基于BIM技術的合肥包公祠保護與修繕研究

季文媚,汪立才,馬俊晨

安徽建筑大學 1.建筑與規劃學院;2.安徽省國土空間規劃與生態研究院,安徽合肥,230601

古建筑保護與修繕項目是一個高度分散的管理系統,且依賴于不同專業團體(包括業主、承包商、建筑師和工程師等)之間的相互協調,因而成為限制其經濟規模的重要因素,間接導致施工過程與修繕文本的統一性降低。項目施工造價和施工進度是否契合于所擬工程預算和施工模擬計劃,所依照的工藝做法和所應遵守的原則是否為傳統地方做法和保護明文準則,皆有待考據。這些市場特征導致建筑保護與修繕行業的歷史表現長期欠佳,致使市場標準化不足、創新和數字化進度緩慢及客戶滿意度低、交付過程繁瑣等[1]。

BIM技術帶來的曙光——建筑信息化建模(BIM)是一個借助共享化數字系統的搭建來貫穿建筑全生命周期(設計、施工、運營)的產業模式,并提供可靠決策支持的過程。BIM的全稱是Building Infornation Model,指在建筑工程項目中將傳統二維表達圖紙變為由有材質數據、物理特性和幾何數據的三維模型來進行表達,最終形成一個匯總建筑所有基礎數據的數據庫[2]。數據庫不僅包含建筑及構筑物所擁有的尺寸大小和連接方式,還可以賦予構件殘損病害信息、材料覆蓋屬性、標準樣板展示和力學受力特征等。每一個數據信息并非單獨的個體,它們彼此存有緊密關聯性。

1 BIM技術應用特征

1.1 可視化展示

目前多數古建筑工程項目仍以圖紙或者CAD為工程信息的載體[3],繼而利用SU、3DMAX等軟件進行基礎建模,僅作為效果圖向客戶展示,導致信息傳達不到位,使BIM的優勢之處得以體現。如今市場上BIM的建模軟件以revit為主,revit在建模過程中,精確到古建筑各個構件,如立柱、梁架、墻壁和瓦件等,木構件之間的榫卯結構的連接關系也能得以精確定位,極大減少了施工配料時間和返工次數;在施工模擬過程中,將BIM模型導入fuzor軟件進行同步處理(圖1),設置整體項目計劃的開始日期和結束期限,作為進度模擬時間軸,在每一段時間內選擇相應構件創建進度條,4D動畫模擬便可得以清晰地展示。BIM的可視化不只是模型構造信息可視化,更在于項目文本制作、現場施工修復溝通過程及運營后期維護管理都在可視化狀態下進行。

圖1 項目可視化展示圖

1.2 原真性保護

“原真性”一詞是英文“Authenticity” 的中文釋義,起源于中世紀的歐洲,曾用于宗教、時代精神和價值觀念等領域[4]。對于歷史建筑而言,其原真性的保護集中體現在建筑形制、建筑結構、原有材料和工藝技術等四個方面[5],BIM技術給予原真性保護工作極大支持。首先利用3D激光掃描設備對歷史文物進行全方位掃描,獲得數據后用配套軟件(如geomagic)進行點云去噪、平滑等數據預處理(可借助SCAN TO BIM插件)。數據處理完成后轉入revit,在revit中建立相應族文件,按照專業要求設置對應的屬性信息,每一步添加更詳細的說明及資料。最后在現場利用BIM驅動和指導施工。

1.3 數據庫構建

傳統建筑與現代建筑在信息模型管理與分析方面存在較多一致性,主要是基于軟件平臺間的協同操作與分析路徑[6]。BIM按數據類型可分為幾何數據和圖文數據。幾何數據包含構件內部幾何形態和與外部關聯的坐標信息,圖文數據指族參數屬性的添加,對所屬構件進行分類、解釋,這些參數可以作為共享參數上傳云端數據庫,不同項目可以此為參照進行分類整理。數據庫的功能為標準化修繕設計提供了極大便利,對建筑文化的傳承與發展提供了無限可能。

2 歷史建筑項目概述

2.1 歷史沿革

包公祠[7],又名“包肅孝公祠”(圖2),坐落于安徽省合肥市,坐北朝南,占地面積約 0.81 公頃。包公祠史建于北宋,明中期移遷今址,明清兩代多有修繕,清末李鴻章出資重修,基本規模布局沿襲至今(圖3)。祠內存有包拯及其子嗣大量珍貴的歷史資料及附屬文物[8],包公祠的保護對優秀歷史文化的傳承具有重要意義。

圖2 包公祠鳥瞰圖

圖3 包公祠歷史沿革圖

2.2 平面布局

祠堂建筑原構保存完整,由正殿、東西廂房、游廊等組成(圖4)。建筑整體風格為清代遺構,天井式院落布局,中軸對稱,樸素典雅。正墻為一堵“高門臉”,上覆疊瓦,墻角雕有花邊圖案,做法講究,氣勢恢宏;正門入內為一方天井,尺寸寬敞,增加院內通風采光;東西則為倆廂房內展有歷代包拯畫像,包式宗譜等;正殿為兩面坡小瓦木結構平房,面闊五間,室內構架裝飾考究,墻磚、牛腿拱、梁架等均有雕刻和彩繪;游廊環繞正殿及東、西廂房四周墻體外圍而建, 長約 40 米,正殿與廂房的回廊合為“抄手回廊式”,分成 前“遊步”后“副階”,側面呈歇山屋面狀,將小中見大“匠 意”得以升華。

圖4 包公祠平面布局圖

2.3 風險評估

包公祠主要建筑為南向的正殿以及東西向的廂房,建筑結構為傳統木結構,歷經百余年,其建筑主體難免受到人為或自然因素的影響造成殘損破壞。其一,因合肥位于江淮之間,空氣濕潤,夏季多雨,木質材料難以保存其原有面貌,加快木構件的糟朽與病害,亦出現磚石構件表面局部風化酥堿、抱柱油漆和墻體抹灰脫落、彩畫裝飾受潮霉化等現象。其二,包公祠自開放以來,客流量與日俱增,參觀朝拜者絡繹不絕,尤其是旅游高峰時期,景區內人滿為患,對建筑和文物本身也帶來諸多風險。其三,20世紀以來政府持續對包公祠進行撥款修繕工作,由于前期調研和資料收集不足,對文物的修繕難以依據傳統工藝做法,也間接造成了文物的二次損害。因此,標準化修繕措施的制定工作迫在眉睫。

3 BIM基本模型建構

3.1 族類別的選取

在revit軟件中,“族”是組成建筑的基本要素,也是revit最核心的概念。在建模過程中根據項目需要,尤其是傳統建筑的木作結構,對不同構件進行分類從而甄別合適的族類別,可以大大節省建模時間。不同的族類別帶有不同參數和屬性,但可以通過共享參數的建立達到參數的完整性,例如立柱與穿枋之間的榫卯尺寸,內外鋪裝的排列方式,墻體、屋面的材料分層等。revit族根據軟件自身定義以及實際項目情況可分為三大類,分別為系統族、外部族和自建族。

(1)系統族為軟件在項目樣板自帶的族[9],其所具有的自身參數類型不可進行更替,但滿足基本需求。包公祠內的圍護構件,如墻體、欄桿和門窗等皆可使用系統族創建。

(2)外部族指軟件內部不自帶,需要通過外部導入的族,如構件塢、族庫大師等外部插件的使用,相對程度上能夠填補系統族不完善的缺陷。但如今外部族開發的重點始終停留于房建方向,對于傳統建筑的開發利用少之又少。

(3)自建族多適用于異形結構和細部裝飾的建構,需先新建一個族頁面,創建一組在項目中使用的自定義構件。由于新建頁面無構件位置和尺寸信息,只能重新導入CAD底圖進行參照建模,因此可先借助常規模型在項目內進行構件創建,繼而復制到新建族頁面中進行參數的設置,最終導入原本項目文件中,達到項目之間的共享。

3.2 自建族的繪制

自建族通過參數化約束手段來實現幾何形體尺寸及位置的聯動作用[10]。自建族類型可根據構件所屬類型進行細分,這也是建模前期的準備工作。如立柱的族按縱深方向可分為脊柱、金柱、檐柱和廊柱等,按外形可分為直柱、梭柱;亦有按柱的功能、截面形狀分類的,不勝枚舉。建模之初,首先在合適的族樣板(一般采用公制常規模型樣板)內創造參照線和參照平面,并且對其進行尺寸丈量;通過融合、拉伸、放樣融合、空心形狀等命令做出構件基本型,再將各個邊線與參照線或參照平面對齊;接著建立實例或類型的共享參數屬性(圖5),再將其與對齊尺寸標注關聯;最后導入項目樣板中,可根據實際需要對參數進行精準修改。

圖5 共享參數設置圖

3.3 木排架的細化

包公祠所屬建筑排架形式是基于構件族庫而體現,主要分為入口前堂、東西廂房和正殿等三類木排架。由于建筑整體風貌統一,構件基本樣式類似,處于同一通例基礎上的構件適用于不同構架,如直柱、步梁和牛腿等。通過BIM成果的展示,使建筑排架、單一構件、榫卯結構一目了然,進而得出結構特征分析(圖6)。包公祠木構架融合“抬梁式”和“抬梁穿斗結合式”兩種梁架結構[11],前堂、廂房、正殿排架之間又經過枋件進行串接,圍合成一進天井院落。整體工藝做法講究,又不失地方特色,通過外擴天井圍合面積,增大院落場所空間,同時滿足正殿室內通風采光需求。

圖6 木排架結構特征圖

4 基于BIM的建筑保護與修繕

4.1 殘損信息平臺搭建

完整的建筑保護設計方案文本不僅包含建筑歷史沿革、建筑形制、價值評估等基本章序,還囊括建筑主體勘測及殘損狀況統計、殘損因素的推理以及后期修繕措施的分析。其中,殘損信息統計的環節是整個方案文本的核心,也是殘損評估乃至后期修復的依據。由此可見,歷史建筑殘損信息的處理能力尤為重要。基于BIM的殘損信息管理在傳統CAD制圖模式下,增加了構件與殘損信息的實時聯動作用。在提取殘損信息關鍵字段同時,將構件所處位置和構件相關信息快速、完整地展示,并通過選取構件本身直接進行快速修改。主要有兩種方式可以進行殘損信息的處理,其一是運用標記注釋,其二是與Excel表格的聯動作用。

4.1.1 標記注釋的運用

在revit軟件中新建項目圖紙并命名,將各個圖層分別導入并鎖定視圖;在標題欄選擇注釋,點擊按類別標記;選中圖框內殘損待修繕構件,雙擊進入文字框進行構件現狀的描述。可通過“云線批注”和“填充區域”的使用,對殘損區域較大的部位進行圈出、覆蓋,使整個圖例的展示更加直觀、清晰(圖7)。該方法滿足建筑本體及附屬設施的殘損展示,但仍屬于2D功能的延續,對于龐大體量的建筑群的信息管理仍存有一定局限性,不能批量地進行信息修改及各部件殘損狀況的比對。

圖7 殘損信息圖

4.1.2 與Excel表格的聯動

族屬性信息添加的傳統做法是逐一添加,對其信息內容的更改也是逐一更改,導致項目整體效率較低,準確度有待提升,通過BIMone插件的使用使所屬信息與Excel表格進行交互聯動,能有效地解決此類問題。首先新建明細表(根據項目實際需要選擇相應類別、可用字段),通過BIMone將明細表導出為本地Excel文件,并對文件命名;打開Excel表格將工作表保護模式撤銷,進行族屬性信息的添加或信息內容的批量更改;再次將已做修改的Excel表格導入項目文件,明細表內容自動發生修整。在明細表中如何發現沖突信息,可選擇將其在模型中高亮顯示并進行答疑(圖8)。基于Excel表格的同步聯動作用可對保護建筑進行逐一分析,分析條例含殘損狀況、殘損因素及修復意見等,同時為后期修復手法的針對性研究做鋪墊,如表1所示。

表1 殘損統計表

圖8 表格創建流程圖

4.2 施工修繕做法演繹

通過殘損信息平臺的搭建,對保護建筑所需修復構件的所處位置和殘損程度進行直觀展示,對不同病害要素進行分類、匯總,這是對建筑差異化、針對性修繕措施的前提和依據。根據信息表可知包公祠整體保存現狀相對較好,木構架及地面鋪裝保存較為完整,保護與修繕任務較輕,重點修復內容主要集中于干裂梁柱面層的生漆修補工程以及墻體表面空鼓、脫落的修復處理。

4.2.1 生漆修補

首先是前期打磨階段,所需材料有油灰、膩子、桐油和麻布等,對殘損梁柱表面做地仗處理,使構件表皮光滑平整。接著是所需顏料的選取與處理,古代用料多為礦石材料,常見材料有:朱砂、鉛粉、胭脂、赭石和石青等,這些礦物質需經過研磨、淘、澄、飛、跌的制作過程方可使用:在研磨過程中根據顏料顆粒的粗細對顏料的深淺進行區分,將研磨完成的顏料泡入水中淘洗并加入膠水使其澄清;沉淀一段時間后將水面上層較輕的顏料及底層所沉淀的雜質進行取出撇除,這項工作要反復進行;最后是利用所調制的顏料進行梁柱面層的均勻涂抹,頭道漆后進行二次涂抹。此外,考慮到包公祠處于亞熱帶濕潤季風氣候,可在顏料中加入少量明礬,起防霉防潮作用。

4.2.2 墻體粉飾

墻體所遭受的殘損程度決定著不同修復措施的采取與運用。根據對現狀墻體的勘測可知,墻體殘損現狀以因雨水侵蝕和日積月累的風化作用而造成的墻體表層局部鼓包、空鼓及外露磚墻顯現的磚體殘缺、酥堿為主,由于殘損級別略低,多數殘損部位僅需對其表面進行拋光打磨、二次粉刷工作,拋光打磨遵循著勾抹、打點、漫干活、漫水活等四個流程,這種修復手法較為簡易且不傷及墻體。針對整體保存尚好,但局部酥堿的墻體,則需進行剔鑿挖補及摘砌工作,方法是:將殘損磚塊進行移除,將備好的同形制同材料的磚塊嵌入墻體并用灰漿進行粘結,待灰漿風干之后再進行打點、抹灰工作[12]。

5 結 語

古建筑保護是對建筑主體結構及建筑所屬文化信息的保護,古建筑修繕則是處于“修舊如舊”基本準則下的修繕[13]。古建筑保護與修繕的難點在于資料收集的完善程度及與原有材質形制、工藝做法的精確度和契合度。古建筑修繕中運用BIM所體現的優勢主要有兩點:其一,通過前期采集的電子信息數據,精確記錄古建筑的二維、三維信息,并利于數據保存;其二,對各古建筑信息匯聚后,可組建一個精確的“大數據庫”,便于后期維保和傳承利用。本文以包公祠為研究對象,采用BIM技術提出相應保護與修繕舉措的技術路線,為目下歷史建筑的保護以及修繕文本的制作提供參考。