基于BIM 技术的古建筑模型构建——以兰州市至公堂为例

山 岚 马力鹤 张宁锋

（甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州730070）

BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling）的简称。近年来，随着BIM技术的不断发展与应用，以及我国对古建筑保护工作的不断重视，古建筑保护领域也逐步应用到BIM技术，该项技术在古建筑数字化保护方面具有一定的优势。“BIM+古建筑数字化保护”其基础是在获得古建筑相关数据资料的基础上对古建进行三维建模。至公堂作为兰州历史文化中一个重要的发展节点，代表着甘肃科举制度一个跨越性的阶段。本研究以甘肃省兰州市至公堂古建筑为例，通过BIM技术对该清代古建筑建立真实尺寸的三维模型，可为类似的古建筑数字化技术保护工作提供参考与借鉴。

1 BIM 技术的优势

BIM 技术的特点在于“所建即所得”，在古建筑数字化保护工作中的优势逐渐显现。依托BIM技术实施建模，能够快速建立包含古建筑几何信息及非几何信息的三维模型，能够提高古建筑保护与研究的信息化程度，后期可对模型进行属性信息的添加，成果具有一定的扩展性与后期利用性，在一定程度上能够代替传统测绘图纸作为古建筑设计建造资料进行存档，建立历史文物建筑的科技技术信息资料库，支持对历史古建筑物的恢复建成和历史意义的传承，在古建筑保护工作中具有一定的创新性[1]。

2 BIM 技术建模具体实施

2.1 建模流程

中国古建筑以木结构体系为主体，历经了漫长的发展历史。按照等级规格的不同，古建筑在建筑形式、构造方式、建筑材料、工艺技术以及构造法式等方面作出了统一的规定，形成较为统一的风格[3-4]。至公堂建筑制式为十三檩五脊悬山顶，面阔七间21.7 米，进深12 米，青砖砌五花山墙，琉璃筒瓦屋面，而台基、木构架和屋顶是古建筑基本的组成部分。该明清古建筑建造时的一般施工顺序为：台基——立柱——梁架——屋顶——墙体——彩绘，对于至公堂古建筑利用BIM技术建模的流程也由此顺序进行。构件各部分尺寸信息和结构信息通过前期调研、数据资料的获取得到，将所得二维图纸导入Revit 软件即可创建古建筑三维模型。

2.2 具体实施

根据建模时台基、立柱、梁架、屋顶、墙体等先后顺序，以下选取立柱、梁架两大类主体的模型创建进行说明。

2.2.1 立柱的三维模型创建

柱的功能是承载上部梁架的重量，它在中国古代建筑中占有十分重要的位置。三维建模的基本步骤为：创建柱身，以柱底圆心为坐标原点，确定基线方向，输入柱身底圆直径、顶圆直径，存储立柱构件的名称及尺寸信息，点击确定按钮即可生成柱的三维模型。根据至公堂的立柱总数及间距，对所有立柱进行复制构建生成立柱模型，结果如图1 所示。

图1 立柱的三维模型

2.2.2 梁架的三维模型创建

梁的功能是承载其上构件的荷载并将之转载给前后两柱，是古代建筑结构中的重要构件之一。至公堂古建筑的梁架创建为长方体，梁架创建基本步骤为：a.在进行好原点设置、基线方向设置后，输入长宽高尺寸，创建初始长方体；b.创建梁的“抬头”，计算各点坐标，进行布尔运算，创建出架梁的“抬头”；c.创建檩椀，按照尺寸进行实体圆柱构建后做布尔运算得到檩椀，并通过镜像得到架梁；d. 根据同样的方法，创建其他的梁架类构件；e.进行梁架三维模型的组装。部分组装后模型如图2 所示。

依据同样的建模原理，系统地分项建族，分别生成该古建筑的台基、屋顶、墙体、雕花等三维模型。

2.3 建模成果

建模族库构件包含屋顶梁架、台基、墙体、立柱、屋顶、雕花等。分族建模完成后的成果如图3 所示。

图2 至公堂立柱、屋顶梁架组装三维模型

图3 至公堂古建筑分族建模各部分成果图

在完成以上部件模型的基础上，通过赋予建筑颜色、材质、强度等非几何信息，以三维模型为载体实现古建各部分三维模型的拼接，并进行环境的渲染，得到最终至公堂古建筑三维建模后的成果图，如图4 所示。

图4 至公堂古建筑三维建模最终效果图

图5 设置不同标高解决模型构建问题

3 技术问题及解决

在利用Revit 软件实施建模的过程中，遇到以下问题，并逐一进行解决：

第一，建模逻辑问题。对于钢筋混凝土等现代建筑，其建模过程相对来说比较自由。而古建筑存在很多的构件，所以在建模的过程中，应该更加注重建模的逻辑性。通过了解古建筑的建造过程，将这一个过程运用到Revit 的建模，这样建模过程就符合相应的逻辑顺序，能提高对古建筑的建模效率。

第二，传统的梁架体系如何建模的问题。古建筑中的结构体系是梁架结构，力通过梁、檩传递给立柱，再传给台基。但是古建筑梁架结构复杂，至公堂建筑形式是十六檩四步廊，梁、檩相互交错且数量很多，建模较为复杂。为解决这一问题，三维建模过程中通过设置不同的标高，将梁、檩层层叠放上去，形成梁架的整体结构体系，便可解决建模中遇到的这一技术问题。如图5所示。

第三，异形模型建模与搭建问题。在整个建模过程中，斗拱、雕花、脊兽等这些小构件，直接用Revit 建模难度较大，所以变换思路通过草图大师（Skechup）和犀牛（rhino6）软件辅助建立了雕花等异形模型，然后通过Revit 中的体量和场地命令，内建体量命令，将异形模型导入Revit，进而完成整个模型的搭建。

4 总结与展望

本次研究将BIM技术与古建筑保护工作相结合，以至公堂古建筑为对象，利用Revit 建模软件建立包含该古建筑几何信息的三维模型，虽然实现了至公堂古建筑三维建模的建立，但是在更完善地记录该古建筑的真实尺寸，并赋予该古建属性信息（如建筑材料、构造方式、工艺技术、历史文化等）技术方面仍显欠缺。对古建筑三维建模构建后，进行历史文物信息资料库的建立，继续将BIM技术与现代化电子信息技术手段相融合，探究开展古建筑数字化保护和传承研究的数据平台，创新文保工作者对历史古建筑的维护与管理工作，将作为本课题继续研究的方向。