古木建筑裂縫多LoD表達與信息自動集成

劉穎華，解琳琳，李愛群，侯妙樂，劉浩宇

(1.北京未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044；2.北京市建筑遺產精細重構與健康監測重點實驗室，北京 100044；3.北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 100044；4.北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 100044)

古木建筑作為人類文明留存的一種方式，具有重要的價值，隨著時間的推移，會不可避免地產生以裂縫為典型代表的殘損。如何面向保護需求直觀記錄古木建筑的殘損現狀，是其安全性能評估與提升的重要基礎，是歷史建筑科學保護與發展的重要前提。

近年來，建筑信息模型(building information modeling，BIM)的發展為建筑的科學表達和各類信息的集成提供了重要支撐[1-2]。結合BIM技術與文物遺產領域，在世界范圍內逐漸形成了適用于歷史建筑的 BIM，稱為建筑遺產信息模型(historic building information modeling，HBIM)[3-4]，HBIM 是如今歷史建筑數字化保護趨勢中的前沿技術[5]。鑒于古建筑殘損類型繁多、殘損程度不一的情況，在借用 HBIM 技術對殘損信息表達與信息集成更新時，面臨以下難題：

(1)殘損信息表達方面。歷史建筑在保存過程中會經受各種各樣的破壞，構件出現了很多損傷[6-7]。理論上應盡可能對所有損傷信息進行詳細表達，然而在實際保護中由于工作量巨大而往往無法得到有效實施，更重要的是不同保護需求下(如搶救性保護和預防性保護)，對不同程度損傷存在不同的認知和表達需求。以應縣木塔為例，其二層明層出現了一定程度的傾斜，各類構件出現了較大的裂縫，由于該類裂縫可能對結構安全性能影響較大，應予以精準的表達。對于其他樓層損傷則可采用相對簡單但偏于保守的表達方法。BIM 中的多層級(level of detail，LoD)模型可以有效解決該問題。然而目前對于木構件，暫不存在相應的多層級裂縫模型。

(2)信息集成方面。了解到目前遺產從業人員大都將調研信息記錄在外部數據庫(如電子表格或電子文檔)中，詳細的文本記錄有利于細致地了解歷史建筑信息，但缺乏直觀性。盡管BIM具有強大的信息集成功能，通過模型鏈接的屬性電子表可實現數據、文本等信息的科學管理[4]，實現二維數據與三維模型之間的連通，彌補傳統方法的不足，但BIM自帶的屬性表不夠豐富，有必要梳理殘損特性，完善屬性表內容，實現條理性的信息管理方法。

(3)信息持續更新方面。歷史建筑信息一方面可以用于驗證HBIM的合理性和可靠性，另一方面信息持續集成至模型中可服務于歷史建筑的全生命周期管理。目前HBIM的屬性電子表內容，通常是采用手動方式錄入，自動化程度低。而古木建筑構件數量眾多，并且由于價值極高需要持續采集數據，導致數據量大且更新周期短，既有手動方法無法滿足古木建筑保護需求，因此亟需開發自動化算法實現古建筑信息在HBIM中的高效持續集成更新管理。

針對上述難題，本文以古木建筑裂縫損傷為例，基于《古建筑木結構維護與加固技術規范》(以下簡稱《規范》)明確了裂縫的重要性程度，建議了裂縫信息多層級表達方法及其多層級參數化數學模型；梳理裂縫重要屬性，提出了基于Revit平臺的裂縫信息集成方法；在此基礎上，通過二次開發，實現了裂縫信息在 HBIM 中的自動化集成更新與可視化展示。最后通過對典型古木建筑的裂縫信息表達與集成實驗驗證了該方法的可靠性和高效性(圖1)。

圖1 裂縫信息表達與集成更新研究流程圖

1 木裂縫模型多層級表達

多層級表達方法是面向不同保護需求實現裂縫信息的留取和表達。以柱為例，我國《古建筑木結構維護與加固技術規范》規定木柱裂縫可以根據最大裂縫寬度分為3類[8]，對于裂縫寬度小于3 mm的構件定義為輕度損傷，對于裂縫寬度介于3~30 mm之間的構件定義為中度損傷；對于裂縫寬度大于30 mm的構件定義為重度損傷。本文基于上述原則建議了一套裂縫損傷多層級表達標準(以下簡稱“標準”)及其參數化數學模型(表1)。

(1)LoD100，可表達所有殘損程度裂縫，采用色塊反映殘損等級，方便統計古木建筑整體構件損傷程度情況，主要服務于預防性保護，分別采用藍色、黃色和紅色色塊表達輕度、中度和重度裂縫。

(2)LoD200，用于表達中度和重度裂縫，偏于保守反映裂縫的最大寬度(wmax)、最大深度(dmax)和長度(h)信息，將裂縫表達為三棱柱，可用于預防性保護和搶救性保護，如古木建筑抗震性能安全性評估。

(3)LoD300，用于表達重度裂縫，依據中國文化遺產研究院提出的裂縫數據采集要求，提供沿裂縫長度方向多處的裂縫寬度和深度信息，如距裂縫頂端長度為hi處的裂縫寬度和深度分別為wi和di，盡可能詳實的留存裂縫信息，主要用于搶救性保護。

表1 古木建筑柱子裂縫模型多LoD表達標準

2 裂縫損傷信息集成方法

對于歷史建筑，應對其信息進行科學地集成管理。BIM的特色在于可集成豐富的信息，基于參數建立的三維 BIM 模型可以通過電子表格顯示該模型所關聯的所有對象及其相應的參數與特性。在Revit軟件中，每個構件模型都關聯了屬性選項卡，可以通過電子列表的方式管理構件的詳細信息。本文結合古木建筑保護從業一線人員的保護需求，梳理了裂縫信息需要管理的屬性內容，包括：①構件的唯一識別碼；②裂縫信息描述文本文件；③最大裂縫寬度；④裂縫損傷程度。結合已有屬性選項卡選項和自定義屬性選項，本文重新定義了古木構件的屬性，圖2為柱構件的新屬性選項卡，即裂縫信息的集成方式。

圖2 裂縫信息集成方式

對于任一構件，可按下述流程對其裂縫信息與HBIM模型進行集成管理：

(1)基于唯一構件識別碼選取構件，即“標記”屬性，在前期建立HBIM時需賦予每個構件唯一識別碼；

(2)為構件增加裂縫“寬度”和“殘損等級”屬性選項；

(3)在“注釋”屬性內標注裂縫信息描述文本；

(4)提取“注釋”屬性中的裂縫最大寬度wmax(對于輕度損傷的構件從“注釋”內直接提取裂縫寬度值，對于中度損傷的構件從“注釋”內提取裂縫最大寬度值，對于重度損傷的構件從“注釋”內提取沿著裂縫長度方向最寬處的裂縫寬度值)，并添加至“寬度”屬性；

(5)基于《規范》判定裂縫的損傷程度將結果添加至“殘損等級”屬性；

(6)以“殘損等級”作為過濾條件，對所有損傷程度的構件按“標準”進行殘損等級色塊渲染。

圖3為一古木亭子柱裂縫信息集成及LoD表達的示意，從圖中可以看出基于HBIM技術可以直觀的展示裂縫損傷程度，并系統集成裂縫的相關信息。然而該方法目前通過手動完成，對于小體量的古木建筑可以采用手動方法，但對于以應縣木塔為典型代表的大型古木建筑則會難以處理。更重要的是，信息與HBIM的集成大都是手動復制外部數據庫內容添加至屬性，外部數據庫信息的更新無法在HBIM構件屬性中實現同步更新。為解決上述不足，有必要在 Revit平臺上進行二次開發實現信息在HBIM 中的自動寫入、提取和更新渲染[9]，實現歷史建筑信息的高效、持續更新集成。

圖3 古亭局部木柱裂縫信息集成結果

3 信息自動集成更新算法

通過對Revit軟件進行二次開發，可創建滿足裂縫信息自動更新需求的插件。插件使用時有3個應用條件：①為每個構件設定唯一識別碼；②TXT格式殘損信息文檔，文檔內容包括構件名稱、構件唯一識別碼、構件殘損情況(固定格式描述了最大裂縫寬度、最大裂縫深度、裂縫長度、沿著裂縫長度方向各處的裂縫寬度和裂縫深度)；③在 HBIM 所鏈接的電子列表中將構件識別碼寫入“標記”框中。二次開發的環境配置與算法流程如下。

3.1 開發環境

環境配置方面需要 3個工具：Revit應用程序編程接口(application programming interface，API)、Revit軟件開發工具包(software development kit，SDK)、開發工具。①API是Revit軟件與外界交互的窗口[10]，通過API可以訪問Revit軟件的每個功能，并且可以創建開發新的功能。②Revit SDK里有工具實現接口鏈接，還可以幫助用戶了解API的用法。③需要完整的開發工具集VS(Microsoft visual studio)編譯器[11]，用于快速調用類集中算法和數據結構的NET Framework框架[12]以及C#語言。

3.2 算法流程

針對Revit軟件進行二次開發具有統一的基本架構：基于C#創建類庫工程[13]，添加RevitAPI引用，然后從 Iexternal-Command接口派生，重載Execute()方法，在Execute()函數中編寫程序實現外部命令。針對本文要實現的信息更新功能，其算法設計流程如圖4所示。

圖4 裂縫信息自動更新算法設計流程

(1)構件類別選取與參數增加。歷史建筑內含構件種類豐富，不同的構件在HBIM里表現為不同的類別，如柱構件屬于柱類別、枓栱構件作為嵌套族屬于常規模型類別等，因此先明確需要進行信息集成更新的目標構件，及其在模型中對應的類別，將之篩選出來。篩選構件類別是通過類的類型來進行元素過濾訪問[14]。首先創建元素類別過濾器，將所有類別元素選中；再通過內建類別過濾器篩選目標，若目標類別為一種，如柱，則使用內建類別過濾器過濾出所有柱元素，若目標類別為多種，如柱和梁枋，則需使用邏輯過濾器將內建類別過濾器與常規模型過濾器進行合并，從而找到所有柱與梁枋的類別元素；最后在當前模型項目中構造收集器，其用來迭代以及過濾元素的主要類[14]，將符合過濾條件的類別收集在收集器內，方便后續迭代遍歷使用。

為目標類別增加參數，即擴充電子列表內容與數量。由于 BIM 中的“信息”存儲，是通過“參數”設置并在項目中賦予實例參數值來實現的，因此可通過添加“共享參數”的設置為類別元素增加額外的參數[15]。梳理裂縫損傷的重要屬性，決定創建“寬度”與“殘損等級”共享參數。創建流程是新建共享參數組文件，在文件內定義“寬度”與“殘損等級”參數，將之創建為實例參數，最后將參數的定義與上一步得到的目標類別綁定，就實現了新列表欄的自動擴充(圖)。

圖5 參數添加示意

(2)電子列表內容寫入及解析。將裂縫信息TXT文檔中第 3列“殘損信息”內容批量自動寫至“注釋”欄。由于殘損文檔與HBIM都事先為構件對應了唯一識別碼，因此將構件識別碼作為傳入參數，將文檔信息與模型進行關聯。首先遍歷所有編號，再遍歷每個編號構件的所有屬性(所有列表內容)，之后獲取目標列表框“注釋”；最后修改對應編號的注釋信息，實現裂縫文本信息批量對應錄入“注釋”列表框。

電子列表中“寬度”欄內容的寫入是通過解析注釋信息而自動獲取的。首先對“注釋”框內容(即殘損信息)進行分割，成為由逗號隔開的若干個分句，遍歷所有分句，判斷是否包含“寬”字符，若包含則遍歷該分句，利用ASCII碼查找到寬度值，需要注意的是有時會得到多個寬度值，取最大值作為結果；若不包含“寬”字符，則令寬度信息值為 0。最后將結果錄入“寬度”列表框。“注釋”框與“寬度框”內容寫入結果如圖6所示。

圖6 電子列表內容寫入示意

(3)殘損等級判斷與色塊填充。“殘損等級”的自動判斷是基于《規范》中提到的木構件裂縫等級劃分內容對“寬度”值進行范圍判斷而得；最后將判斷結果匹配到相應構件的“殘損等級”列表框。

確定殘損等級后，為構件自動填充相應色塊。Revit軟件有多種填充樣式可供選擇，如交叉填充、分區填充等，本文使用實體填充樣式。首先定義實體填充，并根據3類殘損等級對應建立3個過濾器(輕度等級過濾器、中度等級過濾器、重度等級過濾器)；獲取共享參數組中的“殘損等級”，過濾器依不同的殘損等級進行過濾，記錄每個殘損等級對應的構件識別碼；按“古木建筑柱子裂縫模型多LoD表達標準”中等級表達的配色方案，對每個等級所收集的識別碼構件進行相應色塊的實體填充。

將上述 3個流程進行代碼編寫，并生成 DLL動態鏈接庫文件。編寫過程中需要使用大量函數，表2列出部分關鍵函數。

表2 Revit二次開發關鍵函數使用列表

為方便外部命令程序的集成和調用[16]，可通過編寫外部應用來集成插件。從Iexternal-Application接口派生，重載OnStartup和OnShutdown方法，使外部應用隨著 Revit 軟件一起啟動和關閉，載入已生成的 DLL文件，在附加模塊欄內為此命令生成面板與“Update”按鈕(圖7)，HBIM裂縫信息自動更新的開發工作結束。

圖7 信息更新插件

4 實驗驗證

為驗證本文方法的可靠性，以圖所示的HBIM 為例進行裂縫信息多層級表達與信息自動集成更新實驗，實驗環境配置參數見表3，此時柱子模型均為LoD100層級。首先為柱子設置唯一識別碼，并寫入構件的“標記”列表框；然后為柱子虛設裂縫殘損信息，且錄入TXT文檔；最后在Revit軟件中點擊“Update”按鈕，實現一鍵批量集成更新裂縫信息。本文實驗涉及目標柱子構件數量是64個，該方法用時4 s完成了柱子裂縫信息集成更新，結果如圖9(a)所示。之后以色塊結果為快速索引在相應柱子模型基礎上添加LoD200與LoD300裂縫模型，完成裂縫模型的多層級表達，結果如圖9(b)所示。

由實驗結果可得，本文算法快速實現了柱子模型和裂縫信息的鏈接，由色塊填充結果直觀反映出構件受損程度；由屬性選項卡下電子列表框中的各項信息，可把握裂縫的詳細情況；由單個模型的多細節層次表達，可直觀得到構件的受損細節。

圖8 實驗對象

表3 實驗環境配置參數

圖9 裂縫信息自動集成與多層級模型表達結果

5 結論

本文在古木建筑裂縫損傷表達與信息集成更新方面，針對模型構建的精細度劃分問題，結合國家相關規范建議了裂縫模型多LoD表達標準；針對信息集成問題，考慮從業人員需求進行裂縫屬性梳理，提出了基于Revit平臺的裂縫信息集成管理方法；面對信息量龐大的問題，對Revit軟件進行二次開發實現信息批量自動化集成更新。最后進行實驗驗證。

實驗結果表明將模型多細節層級表達方法、HBIM技術與Revit二次開發相結合方法，應用在信息表達集成中，可以高效地完成一些工作量較大、規律性較強的工作，有利于歷史建筑信息的全生命周期管理，便于安全性能評估，為后期運營管理與保護措施決策等工作提供參考。