方案,通過對主要功能需求進行分析處理,確定關鍵技術,形成技術框架以滿足不同服務對象對相關信息的需求,同時做到對平臺全生命周期的管理。技術軟件的開發成熟程度將影響到平臺建設的時間周期, 其可適性則決定能否滿足建筑遺產運維管理的需求,因此技術兼容性的比選是其重中之重。

由于平臺包含的技術多樣，因此解決不同平臺之間的鏈接兼容問題是關鍵。BIM遺產保護信息平臺的創建需要關聯到平臺系統、BIM建模技術、空間信息以及信息管理技術等多種應用程序的協同, 需將信息在不同的應用程序之間調用與轉化, 達到實現具體信息的使用價值,因此，怎樣解決信息使用過程中的高效傳遞,必須解決不同技術之間的信息鏈接問題。為了迎合科技發展的腳步，以及未來更多行業類型的應用需求,需考慮到信息鏈接的兼容性。

3 結語及展望

利用BIM 技術對建筑遺產進行保護是社會發展的必然趨勢，在國內各學者的努力探索中，建筑遺產的參數化建模技術日趨成熟。但這些研究都是基于建筑遺產單體為單位，并沒有考慮到單體在整體中所受的影響因素，且無法記錄對使用過程、結構保護、構件維修、藝術價值等多樣化的信息。

基于目前國內依然存在不少完整的古村落的現實，以及為了使建模索引框架更加的完整、信息關聯更加的精準，利用基于BIM 與HBIM 技術原理以及建模軟件對古聚落的建筑進行類型學分類并框架索引，再對建筑遺產單體內部的構件及結構進一步的信息處理，形成可鏈接的點云數據庫，不但可以彌補GIS 技術的缺陷，亦能清晰地記錄重要建筑單體內部構件的歷史信息，使聚落中的重要建筑單體信息羅列在研究人員的眼前，令建筑遺產保護的維度從單體的層面上拓展至更詳細周全的聚落維度。這也是我國遺產建筑多樣化的國情下的必然選擇，將會是BIM技術在我國建筑遺產保護方面應用的另一個起點。