明清官式木構建筑遺產多元語義模型生成方法

摘要：為提高明清官式木構建筑遺產建模分析效率，通過多元語義模型參數化生成方法研究，實現同時生成建筑與結構模型.首先，對明清官式木構建筑遺產的基本構件進行分類，并梳理建筑模型和結構模型之間的信息流，采用Grasshopper進行二次開發，完成建筑基本構件庫.然后，以全國重點文物保護單位北京德勝門箭樓進行技術實踐，通過建筑基本構件庫自動生成結構分析模型，并進行結構安全分析.研究結果表明，提出的方法可同時生成用于細節展示的建筑模型，以及可直接用于計算分析的結構模型.研究成果為實現建筑遺產數字化預防性保護提供了理論依據和科學基礎.

關鍵詞：木構建筑；參數化；有限元；建筑信息模型；結構分析

中圖分類號：TU366.2 文獻標志碼：A

當前，建筑遺產保護觀念從“搶救性保護”，逐步向“預防性保護”進行轉變.而預防性保護工作的重要前提是實現建筑遺產的數字化與信息化管理.在傳統數字化的建筑遺產保護工作流程中，對于建筑模型的建立，一般先根據現場測繪的結果，繪制相應的CAD（計算機輔助設計）圖紙，并根據工作要求的信息深度建立建筑模型.而結構模型的建立則在建筑模型完成之后，對構件和節點進行簡化分析，確定建筑整體結構模型并用于后續的有限元分析計算.上述工作流程中，建筑和結構之間信息傳遞較少，兩個模型中的共同信息要素需要二次輸入，增大了建模工作量.同時，上述工作需要多學科的研究人員共同介入與協作，進一步延長了整個工作流程所需的時間.

BIIM（建筑信息模型）是一種實現將結構信息同步到建筑模型上的有效方法［1］. HBIM（historic building in?formation model，歷史建筑信息模型）這一概念由Murphy等［2］提出，從測量學的角度出發，將建筑構件參數化設計與激光掃描數據和圖像勘察數據進行映射分析. 隨后對HBIM 建筑建模［3］和智能化虛擬展示［4］進行了探討. Logothetis等［5］總結了HBIM的工作流程：數據采集、結構細節鑒別、創建參數化構件庫、構件庫與掃描數據映射、生成勘察圖紙、點云文件映射. Banfi等［6］從數據采集工作入手，關注如何減少測量和掃描的時間來提高整個流程的工作效率. Es?ponda等［7］通過對勞倫琴山脈木屋進行歷史研究，采用數字技術對整體工作進行記錄分析.

大多數的研究都集中在BIM模型的建立和展示應用方向.孫偉超［8］從圖元信息出發，對古建筑構件庫的參數化做出了初步探索.李舒靜［9］以“類型樹+結構樹”為基本形式完成建筑信息采集，并采用“影子族+詳圖構件庫”進行信息表達.王茹等［10］通過分析典型明清歷史建筑的構成體系和建造模式，對主要的建筑構件的建模工作進行參數化設計研究，建立尺寸約束關系.王茹等［11-12］研究了構件信息標準化和關鍵信息量化提取的辦法，提高構件庫的效率，并提出了古建筑保護方法經濟性評價指標體系.張祥［13］對古建筑信息化構件的裝配模式進行分析，完成構件的信息共享和模型的信息協同.韓婷婷［14］提出了明清古建筑構件信息分類編碼實現方法，完成三維構件庫的設計和信息化管理過程.譚潔等［15］以清代官式建筑為例，討論了基于三維模型的參數化設計在古建筑保護中的應用方法，并采用GDL語言編程，建立相關構件模型.

在HBIM方面，大多數研究都集中在歷史建筑信息模型的建立以及后期信息系統的維護，對建筑模型和結構模型的協同工作方面則研究較少.對于明清建筑而言，其構件建筑模型的信息化工作已經基本完善，但由于建筑模型和結構分析模型在建模時考慮的重點存在差異，因此無法從建筑模型直接進行結構模型的轉譯.基于此，本研究在建筑信息化模型中，考慮到建筑模型和結構模型的協同建模，采用建筑常用的建模軟件Rhino為載體，通過Grasshopper開發插件，對明清官式木構建筑遺產的建筑與結構模型協同建模工作做出探討.本文首先對不同構件類型的結構計算簡化模型進行分析，考慮構件模型合理性及整體建筑模型組裝的連續性；同時針對明清官式木構建筑遺產的特殊做法，根據其力學特性，編寫相應的分析模塊.然后以北京德勝門箭樓上部結構為例，分析其建筑特征、結構布置，完成城門樓建筑遺產結構模型自動化生成.最后，基于自動生成模型，實現結構計算分析.

1 多元語義模型參數化生成方法

1.1 方法整體架構

建筑模型的主要作用是展示建筑現狀，表達建筑的形制特征和殘損現狀；結構模型的作用則是進行結構安全定量分析計算.模型參數化生成方法整體架構如圖1所示.首先，根據現場測繪、調研、文獻等方式，獲取關鍵信息.其次，在Grasshopper中采用C#進行二次開發，建立四種類對象，擴充Grasshopper中電池塊的信息維度.然后，根據獲取信息與建立的類對象，分別對應生成幾何屬性、定位點、力學屬性等電池塊.根據構件的形制信息、材料信息并結合構件結構計算模型，建立模型構件信息庫.以建筑主要構件定位信息、建筑三維點云模型等數據，建立建筑模型，并同步生成初始結構模型.通過定義榫卯節點參數信息，并將其與模型位置對應，同時確定建筑的荷載約束條件，完整結構信息輸入環節.最后將模型信息通過數據流的形式進行輸出，編寫基于Python中mapdl包調用ANSYS軟件的算法，自動完成結構分析計算.