“互聯網+”下HBIM技術在建筑遺產數據中的可視化研究
——以磺溪書院為例

商墩江，袁華斌

(廈門大學 嘉庚學院，福建 漳州 363105)

1 HBIM技術概述

1.1 HBIM(歷史建筑信息模型)

清華大學設計研究院與文化遺產保護研究所在2009年提出我國“遺產/歷史建筑信息模型”(HBIM)技術，這是在BIM技術核心基礎上，增加針對歷史建筑保護特殊屬性的建筑信息模型技術，并將其命名為HBIM技術。它具有一套科學、完善、規范的應用流程，并能將相關專業的先進技術協同運用到保護工作中。HBIM提供了一種新的工作方式，將管理部門、保護單位、設計方、施工方和大眾聯系在一個交流平臺上，從而使保護工作的各個環節緊密聯系，同步調整的設計方式協同進行，因此，將HBIM定義為具有三維模型的歷史建筑生命周期中的信息管理工具。

HBIM的研究包括有助于快速建立精確模型的建模技術、模型信息的定義及HBIM的應用。在AEC行業，HBIM用戶通常在項目生命周期的不同階段選擇不同的開發級別(LOD)，以根據詳細程度為模型元素開發的主題區域來加強溝通[1]。

1.2 HBIM與BIM相比優勢

與BIM相比，HBIM更強調遺產建筑背后的數據以及竣工結構的建模技術。HBIM的生成涉及到對歷史建筑的歷史信息和修復信息的分析，特別是關于模型參數和歷史數據信息之間的關系。同時，HBIM項目也面臨重大挑戰，很多歷史建筑的原始建筑圖紙缺失。由于自然因素的影響，結構往往處于劣化狀態，或者它們已經被翻新和修改。這些建筑遺產往往具有獨特的特征和歷史意義，組件參數也是不同的。在當前的BIM框架中，很難使用組件庫來完成模型。因此，HBIM研究過程中，必須首先使用激光掃描、攝影測量等方法對建筑構件進行測量和計算，然后才能參考有關歷史建筑的文獻來建立模型。

HBIM技術還需要考慮有關組件更新的屬性，以便更清楚地傳遞每個組件的信息。例如，采用本體方法來闡明每個歷史組件的通用術語、屬性和相關性。簡而言之，為了在項目生命周期的不同階段向不同的利益相關者提供準確的信息，考慮這些組件在HBIM中的作用是至關重要的，即定義如何集成和呈現建筑遺產組件及其背后的數據信息[2]。

1.3 HBIM技術在歷史建筑中的應用

BIM技術的研究主要集中在三維模型的改進上。然而，就建筑遺產的價值而言，每一個建筑元素的文獻和背景更值得關注。除建筑物的基本資料信息、歷史登記信息和背景信息外，還應包括與建筑遺產有關的細節，如構件的形狀、工匠的姓名以及翻修周期和過程。有必要保存有關建筑遺產元素的所有相關信息，這些信息可以傳到后代[3]。將HBIM定義為具有三維模型的歷史建筑生命周期中的信息管理工具。以傳統木制歷史建筑構件庫的生成過程為研究對象，研究核心問題：(1)構件性。建筑構件應劃分為獨立的構件單元，以呈現每個歷史建筑構件的完整歷史痕跡。例如，每一個“斗拱”(頭公、支架組)、梁和柱子都有不同的歷史和翻新記錄，每一個都應被視為不同的單獨單元。(2)組件屬性。組件屬性包括所有修復的尺寸、材料、表面裝飾、時間、工匠姓名、使用的工具和翻新記錄。應根據項目生命周期不同階段的需求確定屬性。(3)關聯性。創建關聯是為了給建筑的元素之間的關系以及翻新的細節提供通用詞匯表。該關聯還確定了類別和類之間的相互關系，以建立基本的數據描述，并探討數據驗證和集成的可能性。采用本體論和CIDOC-CRM對建筑構件、基礎信息和維修信息進行了重新定義。(4)保護性。通過HBIM規定實施工序，把材料、構造等傳統施工工藝體現在三維BIM的建筑遺產構件修復中，并將數據導入HBIM數據庫并以可視化模型顯示。

2 HBIM技術建筑遺產數據可視化研究對象—磺溪書院

磺溪書院(圖1)建于1888年，是座落于臺中市大渡區的一座歷史名勝。這里曾是大渡口、龍井、武里等地學者和官員聚集的重要場所。在日本占領時期，它是一所國立小學。目前主要是旅游景點和祭祀場所。磺溪書院采用雙廣場布局，前后分院。這座建筑的寬度是七個“開間”(傳統的測量單位)，大約28 m寬，深度約30 m。從外到內的空間布局包括：山門(前門)、庭院、拜殿(禮拜堂)、正廳(講堂)、東西兩室以及連接走廊(圖2)。建筑材料包括紅磚、花崗巖、青石和杉木。HBIM技術可視化研究以磺溪書院建筑結構為例，建立結構分解圖并進行建筑元素分析，并以Autodesk Revit為工具建立構件庫。

圖1 磺溪書院：(a)3D模型；(b)拜殿(禮拜堂)；(c)部分3D剖面

圖2 磺溪書院的布局，包括正門、庭院、禮拜堂、正廳、廂房和連接走廊

3 HBIM技術在建筑遺產數據可視化的應用研究

3.1 HBIM數據可視化組件庫

目前，大多數BIM技術都是處理新建筑。用于模擬歷史建筑的預定義庫或工具非常有限。在磺溪書院項目中，為歷史建筑創建了一個可重用的參數化庫對象，重點是傳統的木制建筑。組件和三維模型是使用Autodesk Revit創建的，其中，RFA文件是可以加載到項目中或保存到外部的族文件。為了允許其他項目使用為此項目創建的組件，大多數組件都創建為RFA文件。以《臺灣的書院》提供的磺溪書院二維計算機輔助設計為參考依據，這些圖紙是由FARO激光掃描儀Fo-cus3Dx130基于現場測量結果創建的。組件類型根據每個組件在模型中的使用方式進行分類。分為三類：(1)帶參數的族構件。適用于在項目中重復使用某個構件，并且需要針對不同位置修改尺寸的情況。(2)無參數族構。適用于在項目中重復使用而不修改尺寸的構件。也適用于此項目中僅使用一次的組件，但它是可用于其他項目的通用組件。(3)自定義組件。僅使用一次且不能用于其他項目時，組件屬于此類別[4-5]。

3.2 定義建筑遺產的建筑構件的規則

為明確建筑構件的規范，查閱了相關領域的資料。具體規定如下：歷史建筑構件區分規定，如圖3所示。(1)從歷史建筑正面開始，沿建筑物的主軸前進。例如，山門-天井-拜殿-正殿(前門-庭院-禮拜堂-大廳)。(2)在每個建筑空間內，從外到內、從前到后、從左到右區分每個桁架。(3)從桁架下方的最低建筑構件開始，識別不同高度的每個間隔。(4)在每個高度間隔中，遵循相同的原則(從外到內，從前到后，從左到右)來識別每個建筑構件。如果一個建筑構件跨越多個間隔，則選擇其連接的第一個間隔。

圖3 定義建筑構件的規則：(a)閩南風格歷史建筑平面圖，規則a示例；(b)規則b示例；(c)桁架的剖面圖，規則c～d示例。

有關將建筑構件定義作為HBIM模型中的一個或多個構件的規則：(1)當歷史建筑構件上需要修復的確切位置無法預測時，應將整個建筑構件視為一個構件。例如，由于墻壁上可能出現的裂縫的位置是不可預測的，因此無法預測墻壁的哪一部分需要修復。整個墻被視為一個構件。(2)建筑構件具有重要的文化或歷史意義。例如，如果一塊屋瓦上的印記、圖案或銘文與其他屋瓦不同，則該屋瓦將被視為一個構件。否則，所有屋頂瓷磚應視為一個建筑構件。(3)建筑構件由一系列元素組成，例如屋頂下的椽子。如果沒有任何椽子被修改或恢復，則所有椽子都將被視為一個構件。這些規則是根據磺溪書院的案例制定的。然而，傳統的閩南風格建筑有多種形式。建模過程會因不同結構和不同需求而異。

3.3 磺溪書院各區域建筑構件

磺溪書院的建筑分為5個區域：正門、禮拜堂、正廳、廂房和連接走廊。根據3.1節規定、特殊建筑構件明細如表1所示，包括代表每個區域內有多少種特殊構件類型的數字。某些自定義組件是專門為Revit中的項目創建的，不包括在表1中。

表1 磺溪書院各區域建筑構件類型

3.4 帶有參數的族組件

為了提高構建三維模型的效率，選取形狀相同但尺寸不同的構件作為帶參數的族構件。以磺溪書院為例，創建了4個帶有參數的族構件。它們是圓形支撐架、方形支撐架、主梁和屋頂梁。圖4顯示了這4個具有參數的組件，其中的參數可以全部或部分修改大小。例如，用戶可以通過更改參數r的值來修改屋頂梁(b)的直徑，并通過更改參數a和b的值來更改凸榫(a)矩形尖端的大小。圖5顯示了禮拜堂中12種不同大小的方形支架參數。

圖4 帶參數的四個族構件：(a)主梁；(b)屋頂梁；(c)方形支撐架；(d)圓形支撐架。

圖5 禮拜堂內12個方形支架

3.5 無參數的族組件

除了帶有參數的族構件外，大多數構件都是在RFA文件中創建的，但此時不會設置參數。用戶可以隨時根據項目需要設置參數。磺溪書院創建了23個結構元素，每一個都是在形式變化類型的基礎上進一步發展的。圖6顯示了禮拜堂中8種類型的結構元素-柱基。

圖6 禮堂堂柱基

4 結語

在構建組件庫和三維模型之前，必須將建筑遺產內的建筑組件/圖元分離并分類為適當的圖元單元。根據未來相關建筑遺產構件數據庫所需的信息，分離和分類組件的方式可能會有所不同。勘察和記錄信息，這是文物保護才有的需求，HBIM技術將有價值的信息在BIM建模數據完成后永久保存，要求必須對組件進行合理分類，并檢查參數以確定它們是否必要。這將有利于組件庫的管理，并使組件更適用于未來的工程。

在HBIM技術中為了在包含數據的情況下為每個組件創建視覺效果，例如與改建有關的信息，建議使用LOD 300。較低的模型可能不會生成太多的細節。然而，如果使用更高的模型，考慮到傳統木結構的復雜性，建立模型將更加耗時。此外，三維模型將在網上提供鏈接到數據庫瀏覽，細節過多的模型會降低瀏覽速度。

HBIM可以記錄、呈現和傳輸歷史建筑元素背后的數據。與傳統的數字歸檔技術相比，HBIM既記錄了整個建筑有關的數據信息，同時也記錄了單個結構元素的數據信息。這對保護建筑遺產很重要。然而，組件庫的創建僅僅只是一個開始。 該研究的最終目標是建立一個歷史建筑的綜合數據庫。還需要進一步探討其他問題，包括如何定義和分類每個元素背后的數據，以及重新定義數據集之間的關系。