BIM建筑信息模型與古建木結(jié)構(gòu)安裝工藝教學(xué)

摘要：教師以七檁大式歇山建筑模型創(chuàng)建為例，按“原結(jié)構(gòu)、原形制”建立古建木結(jié)構(gòu)BIM建筑信息模型，開(kāi)發(fā)教學(xué)資源庫(kù);學(xué)生通過(guò)虛擬仿真練習(xí)熟悉木結(jié)構(gòu)搭建工藝流程，1：5木結(jié)構(gòu)模型拆卸和安裝實(shí)訓(xùn)掌握木結(jié)構(gòu)安裝工藝，從而具備指導(dǎo)木結(jié)構(gòu)安裝的崗位職業(yè)能力。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);虛擬仿真;大木安裝;工藝流程

古建工匠有句俗話(huà)，叫著“大木怕安”。這句話(huà)有兩重意思，一是說(shuō)，大木安裝是對(duì)大木制作工作的檢驗(yàn)。制作中的任何疏漏、錯(cuò)誤、尺寸不準(zhǔn)、質(zhì)量不好等問(wèn)題在大木安裝中都會(huì)暴露出來(lái)。另一層意思是，大木安裝本身也是一件很不容易的事。要將千百件大木構(gòu)件有條不紊地安裝起來(lái)，是有一套科學(xué)、嚴(yán)格的規(guī)律和程序的，如不掌握這套規(guī)律和程序，大木安裝就無(wú)法進(jìn)行。所以掌握搭建工藝流程，能夠指導(dǎo)古建木結(jié)構(gòu)安裝施工，是《古建筑工程技術(shù)》專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須具備的崗位職業(yè)能力。

在木結(jié)構(gòu)搭建工藝學(xué)習(xí)中，因?yàn)槲奈锉Ｗo(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)管理的要求，教學(xué)整班無(wú)法同時(shí)進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，即使按照分組教學(xué)模式，同學(xué)們按小組進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，每個(gè)小組的學(xué)生也只能觀摩工匠搭建木結(jié)構(gòu)的部分工藝流程;再因?yàn)楣沤üこ痰氖┕ぶ芷诤徒虒W(xué)周期無(wú)法完全重合，學(xué)生基本上沒(méi)有機(jī)會(huì)在工地進(jìn)行木結(jié)構(gòu)搭建施工。為了解決這個(gè)學(xué)生動(dòng)手實(shí)操難的問(wèn)題，學(xué)院投資建設(shè)木結(jié)構(gòu)實(shí)訓(xùn)室，采用1：5實(shí)木模型進(jìn)行搭建，實(shí)木模型展現(xiàn)了構(gòu)件結(jié)構(gòu)形制和材料形式，學(xué)生采用分組學(xué)習(xí)模式，按照“先內(nèi)后外，先下后上”順序安裝，通過(guò)項(xiàng)目動(dòng)手實(shí)訓(xùn)，掌握木結(jié)構(gòu)搭建工藝流程。木結(jié)構(gòu)模型搭建實(shí)訓(xùn)的方法非常有效，但是還有兩個(gè)方面需要進(jìn)行完善，一是豐富模型的類(lèi)型，二是提高模型的使用壽命。木結(jié)構(gòu)按比例縮小的模型，為了能夠反復(fù)的拆卸和安裝，模型的材質(zhì)要求較高，在學(xué)院1998年建成的一期實(shí)訓(xùn)室中，采用松木結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)過(guò)二十年來(lái)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)，榫卯結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞，現(xiàn)在不通過(guò)其他輔助辦法，小比例的木結(jié)構(gòu)模型，僅僅通過(guò)榫卯結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。在2016年學(xué)院新一期實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)過(guò)程中，為了提高木結(jié)構(gòu)模型使用的長(zhǎng)期性，結(jié)構(gòu)展示的準(zhǔn)確性，采用草花梨木結(jié)構(gòu)模型，在模型使用的四年以來(lái)，小型的四角亭，硬山、懸山等小式木結(jié)構(gòu)模型，除不當(dāng)操作造成的木構(gòu)件損傷意外，目前觀測(cè)結(jié)構(gòu)的整體性沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，但是1：5的大式歇山模型，由于學(xué)生操作沒(méi)有達(dá)到精準(zhǔn)校核，出現(xiàn)了局部木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的撕裂現(xiàn)象，模型整體出現(xiàn)了歪斜，在企業(yè)教師的吊直撥正后，通過(guò)繩子鏢緊來(lái)保持木結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。通過(guò)上面的實(shí)例說(shuō)明，即使是改善了木結(jié)構(gòu)的材質(zhì)，木結(jié)構(gòu)模型在反復(fù)拆卸與安裝的教學(xué)使用中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)損傷。能不能有一種計(jì)算機(jī)輔助方法，能夠通過(guò)課前預(yù)習(xí)，在模型搭建實(shí)訓(xùn)之前掌握搭建工藝流程，使學(xué)生在模型實(shí)訓(xùn)過(guò)程中少出錯(cuò)誤，實(shí)訓(xùn)過(guò)程不僅僅是關(guān)注模型拆卸和安裝的過(guò)程，還有木結(jié)構(gòu)搭建施工中容易出現(xiàn)的問(wèn)題。木結(jié)構(gòu)的搭建不是搭積木似的把構(gòu)件組裝完畢就完了，它還有更重要的步驟，下架裝齊后，進(jìn)行驗(yàn)核丈量，吊直撥正，牢固支戧，保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;上架構(gòu)件順序安裝過(guò)程中，要中線(xiàn)相對(duì)、勤校勤量，確保安裝的準(zhǔn)確性。為了完成教學(xué)的兩階段任務(wù)，同時(shí)準(zhǔn)確表達(dá)木結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形制和材料形式，筆者學(xué)習(xí)Revit軟件，建立BIM建筑信息模型，進(jìn)行課程教學(xué)資源建設(shè)。2020年新型冠狀病毒的肆虐，教學(xué)和學(xué)習(xí)過(guò)程都轉(zhuǎn)到了線(xiàn)上，木結(jié)構(gòu)搭建工藝仿真模擬實(shí)訓(xùn)、BIM建筑信息模型教學(xué)資源庫(kù)的建設(shè)更加緊迫。

住建部發(fā)文《《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司2020年工作要點(diǎn)》的通知》，明確指出：推動(dòng)BIM技術(shù)在工程建設(shè)全過(guò)程的集成應(yīng)用。建筑信息模型（Building Information Modeling，簡(jiǎn)稱(chēng)BIM），自2002年開(kāi)始，美國(guó)Autodesk公司推出Revit 系列軟件，是主要針對(duì)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)開(kāi)發(fā)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，Revit Architecture作為主要模塊之一，適用于各行業(yè)的建筑設(shè)計(jì)，也適用于清式建筑構(gòu)建概念化模型。

接下來(lái)筆者以“大式七檁歇山”為例闡述Revit 建筑信息模型的創(chuàng)建。清式古建筑設(shè)計(jì)采用模數(shù)化設(shè)計(jì)，所謂模數(shù)核心意義就是基本單位，大式建筑以“斗口”為單位，在坐斗“斗口”的基礎(chǔ)上，建立每一個(gè)木構(gòu)件、每一個(gè)模塊，構(gòu)建一座古建筑單體木構(gòu)架。七檁硬山木構(gòu)架模型，筆者在構(gòu)建過(guò)程中分成四個(gè)模塊，分別是：下架模塊、上架模塊、木基層模塊，單翹單昂五踩斗栱模塊（以下簡(jiǎn)稱(chēng)斗栱模塊）。

在建立一個(gè)長(zhǎng)效可靠的“原坐標(biāo)”后，從斗栱模塊下手，斗栱按照安裝的位置不同，又分為平身科斗栱、柱頭科斗栱、角科斗栱。平身科斗栱（見(jiàn)圖1-1）構(gòu)件有坐斗、正心瓜栱、正心萬(wàn)拱、單才瓜栱、單才萬(wàn)栱、廂栱、翹、昂后帶菊花頭、螞蚱頭后帶六分頭、撐頭木后帶麻葉頭、檁碗、槽升、三才升、十八斗;涉及到的連接榫卯有鼻子榫、袖榫、十字卡腰榫、燕尾榫、檁碗;要表現(xiàn)的吉祥符號(hào)有昂頭、麻葉云頭、螞蚱頭、菊花頭、包袱;要配合的構(gòu)件有平板枋、外拽枋、正心枋、里拽枋、挑檐枋、井口枋、挑檐桁、正心桁;為了展現(xiàn)木構(gòu)件的形制還采取了“卷殺做法”。建立桃尖梁、 昂后帶螞蚱頭，修改其他組成構(gòu)件后完成了柱頭科斗栱（見(jiàn)圖1-2）的構(gòu)建。角科斗栱（見(jiàn)圖1-3）最為復(fù)雜，增加平面45°斜向構(gòu)件，分別有：斜翹、斜昂、由昂、斜螞蚱頭后帶菊花頭、斜撐頭木、斜檁碗。木構(gòu)件按位置不同分為檐面構(gòu)件、山面構(gòu)件、斜構(gòu)件。在充分研究角科斗栱三類(lèi)構(gòu)件的基礎(chǔ)上，掌握角科斗栱構(gòu)造的原則，“斜壓正、山壓檐”（斜構(gòu)件壓山面構(gòu)件、山面構(gòu)件壓檐面構(gòu)件），掌握上述原則之后完成角科斗栱還需要關(guān)注每一個(gè)構(gòu)造細(xì)節(jié)。

在大木構(gòu)架中，柱頭以下構(gòu)件稱(chēng)為“下架”，柱頭以上構(gòu)件稱(chēng)為“上架”。下架模塊包括的構(gòu)件有檐柱、金柱、檐枋、箍頭枋、隨梁枋、穿插枋。柱子是大木結(jié)構(gòu)的重要支撐構(gòu)件，要考慮柱子的側(cè)腳和掰升。建立檐柱模型，需要思考構(gòu)件間的連接榫卯，柱腳與柱頂石連接用管腳榫、柱頭與平板枋連接用饅頭榫、柱身與穿插枋連接用大進(jìn)小出榫。建立金柱模型還要考慮柱身與金枋、隨梁枋連接用燕尾榫，柱身與桃尖梁連接用半榫。角柱要同來(lái)自不同方向的構(gòu)件相交，柱上榫卯構(gòu)造比正身柱子復(fù)雜一些。箍頭枋是下架重要的橫向連接構(gòu)件，建立模型時(shí)要關(guān)注吉祥符號(hào)霸王拳的形制，還要處理好檐面、山面箍頭枋與角檐柱的搭接。

上架模塊構(gòu)建主要關(guān)注五架梁、三架梁、踩步金、桁墊枋構(gòu)件，斗栱連接的構(gòu)件有挑檐枋、挑檐桁、正心枋、正心桁、里拽枋、外拽枋、井口枋，草花架有草架柱、穿、踏腳木，還有金瓜柱、柁墩、脊瓜柱、角背。正身桁搭接采用燕尾榫，正搭交桁采用十字卡腰榫，瓜柱與梁搭接采用管腳榫。踩步金是歇山建筑特有的構(gòu)件，模型對(duì)應(yīng)的正身梁架為五架梁，對(duì)應(yīng)的兩端桁檁為下金桁，踩步金的長(zhǎng)按五架梁長(zhǎng)加搭交檁頭，高、厚與五架梁相同。

木基層模塊構(gòu)建要分析節(jié)點(diǎn)，小連檐和閘擋板搭接，腦椽、望板與扶脊木搭接，腦椽與花架椽壓掌榫搭接，花架椽與檐椽墩掌榫搭接;要計(jì)算檐椽平出、飛椽平出與飛椽一頭三尾;還要留下檐椽上小連檐“雀臺(tái)”與飛椽上大連檐“雀臺(tái)”。在建立老角梁和仔角梁時(shí)，由于“父背子”，所以老角梁在下，仔角梁在上。老角梁是歇山翼角構(gòu)件，不在檐面也不在山面，構(gòu)件在45°角位置并有高度升起，搭接構(gòu)件有正搭交挑檐桁、正搭交正心桁、正搭交下金桁和踩步金、金瓜柱、小連檐，端頭還要做成霸王拳形制，難度系數(shù)大。仔角梁在老角梁之上，搭接的構(gòu)件有老角梁、大連檐、正搭交踩步金與下金桁。

在完成上述四個(gè)模塊的構(gòu)建之后，建立古建筑單體的臺(tái)基，把準(zhǔn)備好的構(gòu)件模型，按木結(jié)構(gòu)安裝工藝流程進(jìn)行裝配，歇山建筑信息模型（見(jiàn)圖2）就完成了。歇山木結(jié)構(gòu)模型嚴(yán)格按照原結(jié)構(gòu)（包括榫卯連接方式）、原形制構(gòu)建，每一個(gè)構(gòu)件單獨(dú)建立一個(gè)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)100%仿真拆卸與安裝的工藝流程;可以實(shí)現(xiàn)課前知識(shí)預(yù)習(xí)，課中仿真練習(xí)、課后拓展的需要。歇山建筑的三維數(shù)字檔案已經(jīng)建立，可以隨時(shí)輸出構(gòu)件以及各種組裝圖的二維和三維圖形，來(lái)進(jìn)行構(gòu)件的權(quán)衡尺寸分析，在學(xué)習(xí)木構(gòu)營(yíng)造技藝同時(shí)掌握建筑的結(jié)構(gòu)與形制。

不斷構(gòu)建完成四角亭、硬山、歇山、懸山、廡殿、垂花門(mén)等不同類(lèi)型建筑信息化模型，開(kāi)發(fā)PPT、微課、動(dòng)畫(huà)、視頻、VR、AR等數(shù)字資源，建設(shè)適應(yīng)線(xiàn)上線(xiàn)下木構(gòu)教學(xué)資源庫(kù)。中國(guó)古建筑如同一顆顆璀璨的明珠植根在大地上，記錄、傳承了建筑布局、形制等級(jí)、構(gòu)造形式、結(jié)構(gòu)類(lèi)型色彩運(yùn)用和營(yíng)造特征，系統(tǒng)、全面學(xué)習(xí)古建筑基礎(chǔ)知識(shí)，為深入學(xué)習(xí)、研究古建筑相關(guān)知識(shí)、技術(shù)奠定基礎(chǔ)，才能做好古建筑營(yíng)造技藝的保護(hù)與傳承。

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作者簡(jiǎn)介：

王紅梅（1975-11.13），女，民族，漢籍貫，湖南省漢壽縣，職稱(chēng)，副教授，學(xué)歷，本科，工作單位，北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，研究方向：傳統(tǒng)建筑保護(hù)。