基于BIM技術(shù)的歷史風(fēng)貌建筑信息保護(hù)

劉 康 張金明 柯嘉薇 方 芳

對(duì)于城市而言，歷史風(fēng)貌建筑是十分珍貴的文化遺產(chǎn)，承載著城市從創(chuàng)建到發(fā)展歷程中所有的記憶，具有不可替代的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值以及文化價(jià)值。若能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)歷史風(fēng)貌建筑信息的有效保護(hù)和合理利用，則對(duì)于城市未來(lái)風(fēng)貌發(fā)展、保留原有建筑風(fēng)格與文化特色都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。但現(xiàn)有的保護(hù)方法更多是以紙質(zhì)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各類信息的采集和保存，缺少數(shù)字化、直觀化的管理，這樣不僅會(huì)增加保護(hù)工作的工作量，而且在采集各類信息時(shí)還會(huì)出現(xiàn)不全面、精度低等問(wèn)題，無(wú)法進(jìn)一步提升保護(hù)效果[2]。

針對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)引入BIM 技術(shù)，介入信息化手段和思路，可以對(duì)歷史風(fēng)貌建筑各階段信息進(jìn)行采集和保護(hù)。BIM技術(shù)當(dāng)前在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，但在信息保護(hù)中的應(yīng)用卻較少[3]。其應(yīng)用的核心是以計(jì)算機(jī)作為運(yùn)行載體，將實(shí)際的建筑在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)三維立體化模型，并結(jié)合數(shù)字化技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行信息補(bǔ)充和完善。通過(guò)這樣的方式能夠直觀、全面以及階段性地記錄并且展示歷史風(fēng)貌建筑的基本信息，更利于其管理、保護(hù)等相關(guān)工作的進(jìn)行。

1 歷史風(fēng)貌建筑信息采集與模型構(gòu)建

1.1 歷史風(fēng)貌建筑顯性與隱性信息采集

在歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)和更新的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的信息，為實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的有效保護(hù)，可將信息劃分為顯性和隱性兩種類型，并分別進(jìn)行采集。首先，對(duì)于顯性信息的采集可采用數(shù)碼拍攝的方式完成[4]。對(duì)建筑某些結(jié)構(gòu)上的重要構(gòu)件進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，為了確保采集到的現(xiàn)狀色彩信息真實(shí)，在拍攝的過(guò)程中，每一張圖像都需要附帶兩張色卡，其中一種為24 色卡，另一種為白平衡卡。后期在對(duì)建筑色彩進(jìn)行還原時(shí)，每張圖像上附帶的上述兩種色卡都能夠確保將色彩因素產(chǎn)生的影響降到最低，從而保證建筑色彩信息的真實(shí)性[5]。

為進(jìn)一步提高色彩信息采集的精度，可選擇專業(yè)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝，并確保拍攝的角度與拍攝面始終保持垂直。最后，將利用專業(yè)數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片以RAW 格式存儲(chǔ)，為后續(xù)圖像處理的可調(diào)提供條件[6]。同時(shí)，在獲取建筑的顯性信息時(shí)還可引入三維激光掃描技術(shù)，確定各個(gè)構(gòu)件位置信息的計(jì)算公式為：

式中：Xd、Yd和Zd分別為某一點(diǎn)d在三維坐標(biāo)中的橫軸、縱軸和空間軸坐標(biāo)；S表示為測(cè)定距離；a和b分別為測(cè)點(diǎn)與中心點(diǎn)的連線同橫軸、縱軸形成的夾角。

按照上述思路完成對(duì)所有顯性信息的采集，再對(duì)歷史風(fēng)貌建筑中所有隱性信息進(jìn)行采集[7]。在具體操作中，可使用攝像機(jī)、錄音機(jī)及其他設(shè)備，對(duì)建筑的某一主題以口述歷史信息的方式進(jìn)行采集。從口述內(nèi)容中挑選出與主題相匹配的信息予以保留，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史情況的還原。在采集隱性信息時(shí)，需要確保對(duì)象大眾化，針對(duì)社會(huì)各個(gè)層級(jí)、各行業(yè)人群進(jìn)行歷史風(fēng)貌建筑信息中隱性信息的采集。將獲取到的信息資料保存并整理成稿，達(dá)到建筑背后隱藏歷史信息的可視化[8]。同時(shí)為體現(xiàn)全面性，在得到上述隱性信息時(shí)還可采取檔案查詢的方式為隱性信息結(jié)論的總結(jié)提供依據(jù)，并確保后續(xù)保護(hù)方法的保護(hù)對(duì)象更準(zhǔn)確。

1.2 基于BIM 的歷史風(fēng)貌建筑信息模型構(gòu)建

在獲取到歷史風(fēng)貌建筑的顯性信息和隱性信息后，引入BIM 技術(shù)，對(duì)其信息模型進(jìn)行創(chuàng)建。在創(chuàng)建模型時(shí)，將類型學(xué)理論引入到Revit 軟件中，以便實(shí)現(xiàn)模型族樣板層級(jí)之間的相互關(guān)聯(lián)。基于BIM 技術(shù)的模型族樣板層關(guān)聯(lián)示意如圖1所示。

圖1 基于BIM 技術(shù)的模型族樣板層關(guān)聯(lián)示意

利用Revit 軟件中的文件鏈接協(xié)同方式和工作集協(xié)同方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息模型的多方協(xié)同設(shè)計(jì)。利用第一種方式將dwg 格式文件作為模型外部參照的相似條件，并在Revit 軟件中通過(guò)復(fù)制、協(xié)同查詢等實(shí)現(xiàn)建筑不同專業(yè)之間模型文件的交互[9]。利用第二種方式將模型核心結(jié)構(gòu)的支撐文件進(jìn)行分解，由各個(gè)專業(yè)負(fù)責(zé)完成對(duì)應(yīng)的模型設(shè)計(jì)項(xiàng)目，最后匯總構(gòu)建成完整的歷史風(fēng)貌建筑信息模型。

2 歷史風(fēng)貌建筑信息保護(hù)方法研究

2.1 歷史風(fēng)貌建筑幾何數(shù)據(jù)庫(kù)與信息數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

在上述構(gòu)建的歷史風(fēng)貌建筑信息模型中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的合理存儲(chǔ)，可針對(duì)不同類型信息完成對(duì)幾何數(shù)據(jù)庫(kù)和信息數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建。幾何數(shù)據(jù)庫(kù)可看作是信息模型的基本單元，其中包含了建筑中各個(gè)構(gòu)件的幾何尺寸、基本信息以及環(huán)境信息等[10]。幾何數(shù)據(jù)庫(kù)中包含了多種不同種類和格式的數(shù)據(jù)，歷史風(fēng)貌建筑幾何數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)類型及對(duì)應(yīng)格式如表1 所示。

按照表1 中的內(nèi)容將所有幾何數(shù)據(jù)以對(duì)應(yīng)格式存儲(chǔ)在幾何數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成對(duì)幾何數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建。再按照上述思路對(duì)建筑信息數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行構(gòu)建，信息數(shù)據(jù)包括歷史信息、藝術(shù)信息以及文化信息等，其數(shù)據(jù)庫(kù)的格式應(yīng)更加多樣化。根據(jù)歷史信息相應(yīng)的文件格式，將各類檔案中與歷史風(fēng)貌建筑相關(guān)的信息進(jìn)行記錄，并按照如表2 所示的格式將不同類型信息數(shù)據(jù)輸入到信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。

表1 歷史風(fēng)貌建筑幾何數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)類型及對(duì)應(yīng)格式

表2 歷史風(fēng)貌建筑信息數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)格式表

2.2 基于階段化的歷史風(fēng)貌建筑全生命周期信息的保護(hù)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史風(fēng)貌建筑全生命周期信息的保護(hù)，按照信息模型階段化的思路，對(duì)建筑在各個(gè)歷史階段中的建筑結(jié)構(gòu)信息、材料信息、更替信息以及構(gòu)造改變信息等進(jìn)行保護(hù)。在Revit 軟件中，利用其階段化功能，將建筑從建成以來(lái)的各個(gè)歷史階段信息進(jìn)行劃分，并將其存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的子模型中，以此實(shí)現(xiàn)信息與模型之間的動(dòng)態(tài)鏈接。在Revit 軟件的管理選項(xiàng)卡中，調(diào)出階段化管理面板，在這一面板中對(duì)建筑歷史階段進(jìn)行編輯，并根據(jù)建筑發(fā)展的實(shí)際情況，完成階段的增添或發(fā)展階段順序的改變。

以某歷史風(fēng)貌建筑墻體為例，在對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行保護(hù)時(shí)，調(diào)出與墻體屬性相關(guān)的信息，采用Revit 軟件中的階段化功能完成對(duì)墻體創(chuàng)建階段和拆除階段的劃分。在實(shí)際應(yīng)用中，拆除不僅表示人為拆除，自然條件破壞也可視為拆除的一種表現(xiàn)類型，從而將各個(gè)階段的各項(xiàng)信息進(jìn)行合理區(qū)分，并將其導(dǎo)入到信息模型中，在保護(hù)信息的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)信息的可視化展現(xiàn)。

3 實(shí)例應(yīng)用分析

為了驗(yàn)證上述方法在實(shí)際應(yīng)用中能否實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史風(fēng)貌建筑信息的保護(hù)，現(xiàn)以某城市具有歷史風(fēng)貌特點(diǎn)的建筑為例，獲取相關(guān)的各項(xiàng)信息資料。已知該建筑建成于1950 年，是一棟具有70 余年歷史的典型風(fēng)貌建筑，在10 年前便被確定為該城市重點(diǎn)保護(hù)級(jí)別的歷史風(fēng)貌建筑。但是由于該建筑建設(shè)時(shí)間較早，設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到抗震構(gòu)造的問(wèn)題，使得建筑受到地震波影響出現(xiàn)了部分坍塌，然而在對(duì)該建筑以往信息的提取中，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地震影響所造成建筑坍塌位置的相關(guān)記錄。

該建筑的顯性信息主要包括建筑平面尺寸（32.54 m×12.25 m）、建筑占地面積（652 m2）以及建筑建造材料等；隱性信息主要包括當(dāng)時(shí)歷史背景下的建筑設(shè)計(jì)理念、建筑材料的運(yùn)用以及建造工藝等。建筑承載了該城市的文化、歷史和技術(shù)等，對(duì)于了解該城市在特定歷史時(shí)期的社會(huì)狀況具有極大的幫助。收集完歷史建筑的顯性與隱性信息，對(duì)其進(jìn)行信息化保護(hù)，首先要建立基于BIM 技術(shù)的歷史風(fēng)貌建筑信息模型，并對(duì)其容量值進(jìn)行分析。模型的容量值越大，則表示信息保護(hù)提供的信息存儲(chǔ)空間越大，越能夠保留更多的歷史風(fēng)貌建筑信息。根據(jù)上文論述，對(duì)基于BIM 技術(shù)建立的歷史風(fēng)貌建筑信息模型容量值進(jìn)行計(jì)算，其公式為：

式中：φ為基于BIM 技術(shù)的歷史風(fēng)貌建筑信息模型的容量值；W為歷史風(fēng)貌建筑顯性信息和隱性信息在傳輸過(guò)程中通道內(nèi)的總?cè)萘浚沪艦楸Ｗo(hù)過(guò)程中信息出現(xiàn)的損失量；K為模型總?cè)萘俊８鶕?jù)上述論述，記錄從1950 年開(kāi)始的第10 年、20 年、30 年、40 年以及50 年的模型容量值，得到如表3 所示的結(jié)果。

表3 本文保護(hù)方法中模型容量值記錄

對(duì)表3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，盡管隨著年份的增加，模型中不斷有新的信息增加（這一部分信息主要來(lái)自于建筑結(jié)構(gòu)變化、建筑修復(fù)信息等），模型的容量值也在逐漸降低，但在當(dāng)前的容量值降低速度條件下，該模型仍然可以為歷史風(fēng)貌建筑信息提供100 年左右的信息增加量。

BIM 技術(shù)未來(lái)也將更加成熟，因此模型容量值能夠充分滿足信息保護(hù)方法中的信息存儲(chǔ)空間條件，初步可以證明將BIM 技術(shù)應(yīng)用到歷史風(fēng)貌建筑信息保護(hù)方法中具有可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)探究BIM 技術(shù)在歷史風(fēng)貌建筑信息保護(hù)中的應(yīng)用，并舉例驗(yàn)證其應(yīng)用的可行性，可見(jiàn)BIM 技術(shù)更利于歷史風(fēng)貌建筑信息的保護(hù)、管理等相關(guān)工作。但由于研究能力有限，上述提出的保護(hù)方法對(duì)于歷史風(fēng)貌建筑信息保護(hù)的效果并沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)踐研究，因此在后續(xù)的研究工作中還需通過(guò)實(shí)踐的方式對(duì)其保護(hù)效果進(jìn)行探究，并針對(duì)保護(hù)過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的優(yōu)化方法，從而進(jìn)一步提升該保護(hù)方法應(yīng)用的適應(yīng)性。