历史建筑保护的BIM技术运用——以武汉大学华中水工试验所为例

童乔慧

杨 飞

刘天卉

随着科技的发展，历史遗产保护的研究重点从传统的修缮维护等技术研究扩展到建筑全生命周期的信息记录、运营管理中来，而现阶段我国建筑修缮的常规做法多为人工测量、利用平立剖等二维图形记录相关信息，但由于历史建筑存在形态繁复多样、构造做法独特，内部病害不易发现等因素，导致修缮工作出现制图难度大、设计变更多、施工耗时长、成本造价高等特点[1]，且传统的二维图形表达难以呈现全面的建筑信息，故急需引入新的技术手段对各种数据信息加以整合，对历史遗产的保护起到优化作用。

图1 武汉大学早期建筑分布图

图2 华中水工试验所总平面图

BIM技术是指将建筑工程项目的二维平面图纸转化为由材质数据、物理特性和几何数据的三维模型，形成综合数据库的技术[2]，具有数据记录更加全面，图纸展示更加准确，操作步骤更加便捷等特点。BIM技术在武汉市大型工程项目中得到了积极的运用[3]，但在历史建筑保护勘察设计中运用的较少。武汉大学早期建筑是第五批全国重点文物保护单位，具有重要的历史文化价值。2011年起武汉大学开始系统性地对早期建筑进行修缮，本文以武大早期建筑为例，探索BIM技术在历史建筑保护中的应用，为武大早期建筑的修缮提供建议。

图3 华中水工试验所方案设计图

图4 华中水工试验所现状图

1 武汉大学早期建筑简介

武汉大学早期建筑是中国近代建筑史上的一颗璀璨明珠。校园选址由以李四光与叶雅各①为代表的建筑设备委员会负责决议，校址北临东湖水，南据珞珈山，层峦叠翠，风景优美，校园建筑设计与结构设计由美国建筑师开尔斯②（F.H.Kales）、莱文斯比尔③（A.Levenspiel）与萨克瑟④（R.Sachse）负责。整个建筑群尊崇“轴线对称、主从有序、中央殿堂，四隅崇楼”的设计理念，将中式建筑的古朴与西式营造的技术完美融合，创造出新的建筑风格。而建筑建造由汉协盛⑤、袁瑞泰、上海六合与永茂隆等营造厂负责，采用了钢筋混凝土框架结构、钢桁架结构与三铰拱钢架结构等多种新型技术，为西式结构、营造技术在近代中国的发展奠定基础。

武汉大学早期建筑共15处26栋，分两期完成（图1）。第一期从1930年3月始至1932年1月完工，耗资150万银元，修建的建筑包括：文学院、理学院主楼、男生寄宿舍、学生饭厅与一期教授住宅。二期工程从1932年2月开始至1937年7月完成，耗资400万银元，建筑包括：图书馆、体育馆、法学院、理学院扩建、水工试验所、女生宿舍等[4]。二期工程中已通水电，其营造技术、物料管理、有效工时等较一期工程均有明显提升[5]。

2 华中水工试验所概况

华中水工试验所（后简称“水工所”）是武汉大学早期建筑中的典型代表，据《华北水利月刊》⑥与《国立武汉大学周刊》记载， 1922年湖北、江西、安徽与江苏四省水患频发，为治理水患，建设水利设施，培养后备人才，国民政府与武汉大学共建华中水工试验所[6]。1938年10月武汉沦陷，水工所成为日军马厩，直至1945年抗战胜利后才逐渐被修葺，划为水利学院实验室，改革开放后水工所被改造为武汉大学档案馆。

水工所位于文理学部梅园二路上，北面为城市设计学院教学楼，南面为半山庐与研究生院，西侧为湖北省高校后勤管理研究会，东侧为人文路与环山南路交叉口（图2）。

整体建筑由凯尔斯负责建筑设计，莱文斯比尔负责结构设计，上海六合公司负责建筑营造。建筑面积达2197m2，采取钢筋混凝土框架结构与钢桁架结构，平面通进深达21.80m,通开间为113.20m。平面为二层：一层为水利试验场；二层为设备间，总造价为9.89万银元。建筑造型模仿宋式木构建筑，由下至上依次为台基层、屋身层、铺作⑦层与屋面层（图3）。

其中台基层被简化为砖砌墙裙，仿照的宋式砖砌须弥座中仰莲⑧、束腰与合莲砖等被简化为弧形线脚，涩平、奄涩、壶门砖⑨等被简化为方形线脚，去掉繁冗的装饰后，建筑显得沉稳大气。屋身层设双檐柱，柱间为大方窗，转角为16个小方窗，虚实对比强烈，檐柱上焊接绰幕枋⑩与普拍枋⑪以承托铺作。铺作层则均为单下昂补间四铺作，且置于屋身中段，而屋身转角处为简化的云纹与椽头装饰，造型丰富。屋面层为重檐歇山顶，盖孔雀蓝琉璃瓦，重檐之间将铺作取消而换为一列小方窗，以加强室内采光。屋角、屋脊均有起翘，显得灵动飞扬，正脊⑫、垂脊⑬与戗脊⑭上均饰有走兽与云纹，形态逼真，变化多彩（图4）。

图5 华中水工试验所BIM砖墙砌筑图

图6 栌斗BIM建模流程图

图7 泥道 BIM建模流程图

图9 昂BIM建模流程图

图10 补间铺作BIM模型效果图

3 华中水工试验所BIM模型建构

BIM技术应用于历史遗产保护方向的原理是：在测绘阶段通过三维激光扫描得到详细完整的建筑原始尺寸，利用BIM技术进行三维逆建模，可以得到建筑修缮前后精准的信息模型[7]，为方案决策提供科学依据，后期则利用VR与AR技术的结合，实现历史建筑的全方位展示[8]。

2018年，童乔慧、董维敏等首次以BIM技术建立了武汉大学老斋舍数字信息模型，为武汉大学早期历史建筑的修缮、维护与全生命周期的管理提供了技术支撑[9]。在此研究的基础上，本研究以水工所为对象，进一步探索BIM技术对历史建筑保护领域的应用。

3.1 BIM模型族规划

在以往的研究中，利用BIM技术对中国古代木构建筑的构造做法、结构分析、模数化等的研究成果丰硕，但应用于中国近代建筑的研究较少。以武汉大学早期建筑为例，建筑结构为砖混、钢筋混凝土框架等现代结构，而柱、斗 、枋、檩等构件却仿宋式形式，并加以简化，这就导致了难以再用“以材为祖”⑮等中国古代模数制体系进行推算与记录[10]。但中国近代建筑的特点正是中式建筑形式与西式营造技术相结合，而BIM软件的建模逻辑正是以模拟实际建造过程为基础，为体现建筑保护的原真性，发挥BIM技术优势，本次探究则从中国近代建筑营造技术角度出发，利用Autodesk Revit中的族、体量等工具建造基础、主体、围护、屋架等结构与细部装饰（表1），并在基准定位图元中加以合模，完成水工所的BIM模型。

囿于篇幅限制，本研究以围护结构中的墙体、屋架结构中的斗 为例来展现BIM技术的建模思路及族模板的制作。

3.2 围护结构

武汉大学早期建筑的围护结构可以分为砖墙围护与石墙围护两种形式，其中砖墙围护是最为常见，采用最多的形式[11]。通过实测可知水工所的墙体为砖墙，墙厚385mm,采取英式砌筑法（一丁一顺形），且砖墙不起承重作用，仅起围护作用。通过凯尔斯绘制的墙身大样图可知墙体下端深入地面300mm，地坪至窗台段砖墙高度为1950mm，窗上为钢筋混凝土现浇圈梁，圈梁上为200mm厚砖墙与方形小窗。其中砖为240mm×115mm×55mm窑烧青砖，墙面为水泥砂浆抹面，局部为水泥赶光抹面，灰缝为10mm水泥砂浆嵌缝⑯。水泥砂浆配比为水泥一份，黄砂三至四份，加水混合搅拌制成[12]。

表1 华中水工试验所BIM模型族规划信息表

表2 水工所墙体线脚BIM模型一览表 （单位：mm）

表3 华中水工试验所BIM局部墙体构件信息明细表（单位：mm）

由于Autodesk Revit自带的砖墙系统只记录了墙体的几何信息与材料信息，例如在建筑立面上，仅利用贴图对材质进行示意表达，而记录着历史信息的使用痕迹、建筑病害等却无法表示，导致难以实现对历史建筑的数字化表达与完整的信息录入。

故为还原历史建筑的本来面貌，对墙体的参数化实践应是基于墙的实际砌筑过程，即利用BIM技术模拟砖墙的砌筑过程、施工工艺，记录材料的种类、尺寸、对位关系、耗材量与对应工人的相关信息等。在进行模型构建时，利用“族”文件中的“公制常规模型”建立砖与相应灰缝的模型，然后利用实际砌筑方法进行单个砖块与灰缝的堆叠合模，在门窗洞口、砖墙与构造柱的交接口、砖墙转角处等地方以实现建造前的预模拟。

具体来讲就是先建立一块115mm×240mm×55mm的青砖模型，在一块顺砖、两块丁砖之间建立10mm的抹灰模型，共同组成一个墙厚为385mm单元体，并在两个墙体单元之间再建立一层抹灰模型以砌筑完整的墙体（图5）。

水工所砖墙外饰有各异的纹饰，包括线脚与装饰纹路，均由水泥现浇完成。若全部采用公制常规族模型或内建体量制作则会导致数据量过于庞大，出现模型卡顿，统计数据困难等现象。故根据特点将其进行分类，墙体线脚部分采用“层叠墙”命令（表2），而其他的纹饰（云纹、鸱尾⑰、悬鱼⑱等）则利用内建体量来进行建模，利于模型信息的录入。

通过对两根柱子之间的砖墙段的模拟建造，可以精确地得到砖与水泥砂浆的用量，对施工工艺、工人信息、工时长短等进行有效记录，进而对成本管控、施工管控等方面加以优化。

3.3 屋架结构

（1）斗

斗 是中国古代木构建筑中最具特色的构件，它起源于周代，发展于汉代，完善于唐代，成熟于宋代，简化于元代，又在明清变得繁冗。而武汉大学早期建筑的斗 造型是以宋代斗 为蓝本，并被取消了承重与身份象征作用，简化为纯粹的装饰构件，并改木材质卯接为混凝土现浇或预埋件焊接而成。根据当时的营造技术显示，对斗 的施工过程主要包括：

①前期准备：依照施工的难易程度对宋代斗 进行简化，并确定其细部尺寸。

②支模浇筑：将简化完成的斗 部件制作相应的模板并采取混凝土现浇，在其中留下预埋件，待结构强度达到1.2MPA时方可拆除模板。

③预制安装：由于混凝土强度比木材大，不适合再采取榫卯结构，故在安装各构件时采用焊接技术，将各个部件焊在一起。焊接时现在四周进行点焊，再在两边进行对焊以保证接缝不出错。

④安装构件：由于构件较多较繁，所以在进行安装时首先要设置控制线，再安装企口卡住构件并核对尺寸直至无误为止[13]。

水工所的斗 为仿宋式单下昂补间四铺作⑲，本研究以实际营造工艺为建模逻辑，以各构件比例关系为驱动参数，以公制常规模型为模板，实现斗 族的BIM模型建构。

（2）栌斗

栌斗是斗 中承托 、昂的方形木块，因状如旧时量米的斗而闻名[14]，由上至下可以分成斗耳⑳、斗平与斗欹㉑。其中斗与升在斗耳、斗平与斗欹的高度比为4:2:4，斗欹分为直线与内䫜㉒两种类型[15]。水工所的坐斗为方形，斗欹为内䫜。故实现栌斗建模的关键在于：①斗耳、斗平与斗欹的高度比。②安装泥道 的企口宽度与内䫜的曲线弧度。

确定这两者可以从形态上控制栌斗的准确比例，又可以从营造上保证栌斗与泥道 的精准安装。故据此整理出栌斗BIM建模的思路为：创建拉伸—空心放样—空心拉伸，以此来对应构件比例与内䫜曲线的建立（图6）。完成此项建模后以此储存为栌斗族模板，将斗平的宽度与斗欹的刻口大小作为变量因素，并在此基础上以十八斗、交互斗、平盘斗与斗耳为代表的斗 均可以此来进行驱动建模。

（3）泥道㉓

基于《营造法式》的记载，传统的泥道 制作应该由一整块木料经过凿、削、刻等步骤进行加工[16]，但在进行水工所泥道 的营造时，需要进行精细的模板制作，故在进行BIM建模时应该保证族模板的准确。基于此特点总结出建模的驱动参数在于：①确定四分瓣的长度与高度；②正心开口的宽度与高度。

以此对应能够卡入下方栌斗与上方散斗。由于每个材 的份值不同，故泥道 上方的暗 若采取单独的族建模，再进行嵌套则更有利于形成系统的泥道 模板。综上所述，建立泥道 BIM模型的思路为：创建拉伸—空心拉伸—创建拉伸，依次来创建 身、正心开口、四分瓣与 眼等构件（图7）。

（4）插昂㉔连华㉕

插昂连华 主要包括昂与华 两个部分，营造技术为两者通过昂栓与企口连接，但是在实际营造中，两者通过昂尾与华 的预埋件焊接而成。为了让营造顺序与建模逻辑相一致，采取的主要驱动参数为昂首斜线与端部弧线，以此来控制昂的造型。而由于华 是属于出跳的 ，在营造技术、构件形制上差别不大，只需改变主驱动参数并通过对之前建立的泥道 族模板进行更改即可。

所以在进行插昂连华 BIM建模的关键在于确定昂的形态、昂栓（预埋件）的位置以及正心开口的宽度。同样也是经过“创建拉伸”与“空心拉伸”来确定其精准的形态（图8～9）。

（5）铺作拼合

将栌斗、泥道 、华 与昂通过连接件焊接而成，由于构件体量较小，故实际建造中可以通过肉眼观测进行焊接，但是在进行BIM模型建立时需要对各个图元进行定位才能得出准确的模型构件（图10）。

（6）枋㉖、㉗、椽

枋在宋代木构建筑中可以分为阑额㉘、普拍枋与绰幕枋等，主要起承托斗 、屋架与拉结柱网的结构作用[17]。 与椽也均起到承托望板㉙的作用。但在水工所中，这些构件均被简化，只保留其大致形态作为装饰之用。而在实际营造中，这些构件均由混凝土现浇或石膏预制，最后焊接预埋件而成。

这些构件的关键参数在于标高定位与形态把控，若采用“公制常规模型”建立族文件，则需重新定位标高，故在Revit建模中采用“内建体量”最为便捷。以建檐椽为例，建模的思路宜先创建剖面与设置定位线以保证檐椽的位置准确，其次采用“内建体量”勾勒出构件轮廓，并拉伸出厚度，最后在立面上阵列檐椽至相应数量并完成建模。

4 华中水工所BIM技术应用

建筑遗产的数字化指建筑遗产可以被转译为数字信息，并被保护[18]。搭建历史建筑信息化数据平台可以实现多方资源的整合，例如前期测绘的尺寸数据、图像信息、病害信息、施工信息等的录入，中期修缮方案的各专业扩初设计、施工图设计以及可视化展示等，后期运营管理的使用后评价与政府部门的政策制定与职权监督。在现行的历史建筑修缮施工与监理过程中，存在设计方与施工方沟通不畅、施工管理不严、备料与造价体系混乱等现象，易造成工期拖沓，造价提高等问题[19]。

基于BIM技术的施工管理在工程概预算与工人数据管理方面较传统方式有较大革新。以砖石、钢筋混凝土备料为例，钢筋与砂石骨料以宁多不少的形式进行储备，但具体用量仍掌握在工人手中，导致项目用料总数模糊，成本预算难度增大。但是利用BIM技术可以精确地统计砖石、钢筋、水泥的用量，并可以统计设计用量、实际用量与荒废用量，从而实现精准合理的概预算（表3）。

在工人信息管理方面，传统的工人数据管理多指施工工人的信息记录，如姓名、年龄、工龄、工时、工种以及施工日志等内容，通过责任到人，工时报备来缩短工期，提高效率。但当出现设计变更或施工问题时，施工方、驻场工程师与设计师的意见需要通过协调来达成统一，而协调过程中往往出现停工现象，导致施工成本增加，拖延竣工时间。若采取BIM技术将建结水暖电的设计师与施工人员的信息进行全链接与记录，实现点对点联系，并通过协同平台进行同步演示，可快速完成技术交底、开工预演、结果展示等过程，通过可视化界面示来充分表达各方意见，加快施工协调过程，减少停工次数，节省施工成本。

结语

本文通过文献研究、计算机模拟、对比与归纳的方法对水工所BIM模型建构进行了研究，分析了传统软件建模与BIM建模的利弊，提出以水工所为代表的武大早期建筑BIM建模的宗旨与建模方法为：构件族规划—构件定位—构件合模—参数赋值—数据链接。根据建模中存在的难点（自带族文件不适、定位图元复杂、贴图表达不适、装饰构建形态复杂等）提出解决方案与参数化设计思路，建立了完整的水工所BIM模型。并据此BIM模型，在建筑施工管理方面进行了BIM技术应用，为水工所的保护与修缮提供技术支撑。

资料来源：

图3：武汉大学档案馆馆藏档案；文中其余图表均为作者自绘。

注释

① 叶雅各，1894-1967，广东番禺人，耶鲁大学森林学硕士。1928年任“国立武汉大学新校舍建设委员会”委员兼秘书长，在校园中亲自进行造林设计，采取“自采种、自育苗、自栽植与自保护”的办法进行苗木植栽。

② 开尔斯（F.H.Kales），1882-1957,1916年到中国从事工程技术工作。20世纪20-30年代参加过中国许多大型工程的建设。1928年任武汉大学新校舍的总建筑师。

③ 莱文斯比尔（A.Levenspiel），？-1984，美籍工程师，毕业于美国麻省理工学院，参与过部分武汉大学早期建筑的结构设计。

④ 萨克瑟（Richard Sachse）,1884-1966,德籍工程师，是武汉大学新校舍的副总建筑师。

⑤ 汉协盛，创建于清光绪三十四年（1908年），厂址设在汉口六合路。厂主为沈祝三。汉协盛是近代武汉众多营造厂中最具名望的一家，营造的工程包括平和打包厂、交通银行、景明大楼、武汉大学早期建筑等。

⑥ 参见1935年10月《华北水利月刊》：水利新闻--鄂省府鉴于本省汉江泛滥，多受其害，治水患为建设上最要事务...派杨思廉、李林森等为建筑委员会，会同武汉大学，勘定珞珈山，建水工试验所。

⑦ 铺作，狭义指斗 ；广义指斗 所在的结构层。唐宋建筑斗 所在的铺作结构层对木构架的稳定性起着重要作用。

⑧ 仰莲，又称仰莲砖，宋式砖砌须弥座的结构，位于束腰的上一层，其上雕刻莲花图案。

⑨ 壶门，又称柱子砖，宋式砖砌须弥座的结构，采用砍磨加工的青砖构成，雕刻壶门与柱子花纹。

⑩ 绰幕枋，宋式木构构件，位于大檐额下串联角柱与檐柱的枋料，出头做成蝉肚形，后演变为明清的雀替形式。

⑪ 普拍枋，宋式木构构件，位于阑额与柱顶上四周交圈的一种木构件，拉结木构架，又同阑额一道承接补间铺作。

⑫ 正脊，古建筑瓦作屋顶部位，位于屋顶最高处，与屋面平行，为前后两坡相交的脊饰，常用砖、瓦等材料覆盖。

⑬ 垂脊，古建筑瓦作屋顶部位，表示为垂直于正脊的屋脊。在结构上具有防止雨水渗入梁架的功能，在形态上具有强化屋顶轮廓的装饰功能。

⑭ 戗脊，古建筑瓦作屋顶部位，为歇山顶的屋脊形式。高度低于垂脊，并与它45°相交。其上饰有仙人走兽等戗兽，装饰性强。

⑮ 以材为祖，宋《营造法式》中的模数制规定，将“材”作为造屋尺度的标准，将木构建筑用料尺寸分为八等，按照屋宇大小、结构主次等进行划分，将所有构件的尺寸都用“材”进行统一，方便设计施工。

⑯ 嵌缝，清水砖墙的灰缝通常要做嵌缝处理，其方法是先用泥刀将灰缝挖进月5mm,用清水刷净，后将有抗水能力的灰浆嵌入。

⑰ 鸱尾，汉至宋宫殿屋顶两端的饰物，形似鱼尾，寓意抵御火灾，故以此作为脊饰。

⑱ 悬鱼，屋脊下端的鱼形装饰物，寓意屋主品性清正廉洁。

⑲ 四铺作，宋代斗 出一跳为四铺作。从上至下，依次有栌斗、华 （插昂）、耍头、衬方头，共四层，故称四铺作。

⑳ 斗耳，斗上面突出的部分，用以卡住 ，形式桌腿，宋时斗耳的高度为斗高的五分之二。

㉑ 斗欹，宋式木构构件，为栌斗的做成部分，指斗腰下倾斜的部分。

㉒ 内䫜，斗欹的一种形式，通常为弧线。

㉓ 泥道 ，宋式木构构件，是正心位置的第一道横 。由于 眼壁常用土坯封闭，表面采用灰泥抹平，故称泥道 ，清代称为正心 。

㉔ 昂，斗 中在中心线上前后伸出，前端下斜带尖的木材部件称为昂，《营造法式》称为下昂，其功能与翘相同，形式不同。

㉕ 华 ，宋式斗 上向外出跳的 。

㉖ 枋，在柱子之间起联系和稳定作用的水平向的穿插构件，它往往是随着梁或檩而设置。

㉗ ：放置在枋的上面。架于梁头与梁头之间或柱头斗拱与柱头斗 之间的横木，清代称檩。

㉘ 阑额，联络檐柱（或副阶柱），上承补间铺作的枋料，清代称为额枋。

㉙ 望板，宋式大木作构件之一，指铺在椽子上的一层模板。望板上做苫背，通过不设天花的梁架，人们可以举目望见，故称为望板。