基于BIM技術的民族建筑構件參數化建模方法研究

蔡 軍，封聲鳳，蘇 瑩，邱秀麗，劉彩云，潘德武

(賀州學院 建筑與電氣工程學院，廣西 賀州 542899)

民族建筑作為民族文化的重要載體，承載著包括建筑構件、圖騰、圖案、文字、符號、雕塑、壁畫等少數民族文化，它見證了民族建筑歷史的發展與變革。近年來，由于新興建筑文化對中國民族建筑文化的影響，建筑行業的新技術、新材料、新方法對民族建筑技藝傳承產生斷層的影響，自然因素、人為因素對民族建筑本體的損害等等原因，致使中國部分民族建筑數量快速銳減，民族建筑文化面臨滅絕，有必要對民族建筑的保護尋求發展路徑。

與民族建筑具有同樣的建筑樣式復雜和多樣性的古建筑，在設計過程中采用傳統的設計軟件和方法存在較大的難度和需要耗費大量的時間。為簡化建模過程，相關研究人員已對測繪技術或者BIM技術對復雜的古建筑進行快速建模，如楊振威等[1-2]利用BIM技術等對古建筑進行信息化建模，高溪溪等[3]結合三維激光掃描儀與BIM技術對古建筑進行參數化建模。

但相關人員利用BIM技術在民族建筑建模方面利用較少，但根據研究人員在古建筑方面的研究成果[4-5]，并結合BIM技術在古建筑構件參數化建模方面的應用[6-8]進行民族建筑構件參數化建模研究。以嶺南地區民族建筑構件的封火墻為研究對象,分析封火墻的建筑構件內在規律，對民族建筑構件進行參數化建模，從而建立封火墻構件“族”庫，為民族建筑數字化保護提供幫助。

1 BIM技術參數化建模方法研究

高岱等[9]為進行古建筑構件的參數建模方法研究，根據中國古典建筑斗拱建筑構件尺寸關系建立相應的函數關系，從而設定相對應的自變量和因變量，在進行建模過程中對自變量進行修改從而可進行生成其他規格的建筑構件。

而對于民族建筑參數化建模方面，吳海俊[10]根據安徽當地的徽派建筑結構，歸納并定義徽派建筑中構件的參數類型，以及確定各構件參數之間的函數關系、構件間的組合比例和約束關系，從而可實現改變徽派建筑的1個基本參數 ，即可快速有效地生成徽派建筑。

為實現復雜建筑模型的參數化建模，魏穎[11]通過Rhino軟件處理具有非線性曲線、曲面特點的建筑構件，并且結合Grasshopper[12]可視化編程語言對其進行參數化處理實現參數化建模。

而對于其他部分復雜且無規律的特殊建筑構件，為對其進行快速建模，石力文[13]、鄧林建[14]等利用三維激光掃描儀對特殊構件進行掃描形成點云模型，并結合Revit軟件進行BIM模型的重建，從而實現快速建模的目的。

2 民族建筑構件模型及參數關系

封火墻構件的主要作用是在相鄰民居發生火災的情況下能夠隔斷火源。封火墻建筑構件類型主要包括鑊耳墻、馬鞍墻、馬頭墻三種主要類型。因馬頭墻的外觀較為簡單，本文主要以鑊耳墻、馬鞍墻為例。為探索鑊耳墻、馬鞍墻內在的規律，將三種類型構件外觀進行簡化并建立各個尺寸之間的代數關系，從而為建立封火墻構件“族”庫中的歸一化模型做準備。封火墻的部位主要包括：墻頂(E)、墻肩(A)、墻腰(D)、墻胯(B)、墻長(L)、內襯(C)、模型內部墻高(H)等。

2.1 鑊耳墻模型及參數關系

鑊耳墻的簡易模型如圖1。基本特點是模型兩邊對稱，模型的墻肩(A)為半圓弧，模型的腰部(D)為直線段和模型的墻胯(B)為1/4圓弧段，模型底部總長為L，根據鑊耳墻實際情況進行模型參數設置，將A、B、C、D、E等參數設置為自變量，模型其他參數設置為因變量，自變量之間對應關系：A=r，B=3 r，C=0.3 r，D=0 r、0.5 r、1 r，因變量與自變量之間關系：L=2B+2A=8 r，其中鑊耳墻的墻體厚分別為120 mm、240 mm、370 mm。

圖1 鑊耳墻簡易模型

2.2 馬鞍墻模型I及參數關系

馬鞍墻有兩種典型的模型，第一種馬鞍墻是由鑊耳墻衍生而來的，即馬鞍墻在鑊耳墻的頂部增加了一段直線段,具體簡易圖形如圖2；第二種馬鞍墻是由第一種馬鞍墻簡化而來的，即將第一種馬鞍墻頂部兩端的弧線段轉化為直線段，如圖3。

圖2 馬鞍墻簡易模型I

馬鞍墻I模型基本參數與鑊耳墻的類似，增加一個新參數墻頂(E)，E的取值范圍0～6 r。其余參數：A=r，B=3 r，C=0.3 r，D=0 r、0.5 r、1 r，馬鞍墻長度為L=2B+2A+E=8 r+E。

圖3 馬鞍墻簡易模型II

2.3 馬鞍墻模型II及參數關系

馬鞍墻模型II與馬鞍墻模型I之間的區別在于，馬鞍墻模型II將馬鞍墻模型I頂部與腰部的圓角倒角連接改為直角倒角連接，簡易圖形如圖3。

馬鞍墻II模型由馬鞍墻I演化而來，即在原馬鞍墻I的基礎上取消了頂部弧形段改為直線段，E的取值范圍0～6 r。其余參數：A=r，B=3 r，C=0.3 r，D=0 r、0.5 r、1 r，馬鞍墻長度為L=2B+E=6 r+E。

3 BIM軟件參數化建模方法

3.1 封火墻“族”庫歸一化建模思路

中國民族建筑種類繁多，在歷史進程和不同區域中同類型構件出現多種形狀的演化，使得利用BIM技術相關軟件對民族建筑構件進行參數化建模的工作量大大增加，從而導致參數化建模生成的“族”體系內存過大。為了能系統地傳承和保護民族建筑，需要對同類型民族建筑構件進行歸一化處理，即將不同形狀的同類型民族建筑構件歸類統一處理形成可用單個“族”進行參數化生成。

謚號屬于古代禮制的一個重要方面，具有很強的社會功能。程頤云：“古之君子之相其君，而能致天下于大治者，無他術，善惡明而勸懲之道至焉爾。勸得其道，而天下樂為善，懲得其道，而天下懼為惡，二者為政之大權也。然行之必始于朝廷，而至要莫先于謚法。何則？刑罰雖嚴，可警于一時，爵賞雖重，不及于后世，惟美惡之謚一定，則榮辱之名不朽矣，故歷代圣君賢相，莫不持此以厲世風也。”太子獲得的謚號會隨著史書、碑刻等載體流傳于世，是對宗室子弟的較為有效的一種教育手段，有利于引導他們和睦相處并遵守皇權至上的禮儀制度。

根據封火墻的簡易模型圖中的圖1～3可知，由于馬鞍墻I的參數較多，可將其作為鑊耳墻和馬鞍墻II的歸一化模型，鑊耳墻和馬鞍墻II模型可在其基礎上進行演化生成。不同類型封火墻的演化過程如下：

(1)鑊耳墻模型。鑊耳墻模型與馬鞍墻I模型對比主要差別在于：馬鞍墻I模型頂部存在有一定長度的墻頂，鑊耳墻模型沒有墻頂部位，或者是墻頂的長度較小。鑊耳墻模型具體的演化方法是將馬鞍墻I模型(歸一化模型)的墻頂(E)參數設置為一個量級較小的數值(因軟件中參數設置不允許出現為0的情形)。

(2)馬鞍墻II模型。馬鞍墻II模型與馬鞍墻I模型對比主要差別在于：馬鞍墻I模型頂部(墻頂)兩端存在有一定弧長的墻肩，其弧度可近似為90度，馬鞍墻II模型頂部(墻頂)兩端的沒有墻肩，具體的演化方法是將馬鞍墻I模型墻肩的弧長設置為一個量級較小的數值，即可演化成馬鞍墻II模型。

依托BIM技術的Revit軟件，根據馬鞍墻I的參數關系，構建馬鞍墻I的參數化模型，通過改變馬鞍墻I的部分參數，從而形成不同規格的馬鞍墻I模型，或者馬鞍墻II或者鑊耳墻模型，從而實現民族建筑構件參數化建模的目的。

3.2 封火墻“族”庫建模演化過程

封火墻“族”庫建模的具體步驟：(1)將不同類型的封火墻構件進行歸一化處理,為馬鞍墻簡易模型I，取馬鞍墻簡易模型I的一半進行建模；(2)將馬鞍墻簡易模型I(歸一化模型)五個部位分別建模，標注尺寸并建立尺寸關聯關系。由于模型部分區域存在一定弧度，所以模型部分部位的最外層、中間層和最內層的尺寸之間存在一定的差異，其他的直線段的尺寸基本相同。從模型的最外層到中間層和最內層區域的尺寸的設置方式：墻頂均設置為E，墻肩為A、a、a1，墻腰均為D，墻胯為B、b、b1，內襯厚度為C，底部長度為L，最內層區域的墻高為H，具體如圖4；(3)將模型進行鏡像復制，形成完整的模型；(4)修改按照3.1節的方式修改相應的參數，使馬鞍墻簡易模型I轉化為馬鞍墻簡易模型II和鑊耳墻模型；(5)對模型進行貼圖形成較為真實的封火墻結構。

圖4 封火墻“族”模型尺寸設置

為確保能夠將馬鞍墻簡易模型I轉化為馬鞍墻簡易模型II和鑊耳墻模型，對相應的參數進行設置對應的關系。將A、B、C、D、E等參數設置為自變量，將其余參數設置為因變量。相應的關系為：H=a1+b1+C+D；L=E+A+B；a=A-C；a1=A-2×C；b=B+C；b1=B+2×C，具體設置如圖5。

表1 封火墻"族"模型的參數關系設置

3.3 封火墻“族”庫建模結果

將封火墻“族”庫的“族”模型，即歸一化模型進行鏡像之后形成馬鞍墻I模型，結果如圖6。為將馬鞍墻I模型轉化為馬鞍墻II模型，需將頂部弧形段的半徑為較小的數值，且需確保最內層頂部弧形半徑a1=A-2×C為正，此外模型中C=200 mm,則需將頂部弧形半徑A設置為401 mm，此時a1=1 mm相對于其他參數而言為一量級較小的值，結果如圖7。為將模型馬鞍墻I模型轉化為鑊耳墻模型，則需將頂部直線段的長度E設置為1 mm，具體如圖8。

圖6 封火墻族——馬鞍墻簡易模型I

圖7 封火墻族——馬鞍墻簡易模型II

圖8 封火墻族——鑊耳墻模型

4 模型美化與推廣應用

為了美化創建的模型，走訪調研嶺南地區民族傳統村落，采集、分類、匯總封火墻主體的材質圖像，并對圖像標注地理、年代、民族等信息導入至Revit軟件中形成民族建筑封火墻構件的材質信息庫。最后對模型進行貼相關材質圖4成較為真實的封火墻結構，具體如圖9。

圖9 鑊耳墻美化模型

為進一步推廣與傳承民族建筑，將美化的模型VR技術相結合，并且將其應用在地方民族文化博物館以及民族傳統村落景區中進行展覽。其方法不僅能實現為民族博物館和傳統村落景區吸引游客，也能讓游客進一步了解民族建筑的演化發展過程。

5 結 論

文中以嶺南地區民族建筑構件的封火墻為例，基于BIM技術對民族建筑構件進行參數建模研究，通過建立民族構件尺寸之間的參數關系，可形成同類型民族建筑構件“族”，從而可實現快速建模的目的和減小“族”存儲空間。

部分民族建筑構件的局部較為復雜，對于局部復雜的封火墻，為更好地反映封火墻的真實特征，可采用Revit軟件建模與點云建模相結合的方式，其中局部構造(細部構造，較為復雜的部分)可采用三維激光掃描儀對其進行掃描形成點云模型，從而生成細部復雜的模型，其余簡單部分的可采用Revit軟件參數化建模的方式。

文中描述的民族建筑構件參數化建模方法對于實現民族建筑構件快速建模具有重要意義，對于傳承、推廣和保護民族建筑具有一定的實踐指導意義。