BIM技术在我国传统建筑保护利用中的应用进展与展望

史 斌 | Shi Bin

刘弘涛 | Liu Hongtao

自20世纪70年代，美国查克·伊士曼（Chuck Eastman）教授提出Building Information Modeling（BIM）设想[1]，建筑信息模型在城市设计、结构、市政、建筑等领域迅速扩展并不断丰富。目前，国外BIM的应用开始趋向产业化发展，并逐步规范化、标准化[2]。BIM与其他技术的集成应用也成为重要探索方向，应用以设计和施工阶段为主[3]。但在已有建筑的管理利用中，BIM参与相对较少，主要限制因素是BIM成本效益分析、解构功能还相对缺乏[4]。

“信息”与“物质”的有效链接，让设计变得“立体”和“高效”。截止目前，我国在建筑信息模型领域已颁发1项统一标准、1项执行标准、1项基础标准，即《建筑信息模型应用统一标准》GB/T 51212—2016[5]、《筑信息模型施工应用标准》GB/T 51235—2017[6]、《建筑信息模型分类和编码标准》G B T 51269—2017[7]。BIM技术逐步应用于历史建筑的基础调查、测绘、模拟分析、改造方案设计等方面，为历史建筑的数据存储、展示预览、管理分析等提供了应用的便捷与高效。

1 传统建筑保护利用中BIM技术应用的特点

传统建筑的价值决定了建筑历史信息保存的必要性及特殊性。BIM技术在传统建筑保护利用过程中呈现协同性、信息阶段化的特点。

1.1 协同性

传统建筑的保护利用策略与方法主要根据传统建筑的特点及依存环境展开。在通常情况下，传统建筑的设计图纸及基础资料是不完善甚至是缺失的，或者存在建筑形变或局部破坏。因此，实地测绘调查成为信息模型建立的必须环节，获取有效、详细的建筑信息成为BIM技术应用的前置条件。建筑信息采集的方式主要有常规人工测量+二维CAD、无人机成像、三维扫描、摄影测量等方式，其中三维激光扫描与BIM的集成运用成为当前研究与实践的热点。

1.2 信息阶段化

传统建筑所承载的信息是不同时期信息的叠加，存在明显的时间阶段划分。建筑信息模型必然要呈现时间的痕迹，BIM全生命周期管理的概念，与传统建筑信息回溯并持续延续的需求具有内在一致性。传统建筑的信息模型需要通过划分历史阶段，对应各阶段的历史信息，完成传统建筑过往生命发展轨迹的重现，并结合管理需求延续生命。与新建建筑设计、施工管理及后期运营管理的生命周期相比，传统建筑信息模型存在时间逆向性、信息属性阶段化的差异。

2 传统建筑保护利用中的BIM应用方法及技术手段

在我国传统建筑BIM技术应用研究现状的基础上，结合刘奇志等人的研究成果[8]，认为传统建筑信息模型的应用方法主要有：以三维数字技术为基础的建筑信息模型、构建整体建筑信息模型、构建局部建筑构件的信息模型以及基于 BIM 的建筑信息管理与分析（图1）。

图1 传统建筑信息模型技术应用框架

2.1 以三维数字技术为基础的建筑信息模型

三维扫描技术与BIM技术的链接应用，丰富了传统建筑信息采集的方式与手段，传统建筑潜在的外观特色、特征信息以及表征变化等内容被进一步准确测量与展现，信息得到较大程度的传递。石越等人以黄海化学工业研究社的信息采集为例，单独扫描建筑多个位置，并将它们一起拼接，生成整体的高精度三维点云，将完整点云文件链接到 Auto Revit平台，实现点云信息与建筑信息模型从三维空间信息到三维形体的衔接[9]。李舒静提出建筑信息采集的“结构—类型”法。运用类型学方法、借助“族”构建思想，以构部件为单位对建筑单体展开三维调查，据此绘制“空间—结构树状图”和“构件类型树状图”，并以前者为框架绘制草图[10]。石力文等人以某仿古亭子为例介绍了基于点云数据的BIM模型建立过程，主要包括点云数据的链接、“族”模型的建立、符号图元的注释、完整模型的建立以及属性信息的添加等环节[11]。

在传统建筑基础信息搜集处理方法方面，三维信息处理与模拟软件的链接成为重要探索方向。BIM软件工具的使用在一定程度上改变了原来测绘调查的方式，开始在数据链接方式、图形图像转译、数据标准化等方面进行研究，并在实践应用、数据对应组织等方面取得一定成果，对实践应用具有促进作用。但较多成果仍然局限于个例软件工具的处理与操作方式，没有形成统一的模式或方法，甚至对同一类型的传统建筑也难以统一标准。因此，传统建筑三维调查与信息模型链接的标准化应成为研究的重点，包括三维点云数据的精度及应用范围、点云数据与BIM软件的自动化或半自动化链接的技术方法、基于IFC标准的转换应用等内容。

2.2 构建整体（局部）建筑（构件）信息模型

（1）历史建筑信息模型理论研究

在传统建筑信息模型构建方面，M.Murphy和 E.Mc Govern提出了历史建筑信息模型（Historic Building Information Modeling，简称 HBIM），指出HBIM过程是从使用激光扫描仪和摄影技术远程收集测量数据开始，然后使用一系列软件程序组合图像和扫描数据，从图像数据中进行纹理化，并创建三维模型[12]。此后，HBIM成为传统建筑信息模型研究、数字化技术方法探索的重要支撑[13-14]。当前，几何模型精度分析、丰富构件属性表达是HBIM国际研究热点问题[15-16]。HBIM的内涵也被不断丰富，包括传统建筑的分析调查、历史演变、诊断、文化背景及保护干预[17]（图2），用以阐明历史建筑所包含的所有信息。HBIM也被应用于传统建筑的预防性保护[18]、风险管理[19]等方面，并发展了辅助诊断HBIM性能的评估工具（DA-HBIMM）[20]。国内学者荆松锋将HBIM作为建筑遗产记录建档的技术依据[21]，HBIM的概念在国内传统建筑信息化方面逐步开始应用。

图2 HBIM的维度

（2）传统建筑信息模型建构的技术方法

杜欣认为传统建筑信息模型的建立主要分为两个部分，即理想模型和阶段化模型。理想模型是指在 BIM模型建立时以建筑的现有状态和可推测的原始设计意图为依据，对测绘信息进行人为调整而建立的初期模型。理想模型可以作为一个原始基准，任何信息都可在后期添加于其上。阶段化模型是在先前建立的理想模型的基础上以特定的历史时间点对模型信息进行划分，使信息模型能够展示建筑在不同时间段上的样貌[22]。石越等人也认为信息模型建立的初始阶段是建立“理想模型”，历史信息是可以逐步添加的[23]。

在整体信息模型建构方面，谭洁将古建筑的设计和建造规律整理成计算机熟悉的规则，即用一系列的关系式，包括逻辑关系式和几何关系式等来表示古建筑的营造法式。最后以清代官式建筑大木作为例，搭建古建筑的参数化总体思路与框架，并对细节与具体操作方法进行实践[24]。关于古建筑信息模型，孙伟超从模型图元、注释符号图元、视图图元与数据库建立四个方面做了模型构建的整体过程，并重点介绍了信息模型的主体——模型图元，分类展示了模型图元中各个建筑构件族的参数化、简述了各个构件族在参数化过程中的难点和不足[25]。韩婷婷将构件信息分为刚性码段、柔性码段及流水码段三段式，进行古建筑构件标准化信息的编码，完成了构件库中构件实体的信息化表达，从根本上解决了“信息孤岛”现象，确保了数据信息在古建筑保护工作中流通语义的一致性[26]26。研究学者认为我国传统建筑存在的模数形制，为BIM软件的参数约束、“族”构件建立提供了可能[27]。当前研究内容主要关注传统建筑构件与BIM“族”的对应关系及组织方式。在传统建筑信息分类标准化方面，西安建筑科技大学王茹教授团队对明清古建筑参数化、构建编码分类、构建库建设等方面取得一定成果。但面对不同历史时期、不同类型的传统建筑，显然传统建筑的特征、样式的参数化及信息标准的统一，仍需要大量的实践及研究工作，尤其在建筑整体梁柱参数约束、立面门窗及屋顶形制仍是探索的重点。

在建筑局部构件研究方面，石若明等人以府学胡同36号院为典型样例，重点研究了利用点云逆向建立传统木结构构件“族”模型[28]。狄雅静等人以茶胶寺南外门主体模型的建构为例，系统地提出了为石头建筑的构件分族、为石块设置标识和根据保护需要创建构件属性的方法[29]。朱磊利用类型学原理讨论结构形式以及建筑构件的分类方法，进而初步提出族规划的分类依据，并论证了类型学方法的可利用价值[30]。张天宇以类型学方法为基础建立了湖南传统村落的门窗库[31]。

由上可知，在传统建筑构件信息化过程中，通常结合类型学方法建立“族”库。但是，对于传统建筑的结构分类以及特殊构件（如装饰浮雕）的模拟仍存在争议，构件的分类整理仍然处于约定俗成和主观判断共同确定的探索阶段，未形成统一标准。同时，由于软件平台中的图元尚无法解决对空间属性的封装，点云信息也仅是对建筑表面形状的采集。软件自有模板、样本不能完全适用于传统建筑所需要的各类构件族的定义需求，有待进一步利用计算机技术对族样板进行可开发性研究。

2.3 建筑信息管理与分析

传统建筑与现代建筑在信息模型管理与分析方面存在较多一致性，主要是基于软件平台间的协同操作与分析。

韩婷婷通过构件的入库、组装及构件库的运营维护三方面实现对构件库、构件实体及数据资料的规范化、信息化管理，建立了以管理员与用户的交流和反馈为主体的构件库管理体系[26]69。刘庆宇认为可以通过BIM技术的应用对建筑物进行热能分析和结构分析。通过热能分析等技术手段判断建筑构件在不同时间段内的工况，可以更精确地计算不同时间段内木结构的应力状态[32]。郑林晗等人在传统建筑BIM信息管理平台的基础上，提出了修缮残损信息、修缮工艺流程信息的链接路径[33]。

传统建筑信息模型的精准模拟，为传统建筑的改造利用提供了分析的基础，通过软件交互从而实现建筑管理及性能分析的多项功能。BIM技术与大数据、物联网、互联网等技术平台的结合，可以有效提升建筑全生命周期的管理效果，在实现建筑信息模型可视化的基础上，满足建筑信息查询、建筑价值评估、建筑再利用分析、建筑物理环境分析、动态监测等功能，从而实现传统建筑的科学保护与利用。但是，面对BIM平台、分析软件平台、监测保护等平台的多数据交互、链接存在制约问题，数据格式标准化、转换链接方式便捷与统一、避免平台转换间的信息损失将是重要的研究方向（图3）。

图3 HBIM与其他技术整合的优点和挑战

结语

建筑信息模型技术为传统建筑信息的保存提供了新的方式，对传统建筑的数字化起到了推动作用。传统建筑信息模型存在现实（阶段化）模型、参数化（理想）模型两种主要形式，关键历史信息属性的添加，促进了多软件平台的协同应用，并呈现信息阶段化的特点。三维扫描与摄影测量是当前传统建筑信息采集的主要方式。在传统建筑信息整体、局部模型建立过程中，传统建筑编码分类、构件模拟等方面仍缺少标准统一约束，应用软件的本土适宜性不足。传统建筑采集信息与软件的高效链接方式、信息标准化、软件模块的本土化以及避免平台转化过程中的信息损失仍是进一步研究的重点。

资料来源：

图1：作者自绘；

图2：参考文献[17]；

图3：参考文献[34]。