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字化保護方面具有一定的優勢。“BIM+古建筑數字化保護”其基礎是在獲得古建筑相關數據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展節點，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字化技術保護工作提供參考與借鑒。

1 BIM 技術的優勢

BIM 技術的特點在于“所建即所得”，在古建筑數字化保護工作中的優勢逐漸顯現。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傳統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，歷經了漫長的發展歷史。按照等級規格的不同，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一的規定，形成較為統一的風格[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、數據資料的獲取得到，將所得二維圖紙導入Revit 軟件即可創建古建筑三維模型。

2.2 具體實施

根據建模時臺基、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建進行說明。

2.2.1 立柱的三維模型創建

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。根據至公堂的立柱總數及間距，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建為長方體，梁架創建基本步驟為：a.在進行好原點設置、基線方向設置后，輸入長寬高尺寸，創建初始長方體；b.創建梁的“抬頭”，計算各點坐標，進行布爾運算，創建出架梁的“抬頭”；c.創建檁椀，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. 根據同樣的方法，創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。

依據同樣的建模原理，系統地分項建族，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古建各部分三維模型的拼接，并進行環境的渲染，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，繼續將BIM技術與現代化電子信息技術手段相融合，探究開展古建筑數字化保護和傳承研究的數據平臺，創新文保工作者對歷史古建筑的維護與管理工作，將作為本課題繼續研究的方向。