白族傳統民居BIM構件庫體系構建研究

李筱琪，趙 靜，韓 菡，楊榮彬

(1.大理大學 工程學院，云南 大理 671003；2.云南大學 建筑與規劃學院，云南 昆明 650091)

白族傳統民居作為白族文化的重要內容之一，具有物質與精神的雙重價值，應得到有力的保護[1].

建筑信息模型技術(Building Information Modeling，BIM)的概念自1970年被提出，近幾年在國內外的建筑行業受到了越來越多的關注和應用.BIM技術是利用數字模型對項目進行設計、施工和運營的過程[2].BIM技術具備完善的建筑信息模型，以3D模型為載體，集成建筑、結構、管道、施工及運維等建設項目的相關信息，為工程設計與施工提供相互協調、一致的信息模型，有助于提高建設行業的效率并節省能源[3].目前BIM研究中，信息化應用、深化設計以及項目管理為主要關注熱點和研究重點，實際應用于包括建筑、市政、橋梁等領域.

基于白族傳統民居保護發展的需求及BIM技術在建筑工程領域廣泛的應用前景，文中提出BIM技術在白族傳統民居保護中的應用.通過BIM參數化建模技術構建白族傳統民居建筑構件模型庫，解決古建筑模型與信息的兼容，模型信息的復用等問題，使白族傳統民居數字化保護更加系統化且具實用性.

1 BIM技術在古建筑保護中的應用

1.1 應用現狀

目前國內古建筑保護中BIM技術的運用主要集中在古建筑生命周期的信息方面，具體應用分為：基于三維數字技術的全息幾何模型、整體建筑信息模型、局部構件信息模型、基于BIM的古建筑全生命周期管理及分析、近景攝影測量、三維激光掃描技術、構件BIM云服務系統等方面[4].其中整體建筑信息模型與局部構件信息模型為本研究主要關注內容，已有研究成果包括：王婉等[5]對古建筑結構和構件進行分析，用VB編程語言對古建筑進行數字化與參數化的描述.王茹課題組“基于BIM的明清古建筑數字化保護與修復方法研究”，開發了明清古建筑信息設計平臺，為古建筑構件參數化信息模型庫的建立和管理提供了基礎平臺[6],對古建構件信息標準化以及關鍵信息的量化提取的方法進行了研究，并設計出利用圖形數據庫儲存古建筑附加信息的明清古建筑構件信息模型系統[7].譚潔等[8]以利用GDL語言編程方法實現了古建筑參數化三維模型的生成，并用此方法成功搭建單檐廡殿大木作模型.石若明等[9]以府學胡同36號院為例，介紹了Revit族文件的創建步驟，及以“搭建”的形式實現模型正向創建的過程.Liu等[10]提出了一種基于宋代材份制的參數化木構件系統，并創建出基于XML的模型文件展示和描述宋代古建筑的施工過程.Li等[11]提出一種基于ADE(application domain extension)中CityGML(city geography markup language)的中國古建筑屋頂模型的簡化建模的方法.

1.2 古建筑構件的BIM參數化設計

參數化設計是指在預先定義的參數條件下，通過改動模型某些部分的尺寸，自動完成模型中相關聯部分的改動，從而實現尺寸對模型的驅動，驅動所需幾何信息和拓撲信息由計算機自動提取[8].中國傳統木結構建筑具有模數化、標準化、程式化等特點，嚴格按照模數制，規范了古代建筑的營造，房屋大小、等級、造價等都有嚴格控制.營造時從建筑的基本構件入手，各工段分別制作構件，之后現場拼裝完成，即是預裝、拼裝式建筑的營造要義[12].這些特點與BIM參數化建模的思路與理念相符.在建立三維模型的同時采用參數化建模，將古建筑的內在規律植入模型，構件保存重要的尺寸約束關系，當重新調用構件時，只需簡潔的參數化設置就能快速創建模型，實現參數對模型的驅動，提高工作效率[13].目前，BIM建筑軟件中支持參數化設計開發的有ArchiCAD里的幾何描述語言工具GDL(geometric description language)，Bentley里的自定義物體(custom objects)，Autodesk里的上下文驅動變更引擎(context-driven change engine)等.

ArchiCAD 作為廣泛使用的主流BIM軟件，其內置的GDL語言編譯器也在發展.ArchiCAD模型是包含了全部建筑信息的3D數據庫，用戶輸入的數據被儲存在數據庫中，并提取出三維形體數據，通過GDL語言編譯器編譯成3D幾何形體，然后通過渲染引擎完成渲染，最終輸出為可視化的三維形體[12].GDL幾何描述語言，是智能化參數驅動構件的基礎，其語句格式類似于Basic語言，通過調用內置幾何體函數，并對相應的參數賦值后，便可在計算機中繪制任意形態的形體，并且幾何系統的尺寸和形態可以隨著可變參數的改變而做出相應的變換[14].GDL語言內置大量幾何體函數，如圖1以GDL多面體命令PRISM_ n,h,x1,y1,s1, …,xn,yn,sn為例，其中，n為多面體邊數，h為多面體高度，x,y為定義多面體各端點的坐標，s為控制各端點開始的邊和側面的狀態碼，通過坐標轉換、參數賦值與設定可變量等操作，就能定義相應幾何形狀的變量屬性以及開發包含可變參數的對象.GDL參數化對象包含構件的二維圖形符號、三維模型及文字描述等所需的所有信息，除材質、樣式、尺寸外還可以儲存造價信息，還具有模型輕量化、規范化、本地化模版、高效協同設計等優點.

圖1 PRISM_ 幾何形狀模型定義

GDL技術有多種應用模式，ArchiCAD軟件中自帶有GDL編輯器，在編輯對話框中，包括細節、參數、組分、描述符等設置，以及樣板、2D、3D、參數、界面等腳本編輯窗口，對象描述部分可添加建筑構件的相關介紹等信息，還可以預覽所編輯對象的二維、三維視圖等.如圖2.

圖2 GDL 編輯器對話框

基于以上優點，本研究將采用該計算機語言編程工具進行白族傳統民居建筑構件庫的建立.

2 BIM技術在白族傳統民居建筑中應用的意義及價值

2.1 白族傳統民居建筑特點及營建現狀

大理白族傳統民居結構體系源于中國傳統木構建筑，在吸收漢文化的同時又保留了自己的民族特色，經過長期的演變發展形成了具有白族地域化特征的民居形式.利用木構架的組合，形成獨具特色的“三坊一照壁”、“四合五天井”、“六合同春”等合院式布局.[15-17]目前針對白族傳統民居的研究主要以建筑風格、裝飾藝術及文化方面的意義為主，針對民居保護與傳承方面的關注較少.

白族傳統民居營建中，工匠基本沿襲傳統師徒制，房屋設計建造全憑工匠師傅的經驗技術，民居營造經驗技術、常用尺度往往以“口訣”形式口口相傳，設計圖紙、相關書籍稀缺，優秀工匠并不易尋得，使白族傳統民居營造技藝的傳承變成一個迫在眉睫、存在挑戰，同時也是一項極有價值的研究工作.

2.2 白族傳統民居BIM構件庫的作用和優勢

計算機輔助設計的發展，為古建筑數字化保護提供了更多的可能性，大大提高保護效率.傳統民居建筑設計靈活，結構多變，營建標準不統一，根據測繪數據重建的三維建筑模型只針對特定的建筑，費時費力重建的模型往往沒有復用性，限制了其應用價值[18].因此，根據BIM技術的信息完備性和參數化設計方面的優勢，將BIM參數化技術運用到白族民居建筑的保護中，首先能建立一個存儲白族傳統民居完整建筑信息的建筑信息模型(BIM)構件庫，為白族傳統民居數字化保護提供理論基礎；其次，構件的參數化應用能使模型具備復用性和移植性，在新的設計、營建項目中被便捷地使用，為模型賦予了的實踐的意義.

3 白族傳統民居BIM構件庫的構建及應用

3.1 白族傳統民居BIM構件庫

通過查閱白族傳統民居建筑相關文獻資料、實地調研及測繪、走訪傳統民居營建工匠，總結出白族傳統民居建筑特點，包括平面組合模式、常用木構架結構形式、建筑構成元素等，匯總相關信息完成白族傳統民居建筑構件庫的構建.根據民居木構架系統、屋頂、圍護、裝飾元素等進行分類，白族傳統民居構件庫構建的研究框架如圖3所示.

圖3 白族傳統民居BIM構件庫體系構建框架

構件庫主要包含木構架系統、屋頂、圍護、裝飾等構件，每個構件為一個GDL對象形式，每個對象保存了該構件的所有信息，可調用查看；同時在新建模型時，將對象集合導入ArchiCAD對象圖庫便可直接調用.圖4為白族傳統民居構件庫體系.構件儲存的相關信息包括：尺寸、表面材質、建筑材料、二維符號、三維模型、線型顏色、相關介紹等，在建模復用時，可以根據實際設計需要進行相關參數的設置.

圖4 白族傳統民居構件庫體系

3.2 白族傳統民居構件參數化

3.2.1 木構架系統

木構架系統構件包括柱、梁、枋、板、柱礎等.根據白族傳統民居常用木構架構件尺寸表1[16]，運用GDL三維形狀如BLOCK、CONE、CYLIND、PRISM等語句創建參數化木構架構件模型，根據不同構件的類型，設置參數的取值范圍.首先在參數面板中增加參數變量，并在參數腳本中給變量賦值，這樣使用者首先根據設計要求選擇構件類型，并在相應的賦值范圍內確定變量，在保證設計自由度的同時避免設計錯誤.

表1 白族傳統民居木構架構件尺寸表

在木構架構件調用面板中調用構件并設置相應參數可完成木構架的模型搭建，如圖5，在構件調用時確定變量，包括構件的空間位置、尺寸、材質，并可賦予造價、制造商等相關信息，用于后期進行統計造價等工作.圖6為以白族傳統民居明樓帶廈木構架為例，運用柱、梁、枋等構件所創建的木構架模型.

圖5 木構架構件調用面板 圖6 明樓帶廈木構架模型

3.2.2 屋頂系統

白族傳統民居屋頂為硬山式，屋頂系統模型由檁條、椽子、瓦、飛檐等構件組成，根據屋頂構件空間位置及組合規律，可以應用GDL編程中的坐標轉換、FOR循環語句、宏調用等命令，設置相應的可變參數，能創建包含有重復循環對象如椽子、瓦等構件的模型，完成屋頂系統的構建.屋頂模型部分3D腳本如圖7.

圖7 屋頂模型3D腳本編寫

GDL支持可移動熱點功能，在特定節點編寫可移動熱點后，使用者在模型復用時，能在2D或3D設計窗口中能根據不同的建筑尺度自由拖移可移動熱點，靈活直觀地改變屋頂的舉折和高度，賦予模型一定的自由度.可移動熱點語句為HOTSPOTx,y,z[,unID[,paramReference[,flags[,displayParam[,customDescription]]]]][19]，其中x，y，z定義點的坐標，unID為該點的獨立編碼，paramReference為所要改變的參數，flag為熱點屬性：以1表示基準點、2表示移動點、3表示參照點，displayParam、customDescription為拖移點時所顯示的相應信息.屋頂模型中，所設置的可變參數包括檁條間距、升起高度和椽子間距，可以通過結合循環語句與可移動熱點的方式改變模型的尺寸，在改變檁條長度時，椽子的改變并非只是尺寸上的變化，而是程序根據所設定的參數進行計算，在保持椽子間距不變的前提下，增加或減少椽子的數量，以保證構件尺寸的正確，這也是參數化構件模型優勢所在，如圖8.

圖8 屋頂系統及可移動熱點(紅點)

3.2.3 圍護系統

圍護系統主要包括門、窗構件，在GDL對象編輯時，應將門、窗構件子類定義為洞口——墻洞口——門(墻)、窗(墻)子類，以保證安插門、窗時洞口開設的準確性，并且能運用該子類下的相關預定義參數進行對象的創建.預定義參數中包括門框、門面板、2D表現、3D表現、材質等門構件的相關設置.如圖9所示.

圖9 門對象子類參數面板

3.2.4 其他元素

除以上構件，所創建的構件庫還包括照壁、大門、墻面裝飾(墻面彩繪、圍屏裝飾等)、木雕裝飾(吊柱、梁頭、掛枋、梁托)等極具白族傳統民居建筑特色元素的構件，見圖4.

3.3 白族傳統民居構件庫的應用

3.3.1 建筑三維模型搭建

白族傳統民居同中國古建筑體系一樣，一般以“間”為單位組成三間單幢建筑，稱為“坊”.根據家庭人口和經濟實力，院落通過“坊”演變出多種平面布局，形成豐富、靈活的庭院空間，以適應不同的生活需求.圖10以一坊房屋為例，調用所編寫的構件，設置相關參數，便能快速地完成建筑三維模型的搭建.

圖10 白族傳統民居建筑模型設計過程

3.3.2 建筑信息管理

創建的白族傳統民居建筑構件庫，在建筑信息管理的應用主要包括以下兩方面：首先，因為白族傳統民居建筑元素及構成紛繁復雜，營造技藝掌握在工匠手中，缺乏圖紙及相應標準規范，不利于白族傳統民居的保護及傳承，而BIM建筑信息模型攜帶構件包括形狀、尺寸、材料、用途等相關信息，這些以數字化形式保留的信息，將在白族傳統民居保護中發揮重要的作用.其次，在新營建項目中，匠人憑借經驗與客戶交流，客戶有時不具備房屋營建的相關知識，則會存在溝通等方面的困難，造成一些不必要的浪費，若建立BIM參數化模型，許多問題便可迎刃而解.包含有建筑全信息的三維模型能將建成的建筑效果直觀地呈現出來，在實際營建項目中，方便項目的展示、溝通與交流，并且BIM的可出圖性，清單統計，以及在施工模擬等方面的優勢，能協助在設計和施工時的溝通交流，減少設計工作量與成本，優化設計流程.表2為門、窗工程量統計清單，能協助工程量統計，利于預算與采購，且根據BIM的一體化和協調性，在對模型進行改動時，所有相關內容將自動進行聯動更改，準確便捷且能減少不必要的浪費.

表2 門窗一覽表

4 結語與展望

本文結合BIM的理念搭建了白族傳統民居建筑數字化研究的框架，運用ArchiCAD中GDL參數化語言編程工具對白族傳統民居建筑的主要構件進行三維建模，并賦予相應的信息，創建了白族傳統民居建筑構件庫.討論了參數化的三維模型在白族傳統民居保護中的優越性、模型的復用性以及在新營建項目中的可行性.保護與傳承相輔相成，此構件庫的建立，為白族傳統民居建筑的保護提供了數字化的信息平臺，相信隨著計算機輔助設計的不斷普及，將會取得更加廣泛的應用.