古木建筑裂縫多LoD表達(dá)與信息自動集成

劉穎華，解琳琳，李愛群，侯妙樂，劉浩宇

(1.北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；2.北京市建筑遺產(chǎn)精細(xì)重構(gòu)與健康監(jiān)測重點實驗室，北京 100044；3.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044；4.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044)

古木建筑作為人類文明留存的一種方式，具有重要的價值，隨著時間的推移，會不可避免地產(chǎn)生以裂縫為典型代表的殘損。如何面向保護(hù)需求直觀記錄古木建筑的殘損現(xiàn)狀，是其安全性能評估與提升的重要基礎(chǔ)，是歷史建筑科學(xué)保護(hù)與發(fā)展的重要前提。

近年來，建筑信息模型(building information modeling，BIM)的發(fā)展為建筑的科學(xué)表達(dá)和各類信息的集成提供了重要支撐[1-2]。結(jié)合BIM技術(shù)與文物遺產(chǎn)領(lǐng)域，在世界范圍內(nèi)逐漸形成了適用于歷史建筑的 BIM，稱為建筑遺產(chǎn)信息模型(historic building information modeling，HBIM)[3-4]，HBIM 是如今歷史建筑數(shù)字化保護(hù)趨勢中的前沿技術(shù)[5]。鑒于古建筑殘損類型繁多、殘損程度不一的情況，在借用 HBIM 技術(shù)對殘損信息表達(dá)與信息集成更新時，面臨以下難題：

(1)殘損信息表達(dá)方面。歷史建筑在保存過程中會經(jīng)受各種各樣的破壞，構(gòu)件出現(xiàn)了很多損傷[6-7]。理論上應(yīng)盡可能對所有損傷信息進(jìn)行詳細(xì)表達(dá)，然而在實際保護(hù)中由于工作量巨大而往往無法得到有效實施，更重要的是不同保護(hù)需求下(如搶救性保護(hù)和預(yù)防性保護(hù))，對不同程度損傷存在不同的認(rèn)知和表達(dá)需求。以應(yīng)縣木塔為例，其二層明層出現(xiàn)了一定程度的傾斜，各類構(gòu)件出現(xiàn)了較大的裂縫，由于該類裂縫可能對結(jié)構(gòu)安全性能影響較大，應(yīng)予以精準(zhǔn)的表達(dá)。對于其他樓層損傷則可采用相對簡單但偏于保守的表達(dá)方法。BIM 中的多層級(level of detail，LoD)模型可以有效解決該問題。然而目前對于木構(gòu)件，暫不存在相應(yīng)的多層級裂縫模型。

(2)信息集成方面。了解到目前遺產(chǎn)從業(yè)人員大都將調(diào)研信息記錄在外部數(shù)據(jù)庫(如電子表格或電子文檔)中，詳細(xì)的文本記錄有利于細(xì)致地了解歷史建筑信息，但缺乏直觀性。盡管BIM具有強大的信息集成功能，通過模型鏈接的屬性電子表可實現(xiàn)數(shù)據(jù)、文本等信息的科學(xué)管理[4]，實現(xiàn)二維數(shù)據(jù)與三維模型之間的連通，彌補傳統(tǒng)方法的不足，但BIM自帶的屬性表不夠豐富，有必要梳理殘損特性，完善屬性表內(nèi)容，實現(xiàn)條理性的信息管理方法。

(3)信息持續(xù)更新方面。歷史建筑信息一方面可以用于驗證HBIM的合理性和可靠性，另一方面信息持續(xù)集成至模型中可服務(wù)于歷史建筑的全生命周期管理。目前HBIM的屬性電子表內(nèi)容，通常是采用手動方式錄入，自動化程度低。而古木建筑構(gòu)件數(shù)量眾多，并且由于價值極高需要持續(xù)采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大且更新周期短，既有手動方法無法滿足古木建筑保護(hù)需求，因此亟需開發(fā)自動化算法實現(xiàn)古建筑信息在HBIM中的高效持續(xù)集成更新管理。

針對上述難題，本文以古木建筑裂縫損傷為例，基于《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)明確了裂縫的重要性程度，建議了裂縫信息多層級表達(dá)方法及其多層級參數(shù)化數(shù)學(xué)模型；梳理裂縫重要屬性，提出了基于Revit平臺的裂縫信息集成方法；在此基礎(chǔ)上，通過二次開發(fā)，實現(xiàn)了裂縫信息在 HBIM 中的自動化集成更新與可視化展示。最后通過對典型古木建筑的裂縫信息表達(dá)與集成實驗驗證了該方法的可靠性和高效性(圖1)。

圖1 裂縫信息表達(dá)與集成更新研究流程圖

1 木裂縫模型多層級表達(dá)

多層級表達(dá)方法是面向不同保護(hù)需求實現(xiàn)裂縫信息的留取和表達(dá)。以柱為例，我國《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》規(guī)定木柱裂縫可以根據(jù)最大裂縫寬度分為3類[8]，對于裂縫寬度小于3 mm的構(gòu)件定義為輕度損傷，對于裂縫寬度介于3~30 mm之間的構(gòu)件定義為中度損傷；對于裂縫寬度大于30 mm的構(gòu)件定義為重度損傷。本文基于上述原則建議了一套裂縫損傷多層級表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”)及其參數(shù)化數(shù)學(xué)模型(表1)。

(1)LoD100，可表達(dá)所有殘損程度裂縫，采用色塊反映殘損等級，方便統(tǒng)計古木建筑整體構(gòu)件損傷程度情況，主要服務(wù)于預(yù)防性保護(hù)，分別采用藍(lán)色、黃色和紅色色塊表達(dá)輕度、中度和重度裂縫。

(2)LoD200，用于表達(dá)中度和重度裂縫，偏于保守反映裂縫的最大寬度(wmax)、最大深度(dmax)和長度(h)信息，將裂縫表達(dá)為三棱柱，可用于預(yù)防性保護(hù)和搶救性保護(hù)，如古木建筑抗震性能安全性評估。

(3)LoD300，用于表達(dá)重度裂縫，依據(jù)中國文化遺產(chǎn)研究院提出的裂縫數(shù)據(jù)采集要求，提供沿裂縫長度方向多處的裂縫寬度和深度信息，如距裂縫頂端長度為hi處的裂縫寬度和深度分別為wi和di，盡可能詳實的留存裂縫信息，主要用于搶救性保護(hù)。

表1 古木建筑柱子裂縫模型多LoD表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)

2 裂縫損傷信息集成方法

對于歷史建筑，應(yīng)對其信息進(jìn)行科學(xué)地集成管理。BIM的特色在于可集成豐富的信息，基于參數(shù)建立的三維 BIM 模型可以通過電子表格顯示該模型所關(guān)聯(lián)的所有對象及其相應(yīng)的參數(shù)與特性。在Revit軟件中，每個構(gòu)件模型都關(guān)聯(lián)了屬性選項卡，可以通過電子列表的方式管理構(gòu)件的詳細(xì)信息。本文結(jié)合古木建筑保護(hù)從業(yè)一線人員的保護(hù)需求，梳理了裂縫信息需要管理的屬性內(nèi)容，包括：①構(gòu)件的唯一識別碼；②裂縫信息描述文本文件；③最大裂縫寬度；④裂縫損傷程度。結(jié)合已有屬性選項卡選項和自定義屬性選項，本文重新定義了古木構(gòu)件的屬性，圖2為柱構(gòu)件的新屬性選項卡，即裂縫信息的集成方式。

圖2 裂縫信息集成方式

對于任一構(gòu)件，可按下述流程對其裂縫信息與HBIM模型進(jìn)行集成管理：

(1)基于唯一構(gòu)件識別碼選取構(gòu)件，即“標(biāo)記”屬性，在前期建立HBIM時需賦予每個構(gòu)件唯一識別碼；

(2)為構(gòu)件增加裂縫“寬度”和“殘損等級”屬性選項；

(3)在“注釋”屬性內(nèi)標(biāo)注裂縫信息描述文本；

(4)提取“注釋”屬性中的裂縫最大寬度wmax(對于輕度損傷的構(gòu)件從“注釋”內(nèi)直接提取裂縫寬度值，對于中度損傷的構(gòu)件從“注釋”內(nèi)提取裂縫最大寬度值，對于重度損傷的構(gòu)件從“注釋”內(nèi)提取沿著裂縫長度方向最寬處的裂縫寬度值)，并添加至“寬度”屬性；

(5)基于《規(guī)范》判定裂縫的損傷程度將結(jié)果添加至“殘損等級”屬性；

(6)以“殘損等級”作為過濾條件，對所有損傷程度的構(gòu)件按“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行殘損等級色塊渲染。

圖3為一古木亭子柱裂縫信息集成及LoD表達(dá)的示意，從圖中可以看出基于HBIM技術(shù)可以直觀的展示裂縫損傷程度，并系統(tǒng)集成裂縫的相關(guān)信息。然而該方法目前通過手動完成，對于小體量的古木建筑可以采用手動方法，但對于以應(yīng)縣木塔為典型代表的大型古木建筑則會難以處理。更重要的是，信息與HBIM的集成大都是手動復(fù)制外部數(shù)據(jù)庫內(nèi)容添加至屬性，外部數(shù)據(jù)庫信息的更新無法在HBIM構(gòu)件屬性中實現(xiàn)同步更新。為解決上述不足，有必要在 Revit平臺上進(jìn)行二次開發(fā)實現(xiàn)信息在HBIM 中的自動寫入、提取和更新渲染[9]，實現(xiàn)歷史建筑信息的高效、持續(xù)更新集成。

圖3 古亭局部木柱裂縫信息集成結(jié)果

3 信息自動集成更新算法

通過對Revit軟件進(jìn)行二次開發(fā)，可創(chuàng)建滿足裂縫信息自動更新需求的插件。插件使用時有3個應(yīng)用條件：①為每個構(gòu)件設(shè)定唯一識別碼；②TXT格式殘損信息文檔，文檔內(nèi)容包括構(gòu)件名稱、構(gòu)件唯一識別碼、構(gòu)件殘損情況(固定格式描述了最大裂縫寬度、最大裂縫深度、裂縫長度、沿著裂縫長度方向各處的裂縫寬度和裂縫深度)；③在 HBIM 所鏈接的電子列表中將構(gòu)件識別碼寫入“標(biāo)記”框中。二次開發(fā)的環(huán)境配置與算法流程如下。

3.1 開發(fā)環(huán)境

環(huán)境配置方面需要 3個工具：Revit應(yīng)用程序編程接口(application programming interface，API)、Revit軟件開發(fā)工具包(software development kit，SDK)、開發(fā)工具。①API是Revit軟件與外界交互的窗口[10]，通過API可以訪問Revit軟件的每個功能，并且可以創(chuàng)建開發(fā)新的功能。②Revit SDK里有工具實現(xiàn)接口鏈接，還可以幫助用戶了解API的用法。③需要完整的開發(fā)工具集VS(Microsoft visual studio)編譯器[11]，用于快速調(diào)用類集中算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的NET Framework框架[12]以及C#語言。

3.2 算法流程

針對Revit軟件進(jìn)行二次開發(fā)具有統(tǒng)一的基本架構(gòu)：基于C#創(chuàng)建類庫工程[13]，添加RevitAPI引用，然后從 Iexternal-Command接口派生，重載Execute()方法，在Execute()函數(shù)中編寫程序?qū)崿F(xiàn)外部命令。針對本文要實現(xiàn)的信息更新功能，其算法設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 裂縫信息自動更新算法設(shè)計流程

(1)構(gòu)件類別選取與參數(shù)增加。歷史建筑內(nèi)含構(gòu)件種類豐富，不同的構(gòu)件在HBIM里表現(xiàn)為不同的類別，如柱構(gòu)件屬于柱類別、枓栱構(gòu)件作為嵌套族屬于常規(guī)模型類別等，因此先明確需要進(jìn)行信息集成更新的目標(biāo)構(gòu)件，及其在模型中對應(yīng)的類別，將之篩選出來。篩選構(gòu)件類別是通過類的類型來進(jìn)行元素過濾訪問[14]。首先創(chuàng)建元素類別過濾器，將所有類別元素選中；再通過內(nèi)建類別過濾器篩選目標(biāo)，若目標(biāo)類別為一種，如柱，則使用內(nèi)建類別過濾器過濾出所有柱元素，若目標(biāo)類別為多種，如柱和梁枋，則需使用邏輯過濾器將內(nèi)建類別過濾器與常規(guī)模型過濾器進(jìn)行合并，從而找到所有柱與梁枋的類別元素；最后在當(dāng)前模型項目中構(gòu)造收集器，其用來迭代以及過濾元素的主要類[14]，將符合過濾條件的類別收集在收集器內(nèi)，方便后續(xù)迭代遍歷使用。

為目標(biāo)類別增加參數(shù)，即擴充電子列表內(nèi)容與數(shù)量。由于 BIM 中的“信息”存儲，是通過“參數(shù)”設(shè)置并在項目中賦予實例參數(shù)值來實現(xiàn)的，因此可通過添加“共享參數(shù)”的設(shè)置為類別元素增加額外的參數(shù)[15]。梳理裂縫損傷的重要屬性，決定創(chuàng)建“寬度”與“殘損等級”共享參數(shù)。創(chuàng)建流程是新建共享參數(shù)組文件，在文件內(nèi)定義“寬度”與“殘損等級”參數(shù)，將之創(chuàng)建為實例參數(shù)，最后將參數(shù)的定義與上一步得到的目標(biāo)類別綁定，就實現(xiàn)了新列表欄的自動擴充(圖)。

圖5 參數(shù)添加示意

(2)電子列表內(nèi)容寫入及解析。將裂縫信息TXT文檔中第 3列“殘損信息”內(nèi)容批量自動寫至“注釋”欄。由于殘損文檔與HBIM都事先為構(gòu)件對應(yīng)了唯一識別碼，因此將構(gòu)件識別碼作為傳入?yún)?shù)，將文檔信息與模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。首先遍歷所有編號，再遍歷每個編號構(gòu)件的所有屬性(所有列表內(nèi)容)，之后獲取目標(biāo)列表框“注釋”；最后修改對應(yīng)編號的注釋信息，實現(xiàn)裂縫文本信息批量對應(yīng)錄入“注釋”列表框。

電子列表中“寬度”欄內(nèi)容的寫入是通過解析注釋信息而自動獲取的。首先對“注釋”框內(nèi)容(即殘損信息)進(jìn)行分割，成為由逗號隔開的若干個分句，遍歷所有分句，判斷是否包含“寬”字符，若包含則遍歷該分句，利用ASCII碼查找到寬度值，需要注意的是有時會得到多個寬度值，取最大值作為結(jié)果；若不包含“寬”字符，則令寬度信息值為 0。最后將結(jié)果錄入“寬度”列表框。“注釋”框與“寬度框”內(nèi)容寫入結(jié)果如圖6所示。

圖6 電子列表內(nèi)容寫入示意

(3)殘損等級判斷與色塊填充。“殘損等級”的自動判斷是基于《規(guī)范》中提到的木構(gòu)件裂縫等級劃分內(nèi)容對“寬度”值進(jìn)行范圍判斷而得；最后將判斷結(jié)果匹配到相應(yīng)構(gòu)件的“殘損等級”列表框。

確定殘損等級后，為構(gòu)件自動填充相應(yīng)色塊。Revit軟件有多種填充樣式可供選擇，如交叉填充、分區(qū)填充等，本文使用實體填充樣式。首先定義實體填充，并根據(jù)3類殘損等級對應(yīng)建立3個過濾器(輕度等級過濾器、中度等級過濾器、重度等級過濾器)；獲取共享參數(shù)組中的“殘損等級”，過濾器依不同的殘損等級進(jìn)行過濾，記錄每個殘損等級對應(yīng)的構(gòu)件識別碼；按“古木建筑柱子裂縫模型多LoD表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)”中等級表達(dá)的配色方案，對每個等級所收集的識別碼構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)色塊的實體填充。

將上述 3個流程進(jìn)行代碼編寫，并生成 DLL動態(tài)鏈接庫文件。編寫過程中需要使用大量函數(shù)，表2列出部分關(guān)鍵函數(shù)。

表2 Revit二次開發(fā)關(guān)鍵函數(shù)使用列表

為方便外部命令程序的集成和調(diào)用[16]，可通過編寫外部應(yīng)用來集成插件。從Iexternal-Application接口派生，重載OnStartup和OnShutdown方法，使外部應(yīng)用隨著 Revit 軟件一起啟動和關(guān)閉，載入已生成的 DLL文件，在附加模塊欄內(nèi)為此命令生成面板與“Update”按鈕(圖7)，HBIM裂縫信息自動更新的開發(fā)工作結(jié)束。

圖7 信息更新插件

4 實驗驗證

為驗證本文方法的可靠性，以圖所示的HBIM 為例進(jìn)行裂縫信息多層級表達(dá)與信息自動集成更新實驗，實驗環(huán)境配置參數(shù)見表3，此時柱子模型均為LoD100層級。首先為柱子設(shè)置唯一識別碼，并寫入構(gòu)件的“標(biāo)記”列表框；然后為柱子虛設(shè)裂縫殘損信息，且錄入TXT文檔；最后在Revit軟件中點擊“Update”按鈕，實現(xiàn)一鍵批量集成更新裂縫信息。本文實驗涉及目標(biāo)柱子構(gòu)件數(shù)量是64個，該方法用時4 s完成了柱子裂縫信息集成更新，結(jié)果如圖9(a)所示。之后以色塊結(jié)果為快速索引在相應(yīng)柱子模型基礎(chǔ)上添加LoD200與LoD300裂縫模型，完成裂縫模型的多層級表達(dá)，結(jié)果如圖9(b)所示。

由實驗結(jié)果可得，本文算法快速實現(xiàn)了柱子模型和裂縫信息的鏈接，由色塊填充結(jié)果直觀反映出構(gòu)件受損程度；由屬性選項卡下電子列表框中的各項信息，可把握裂縫的詳細(xì)情況；由單個模型的多細(xì)節(jié)層次表達(dá)，可直觀得到構(gòu)件的受損細(xì)節(jié)。

圖8 實驗對象

表3 實驗環(huán)境配置參數(shù)

圖9 裂縫信息自動集成與多層級模型表達(dá)結(jié)果

5 結(jié)論

本文在古木建筑裂縫損傷表達(dá)與信息集成更新方面，針對模型構(gòu)建的精細(xì)度劃分問題，結(jié)合國家相關(guān)規(guī)范建議了裂縫模型多LoD表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)；針對信息集成問題，考慮從業(yè)人員需求進(jìn)行裂縫屬性梳理，提出了基于Revit平臺的裂縫信息集成管理方法；面對信息量龐大的問題，對Revit軟件進(jìn)行二次開發(fā)實現(xiàn)信息批量自動化集成更新。最后進(jìn)行實驗驗證。

實驗結(jié)果表明將模型多細(xì)節(jié)層級表達(dá)方法、HBIM技術(shù)與Revit二次開發(fā)相結(jié)合方法，應(yīng)用在信息表達(dá)集成中，可以高效地完成一些工作量較大、規(guī)律性較強的工作，有利于歷史建筑信息的全生命周期管理，便于安全性能評估，為后期運營管理與保護(hù)措施決策等工作提供參考。