明清官式木構(gòu)建筑遺產(chǎn)多元語義模型生成方法

摘要：為提高明清官式木構(gòu)建筑遺產(chǎn)建模分析效率，通過多元語義模型參數(shù)化生成方法研究，實(shí)現(xiàn)同時(shí)生成建筑與結(jié)構(gòu)模型.首先，對(duì)明清官式木構(gòu)建筑遺產(chǎn)的基本構(gòu)件進(jìn)行分類，并梳理建筑模型和結(jié)構(gòu)模型之間的信息流，采用Grasshopper進(jìn)行二次開發(fā)，完成建筑基本構(gòu)件庫.然后，以全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位北京德勝門箭樓進(jìn)行技術(shù)實(shí)踐，通過建筑基本構(gòu)件庫自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)分析模型，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全分析.研究結(jié)果表明，提出的方法可同時(shí)生成用于細(xì)節(jié)展示的建筑模型，以及可直接用于計(jì)算分析的結(jié)構(gòu)模型.研究成果為實(shí)現(xiàn)建筑遺產(chǎn)數(shù)字化預(yù)防性保護(hù)提供了理論依據(jù)和科學(xué)基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：木構(gòu)建筑；參數(shù)化；有限元；建筑信息模型；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：TU366.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

當(dāng)前，建筑遺產(chǎn)保護(hù)觀念從“搶救性保護(hù)”，逐步向“預(yù)防性保護(hù)”進(jìn)行轉(zhuǎn)變.而預(yù)防性保護(hù)工作的重要前提是實(shí)現(xiàn)建筑遺產(chǎn)的數(shù)字化與信息化管理.在傳統(tǒng)數(shù)字化的建筑遺產(chǎn)保護(hù)工作流程中，對(duì)于建筑模型的建立，一般先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪的結(jié)果，繪制相應(yīng)的CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）圖紙，并根據(jù)工作要求的信息深度建立建筑模型.而結(jié)構(gòu)模型的建立則在建筑模型完成之后，對(duì)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，確定建筑整體結(jié)構(gòu)模型并用于后續(xù)的有限元分析計(jì)算.上述工作流程中，建筑和結(jié)構(gòu)之間信息傳遞較少，兩個(gè)模型中的共同信息要素需要二次輸入，增大了建模工作量.同時(shí)，上述工作需要多學(xué)科的研究人員共同介入與協(xié)作，進(jìn)一步延長了整個(gè)工作流程所需的時(shí)間.

BIIM（建筑信息模型）是一種實(shí)現(xiàn)將結(jié)構(gòu)信息同步到建筑模型上的有效方法［1］. HBIM（historic building in?formation model，歷史建筑信息模型）這一概念由Murphy等［2］提出，從測(cè)量學(xué)的角度出發(fā)，將建筑構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)與激光掃描數(shù)據(jù)和圖像勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行映射分析. 隨后對(duì)HBIM 建筑建模［3］和智能化虛擬展示［4］進(jìn)行了探討. Logothetis等［5］總結(jié)了HBIM的工作流程：數(shù)據(jù)采集、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)鑒別、創(chuàng)建參數(shù)化構(gòu)件庫、構(gòu)件庫與掃描數(shù)據(jù)映射、生成勘察圖紙、點(diǎn)云文件映射. Banfi等［6］從數(shù)據(jù)采集工作入手，關(guān)注如何減少測(cè)量和掃描的時(shí)間來提高整個(gè)流程的工作效率. Es?ponda等［7］通過對(duì)勞倫琴山脈木屋進(jìn)行歷史研究，采用數(shù)字技術(shù)對(duì)整體工作進(jìn)行記錄分析.

大多數(shù)的研究都集中在BIM模型的建立和展示應(yīng)用方向.孫偉超［8］從圖元信息出發(fā)，對(duì)古建筑構(gòu)件庫的參數(shù)化做出了初步探索.李舒靜［9］以“類型樹+結(jié)構(gòu)樹”為基本形式完成建筑信息采集，并采用“影子族+詳圖構(gòu)件庫”進(jìn)行信息表達(dá).王茹等［10］通過分析典型明清歷史建筑的構(gòu)成體系和建造模式，對(duì)主要的建筑構(gòu)件的建模工作進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)研究，建立尺寸約束關(guān)系.王茹等［11-12］研究了構(gòu)件信息標(biāo)準(zhǔn)化和關(guān)鍵信息量化提取的辦法，提高構(gòu)件庫的效率，并提出了古建筑保護(hù)方法經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.張祥［13］對(duì)古建筑信息化構(gòu)件的裝配模式進(jìn)行分析，完成構(gòu)件的信息共享和模型的信息協(xié)同.韓婷婷［14］提出了明清古建筑構(gòu)件信息分類編碼實(shí)現(xiàn)方法，完成三維構(gòu)件庫的設(shè)計(jì)和信息化管理過程.譚潔等［15］以清代官式建筑為例，討論了基于三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用方法，并采用GDL語言編程，建立相關(guān)構(gòu)件模型.

在HBIM方面，大多數(shù)研究都集中在歷史建筑信息模型的建立以及后期信息系統(tǒng)的維護(hù)，對(duì)建筑模型和結(jié)構(gòu)模型的協(xié)同工作方面則研究較少.對(duì)于明清建筑而言，其構(gòu)件建筑模型的信息化工作已經(jīng)基本完善，但由于建筑模型和結(jié)構(gòu)分析模型在建模時(shí)考慮的重點(diǎn)存在差異，因此無法從建筑模型直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)譯.基于此，本研究在建筑信息化模型中，考慮到建筑模型和結(jié)構(gòu)模型的協(xié)同建模，采用建筑常用的建模軟件Rhino為載體，通過Grasshopper開發(fā)插件，對(duì)明清官式木構(gòu)建筑遺產(chǎn)的建筑與結(jié)構(gòu)模型協(xié)同建模工作做出探討.本文首先對(duì)不同構(gòu)件類型的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析，考慮構(gòu)件模型合理性及整體建筑模型組裝的連續(xù)性；同時(shí)針對(duì)明清官式木構(gòu)建筑遺產(chǎn)的特殊做法，根據(jù)其力學(xué)特性，編寫相應(yīng)的分析模塊.然后以北京德勝門箭樓上部結(jié)構(gòu)為例，分析其建筑特征、結(jié)構(gòu)布置，完成城門樓建筑遺產(chǎn)結(jié)構(gòu)模型自動(dòng)化生成.最后，基于自動(dòng)生成模型，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析.

1 多元語義模型參數(shù)化生成方法

1.1 方法整體架構(gòu)

建筑模型的主要作用是展示建筑現(xiàn)狀，表達(dá)建筑的形制特征和殘損現(xiàn)狀；結(jié)構(gòu)模型的作用則是進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全定量分析計(jì)算.模型參數(shù)化生成方法整體架構(gòu)如圖1所示.首先，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪、調(diào)研、文獻(xiàn)等方式，獲取關(guān)鍵信息.其次，在Grasshopper中采用C#進(jìn)行二次開發(fā)，建立四種類對(duì)象，擴(kuò)充Grasshopper中電池塊的信息維度.然后，根據(jù)獲取信息與建立的類對(duì)象，分別對(duì)應(yīng)生成幾何屬性、定位點(diǎn)、力學(xué)屬性等電池塊.根據(jù)構(gòu)件的形制信息、材料信息并結(jié)合構(gòu)件結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，建立模型構(gòu)件信息庫.以建筑主要構(gòu)件定位信息、建筑三維點(diǎn)云模型等數(shù)據(jù)，建立建筑模型，并同步生成初始結(jié)構(gòu)模型.通過定義榫卯節(jié)點(diǎn)參數(shù)信息，并將其與模型位置對(duì)應(yīng)，同時(shí)確定建筑的荷載約束條件，完整結(jié)構(gòu)信息輸入環(huán)節(jié).最后將模型信息通過數(shù)據(jù)流的形式進(jìn)行輸出，編寫基于Python中mapdl包調(diào)用ANSYS軟件的算法，自動(dòng)完成結(jié)構(gòu)分析計(jì)算.