BIM建筑信息模型与古建木结构安装工艺教学

摘要：教师以七檩大式歇山建筑模型创建为例，按“原结构、原形制”建立古建木结构BIM建筑信息模型，开发教学资源库;学生通过虚拟仿真练习熟悉木结构搭建工艺流程，1：5木结构模型拆卸和安装实训掌握木结构安装工艺，从而具备指导木结构安装的岗位职业能力。

关键词：BIM技术;虚拟仿真;大木安装;工艺流程

古建工匠有句俗话，叫着“大木怕安”。这句话有两重意思，一是说，大木安装是对大木制作工作的检验。制作中的任何疏漏、错误、尺寸不准、质量不好等问题在大木安装中都会暴露出来。另一层意思是，大木安装本身也是一件很不容易的事。要将千百件大木构件有条不紊地安装起来，是有一套科学、严格的规律和程序的，如不掌握这套规律和程序，大木安装就无法进行。所以掌握搭建工艺流程，能够指导古建木结构安装施工，是《古建筑工程技术》专业学生必须具备的岗位职业能力。

在木结构搭建工艺学习中，因为文物保护施工现场管理的要求，教学整班无法同时进入施工现场，即使按照分组教学模式，同学们按小组进入施工现场，每个小组的学生也只能观摩工匠搭建木结构的部分工艺流程;再因为古建工程的施工周期和教学周期无法完全重合，学生基本上没有机会在工地进行木结构搭建施工。为了解决这个学生动手实操难的问题，学院投资建设木结构实训室，采用1：5实木模型进行搭建，实木模型展现了构件结构形制和材料形式，学生采用分组学习模式，按照“先内后外，先下后上”顺序安装，通过项目动手实训，掌握木结构搭建工艺流程。木结构模型搭建实训的方法非常有效，但是还有两个方面需要进行完善，一是丰富模型的类型，二是提高模型的使用寿命。木结构按比例缩小的模型，为了能够反复的拆卸和安装，模型的材质要求较高，在学院1998年建成的一期实训室中，采用松木结构模型，经过二十年来学生的实训，榫卯结构发生严重破坏，现在不通过其他辅助办法，小比例的木结构模型，仅仅通过榫卯结構已经不能实现结构整体的稳定性。在2016年学院新一期实训室的建设过程中，为了提高木结构模型使用的长期性，结构展示的准确性，采用草花梨木结构模型，在模型使用的四年以来，小型的四角亭，硬山、悬山等小式木结构模型，除不当操作造成的木构件损伤意外，目前观测结构的整体性没有出现问题，但是1：5的大式歇山模型，由于学生操作没有达到精准校核，出现了局部木结构构件的撕裂现象，模型整体出现了歪斜，在企业教师的吊直拨正后，通过绳子镖紧来保持木结构的整体性和稳定性。通过上面的实例说明，即使是改善了木结构的材质，木结构模型在反复拆卸与安装的教学使用中，不可避免地会出现损伤。能不能有一种计算机辅助方法，能够通过课前预习，在模型搭建实训之前掌握搭建工艺流程，使学生在模型实训过程中少出错误，实训过程不仅仅是关注模型拆卸和安装的过程，还有木结构搭建施工中容易出现的问题。木结构的搭建不是搭积木似的把构件组装完毕就完了，它还有更重要的步骤，下架装齐后，进行验核丈量，吊直拨正，牢固支戗，保证建筑结构的稳定性;上架构件顺序安装过程中，要中线相对、勤校勤量，确保安装的准确性。为了完成教学的两阶段任务，同时准确表达木结构结构形制和材料形式，笔者学习Revit软件，建立BIM建筑信息模型，进行课程教学资源建设。2020年新型冠状病毒的肆虐，教学和学习过程都转到了线上，木结构搭建工艺仿真模拟实训、BIM建筑信息模型教学资源库的建设更加紧迫。

住建部发文《《住房和城乡建设部工程质量安全监管司2020年工作要点》的通知》，明确指出：推动BIM技术在工程建设全过程的集成应用。建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM），自2002年开始，美国Autodesk公司推出Revit 系列软件，是主要针对建筑设计行业开发的三维参数化设计软件平台，Revit Architecture作为主要模块之一，适用于各行业的建筑设计，也适用于清式建筑构建概念化模型。

接下来笔者以“大式七檩歇山”为例阐述Revit 建筑信息模型的创建。清式古建筑设计采用模数化设计，所谓模数核心意义就是基本单位，大式建筑以“斗口”为单位，在坐斗“斗口”的基础上，建立每一个木构件、每一个模块，构建一座古建筑单体木构架。七檩硬山木构架模型，笔者在构建过程中分成四个模块，分别是：下架模块、上架模块、木基层模块，单翘单昂五踩斗栱模块（以下简称斗栱模块）。

在建立一个长效可靠的“原坐标”后，从斗栱模块下手，斗栱按照安装的位置不同，又分为平身科斗栱、柱头科斗栱、角科斗栱。平身科斗栱（见图1-1）构件有坐斗、正心瓜栱、正心万拱、单才瓜栱、单才万栱、厢栱、翘、昂后带菊花头、蚂蚱头后带六分头、撑头木后带麻叶头、檩碗、槽升、三才升、十八斗;涉及到的连接榫卯有鼻子榫、袖榫、十字卡腰榫、燕尾榫、檩碗;要表现的吉祥符号有昂头、麻叶云头、蚂蚱头、菊花头、包袱;要配合的构件有平板枋、外拽枋、正心枋、里拽枋、挑檐枋、井口枋、挑檐桁、正心桁;为了展现木构件的形制还采取了“卷杀做法”。建立桃尖梁、 昂后带蚂蚱头，修改其他组成构件后完成了柱头科斗栱（见图1-2）的构建。角科斗栱（见图1-3）最为复杂，增加平面45°斜向构件，分别有：斜翘、斜昂、由昂、斜蚂蚱头后带菊花头、斜撑头木、斜檩碗。木构件按位置不同分为檐面构件、山面构件、斜构件。在充分研究角科斗栱三类构件的基础上，掌握角科斗栱构造的原则，“斜压正、山压檐”（斜构件压山面构件、山面构件压檐面构件），掌握上述原则之后完成角科斗栱还需要关注每一个构造细节。

在大木构架中，柱头以下构件称为“下架”，柱头以上构件称为“上架”。下架模块包括的构件有檐柱、金柱、檐枋、箍头枋、随梁枋、穿插枋。柱子是大木结构的重要支撑构件，要考虑柱子的侧脚和掰升。建立檐柱模型，需要思考构件间的连接榫卯，柱脚与柱顶石连接用管脚榫、柱头与平板枋连接用馒头榫、柱身与穿插枋连接用大进小出榫。建立金柱模型还要考虑柱身与金枋、随梁枋连接用燕尾榫，柱身与桃尖梁连接用半榫。角柱要同来自不同方向的构件相交，柱上榫卯构造比正身柱子复杂一些。箍头枋是下架重要的横向连接构件，建立模型时要关注吉祥符号霸王拳的形制，还要处理好檐面、山面箍头枋与角檐柱的搭接。

上架模块构建主要关注五架梁、三架梁、踩步金、桁垫枋构件，斗栱连接的构件有挑檐枋、挑檐桁、正心枋、正心桁、里拽枋、外拽枋、井口枋，草花架有草架柱、穿、踏脚木，还有金瓜柱、柁墩、脊瓜柱、角背。正身桁搭接采用燕尾榫，正搭交桁采用十字卡腰榫，瓜柱与梁搭接采用管脚榫。踩步金是歇山建筑特有的构件，模型对应的正身梁架为五架梁，对应的两端桁檩为下金桁，踩步金的长按五架梁长加搭交檩头，高、厚与五架梁相同。

木基层模块构建要分析节点，小连檐和闸挡板搭接，脑椽、望板与扶脊木搭接，脑椽与花架椽压掌榫搭接，花架椽与檐椽墩掌榫搭接;要计算檐椽平出、飞椽平出与飞椽一头三尾;还要留下檐椽上小连檐“雀台”与飞椽上大连檐“雀台”。在建立老角梁和仔角梁时，由于“父背子”，所以老角梁在下，仔角梁在上。老角梁是歇山翼角构件，不在檐面也不在山面，构件在45°角位置并有高度升起，搭接構件有正搭交挑檐桁、正搭交正心桁、正搭交下金桁和踩步金、金瓜柱、小连檐，端头还要做成霸王拳形制，难度系数大。仔角梁在老角梁之上，搭接的构件有老角梁、大连檐、正搭交踩步金与下金桁。

在完成上述四个模块的构建之后，建立古建筑单体的台基，把准备好的构件模型，按木结构安装工艺流程进行装配，歇山建筑信息模型（见图2）就完成了。歇山木结构模型严格按照原结构（包括榫卯连接方式）、原形制构建，每一个构件单独建立一个模型，能够实现100%仿真拆卸与安装的工艺流程;可以实现课前知识预习，课中仿真练习、课后拓展的需要。歇山建筑的三维数字档案已经建立，可以随时输出构件以及各种组装图的二维和三维图形，来进行构件的权衡尺寸分析，在学习木构营造技艺同时掌握建筑的结构与形制。

不断构建完成四角亭、硬山、歇山、悬山、庑殿、垂花门等不同类型建筑信息化模型，开发PPT、微课、动画、视频、VR、AR等数字资源，建设适应线上线下木构教学资源库。中国古建筑如同一颗颗璀璨的明珠植根在大地上，记录、传承了建筑布局、形制等级、构造形式、结构类型色彩运用和营造特征，系统、全面学习古建筑基础知识，为深入学习、研究古建筑相关知识、技术奠定基础，才能做好古建筑营造技艺的保护与传承。

参考文献：

[1]马炳坚《中国古建筑木作营造技术》科学出版社，2003.10

[2]汤崇平《中国传统建筑木作知识入门》化学工艺出版社，2018.01

[3]潘德华《斗拱》东南大学出版社，2004.10

[4]中国古代早期木结构建筑信息模型BIM建构的实践分析，朱磊，2012.6

作者简介：

王红梅（1975-11.13），女，民族，汉籍贯，湖南省汉寿县，职称，副教授，学历，本科，工作单位，北京交通运输职业学院，研究方向：传统建筑保护。