基于BIM 技術的古建筑模型構建
——以蘭州市至公堂為例

山 嵐 馬力鶴 張寧鋒

（甘肅交通職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州730070）

BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling）的簡稱。近年來，隨著BIM技術的不斷發(fā)展與應用，以及我國對古建筑保護工作的不斷重視，古建筑保護領域也逐步應用到BIM技術，該項技術在古建筑數(shù)字化保護方面具有一定的優(yōu)勢。“BIM+古建筑數(shù)字化保護”其基礎是在獲得古建筑相關數(shù)據(jù)資料的基礎上對古建進行三維建模。至公堂作為蘭州歷史文化中一個重要的發(fā)展節(jié)點，代表著甘肅科舉制度一個跨越性的階段。本研究以甘肅省蘭州市至公堂古建筑為例，通過BIM技術對該清代古建筑建立真實尺寸的三維模型，可為類似的古建筑數(shù)字化技術保護工作提供參考與借鑒。

1 BIM 技術的優(yōu)勢

BIM 技術的特點在于“所建即所得”，在古建筑數(shù)字化保護工作中的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。依托BIM技術實施建模，能夠快速建立包含古建筑幾何信息及非幾何信息的三維模型，能夠提高古建筑保護與研究的信息化程度，后期可對模型進行屬性信息的添加，成果具有一定的擴展性與后期利用性，在一定程度上能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)測繪圖紙作為古建筑設計建造資料進行存檔，建立歷史文物建筑的科技技術信息資料庫，支持對歷史古建筑物的恢復建成和歷史意義的傳承，在古建筑保護工作中具有一定的創(chuàng)新性[1]。

2 BIM 技術建模具體實施

2.1 建模流程

中國古建筑以木結構體系為主體，歷經(jīng)了漫長的發(fā)展歷史。按照等級規(guī)格的不同，古建筑在建筑形式、構造方式、建筑材料、工藝技術以及構造法式等方面作出了統(tǒng)一的規(guī)定，形成較為統(tǒng)一的風格[3-4]。至公堂建筑制式為十三檁五脊懸山頂，面闊七間21.7 米，進深12 米，青磚砌五花山墻，琉璃筒瓦屋面，而臺基、木構架和屋頂是古建筑基本的組成部分。該明清古建筑建造時的一般施工順序為：臺基——立柱——梁架——屋頂——墻體——彩繪，對于至公堂古建筑利用BIM技術建模的流程也由此順序進行。構件各部分尺寸信息和結構信息通過前期調研、數(shù)據(jù)資料的獲取得到，將所得二維圖紙導入Revit 軟件即可創(chuàng)建古建筑三維模型。

2.2 具體實施

根據(jù)建模時臺基、立柱、梁架、屋頂、墻體等先后順序，以下選取立柱、梁架兩大類主體的模型創(chuàng)建進行說明。

2.2.1 立柱的三維模型創(chuàng)建

柱的功能是承載上部梁架的重量，它在中國古代建筑中占有十分重要的位置。三維建模的基本步驟為：創(chuàng)建柱身，以柱底圓心為坐標原點，確定基線方向，輸入柱身底圓直徑、頂圓直徑，存儲立柱構件的名稱及尺寸信息，點擊確定按鈕即可生成柱的三維模型。根據(jù)至公堂的立柱總數(shù)及間距，對所有立柱進行復制構建生成立柱模型，結果如圖1 所示。

圖1 立柱的三維模型

2.2.2 梁架的三維模型創(chuàng)建

梁的功能是承載其上構件的荷載并將之轉載給前后兩柱，是古代建筑結構中的重要構件之一。至公堂古建筑的梁架創(chuàng)建為長方體，梁架創(chuàng)建基本步驟為：a.在進行好原點設置、基線方向設置后，輸入長寬高尺寸，創(chuàng)建初始長方體；b.創(chuàng)建梁的“抬頭”，計算各點坐標，進行布爾運算，創(chuàng)建出架梁的“抬頭”；c.創(chuàng)建檁椀，按照尺寸進行實體圓柱構建后做布爾運算得到檁椀，并通過鏡像得到架梁；d. 根據(jù)同樣的方法，創(chuàng)建其他的梁架類構件；e.進行梁架三維模型的組裝。部分組裝后模型如圖2 所示。

依據(jù)同樣的建模原理，系統(tǒng)地分項建族，分別生成該古建筑的臺基、屋頂、墻體、雕花等三維模型。

2.3 建模成果

建模族庫構件包含屋頂梁架、臺基、墻體、立柱、屋頂、雕花等。分族建模完成后的成果如圖3 所示。

圖2 至公堂立柱、屋頂梁架組裝三維模型

圖3 至公堂古建筑分族建模各部分成果圖

在完成以上部件模型的基礎上，通過賦予建筑顏色、材質、強度等非幾何信息，以三維模型為載體實現(xiàn)古建各部分三維模型的拼接，并進行環(huán)境的渲染，得到最終至公堂古建筑三維建模后的成果圖，如圖4 所示。

圖4 至公堂古建筑三維建模最終效果圖

圖5 設置不同標高解決模型構建問題

3 技術問題及解決

在利用Revit 軟件實施建模的過程中，遇到以下問題，并逐一進行解決：

第一，建模邏輯問題。對于鋼筋混凝土等現(xiàn)代建筑，其建模過程相對來說比較自由。而古建筑存在很多的構件，所以在建模的過程中，應該更加注重建模的邏輯性。通過了解古建筑的建造過程，將這一個過程運用到Revit 的建模，這樣建模過程就符合相應的邏輯順序，能提高對古建筑的建模效率。

第二，傳統(tǒng)的梁架體系如何建模的問題。古建筑中的結構體系是梁架結構，力通過梁、檁傳遞給立柱，再傳給臺基。但是古建筑梁架結構復雜，至公堂建筑形式是十六檁四步廊，梁、檁相互交錯且數(shù)量很多，建模較為復雜。為解決這一問題，三維建模過程中通過設置不同的標高，將梁、檁層層疊放上去，形成梁架的整體結構體系，便可解決建模中遇到的這一技術問題。如圖5所示。

第三，異形模型建模與搭建問題。在整個建模過程中，斗拱、雕花、脊獸等這些小構件，直接用Revit 建模難度較大，所以變換思路通過草圖大師（Skechup）和犀牛（rhino6）軟件輔助建立了雕花等異形模型，然后通過Revit 中的體量和場地命令，內建體量命令，將異形模型導入Revit，進而完成整個模型的搭建。

4 總結與展望

本次研究將BIM技術與古建筑保護工作相結合，以至公堂古建筑為對象，利用Revit 建模軟件建立包含該古建筑幾何信息的三維模型，雖然實現(xiàn)了至公堂古建筑三維建模的建立，但是在更完善地記錄該古建筑的真實尺寸，并賦予該古建屬性信息（如建筑材料、構造方式、工藝技術、歷史文化等）技術方面仍顯欠缺。對古建筑三維建模構建后，進行歷史文物信息資料庫的建立，繼續(xù)將BIM技術與現(xiàn)代化電子信息技術手段相融合，探究開展古建筑數(shù)字化保護和傳承研究的數(shù)據(jù)平臺，創(chuàng)新文保工作者對歷史古建筑的維護與管理工作，將作為本課題繼續(xù)研究的方向。