基于BIM的历史建筑保护——以武汉大学宋卿体育馆为例

童乔慧 | Tong Qiaohui

徐 盼 | Xu Pan

1 武汉大学早期建筑群的保护现状

1.1 武汉大学早期建筑群的保护现状

武汉大学早期建筑群①历史建筑数量众多，大多建成于20世纪30年代。大部分历史建筑至今保存完好，仍在学校的教学活动中起着重要的作用。武汉大学早期建筑群在中国近现代建筑史、中国校园规划建筑史上都有着十分重要的地位，具有珍贵的历史、科学以及艺术价值[1]，需要进行系统的保护和研究。

历经80余年沧桑，武汉大学早期建筑群的历史建筑存在残损严重现象，无法很好地满足学校教学的使用需要。在20世纪末武汉大学对这些历史建筑中的大部分建筑进行了部分保护和修缮，保护的主要原则是“整旧如旧”，并在保护修缮时最大限度地保存历史建筑的原真性[2]。具体表现在尽可能维持立面原貌，提供更为合理的消防防火和结构标准，增加人性化无障碍设计以及保证使用舒适性的建筑设备。目前武汉大学对26栋历史建筑的大部分建筑本体已经进行了保护和修缮。

1.2 BIM在武汉大学历史建筑保护中的应用

BIM（Building In formation Modeling）技术通过建立一个虚拟的三维信息模型将工程项目全生命周期的各种信息资源整合在一个数据库中被工程相关人员使用。将BIM技术引入到历史建筑保护中，通过建立参数化的模型模拟历史建筑的真实建筑信息，实现历史建筑及其保护修缮过程的数字化存档，能够避免传统方法的缺点，为历史建筑的后续保护和研究提供技术支持。

BIM在武汉大学历史建筑保护中的应用已有研究，主要是2018年童乔慧、董维敏以BIM技术对武汉大学老斋舍（男生寄宿舍）进行了参数化建模以及修缮过程的数字化存档[3]，并对BIM技术与实际工程结合而产生的运用进行了研究。该研究的时间节点是在工程修缮完毕之后所做的研究工作，其内容相比传统的历史建筑保护方法和技术有了质的飞跃，为武汉大学历史建筑遗产研究与保护奠定了一个新的起点和方向。由此可见，将BIM技术运用到历史建筑保护中将有助于对历史建筑遗产的数字化保护和信息化建设。

在构建BIM模型的过程中，由于武汉大学早期建筑群的每一栋历史建筑单体往往由数量众多的细部构件组成，每一栋历史建筑的构件各不相同，构件之间交接复杂，特别是屋面曲线及其装饰构件众多，同时许多建筑单体随着地形功能的不同呈现变化，这就使得武汉大学历史建筑的BIM三维模型构建有很大的难度。因此在构建历史建筑的BIM模型前期需要对每栋历史建筑的历史信息仔细查阅，对历史建筑的现状要进行深入的勘察分析和研究。

2 宋卿体育馆的功能布局和建筑尺度

2.1 宋卿体院馆的现状

宋卿体育馆②（图1）是武汉大学早期建筑群的重要组成部分，位于珞珈山南部底，坐东朝西。体育馆长宽分别约35m和21m，总建筑面积2748m2。建筑层数共两层，高约15m。一层为健身大厅和库房，二层为蓝球场及附属用房，主体结构为钢筋混凝土结构。

图1 宋卿体育馆现状图

20世纪末宋卿体育馆许多构件老化问题严重，甚至危及建筑结构安全，若不经过全面、系统的修缮和保护，将难以发挥其历史文物功能。体育馆的保护修缮工程于2013年启动，对建筑进行了结构加固、外墙清洗、损毁门窗修复、屋面修复、室内粉刷等。按照文物保护修缮“修旧如旧”的原则，修缮后的宋卿体育馆的风貌与原貌保持一致。因为工程工艺复杂，目前仍有部分屋面和门窗在修缮中，但是外墙及室内已经修缮完毕，其使用功能仍为体育馆，未做改变。

2.2 宋卿体育馆的功能布局

宋卿体育馆建筑的主要空间为二层的篮球场，篮球场的大跨度空间平面尺寸为21m×36m，主要由钢筋混凝土柱和钢结构三铰拱组合受力承担屋面荷载。山墙及屋顶随屋面结构而变化，山墙形成轮舵形山墙，风格采用典型的巴洛克式山墙③[4]，屋顶形成三重檐滴水，用绿色琉璃瓦覆盖并利用重檐形成的密檐处设置窗户采光通风，檐下采用混凝土仿木斗 。篮球场的四周布置附属用房，用作体育馆的管理办公、卫生更衣及楼梯间。楼梯间上部设望楼，可上至附属用房平顶屋面。一层则充分利用地形高差，利用地势较低的西面作为一层主入口，另外三面地势较高，山墙面两侧各有两个采光井采光。

2.3 宋卿体育馆的尺度模数

宋卿体育馆的平面具有明显的形制化和模数化特征（图2），它的主体部分开间7间、进深5间，主体部分基本对称，梢间和次间开间均为5m，明间和尽间略宽为5.3m，廊深3m。进深方向有两种尺寸3.9m和4.8m。四隅角楼沿东西轴对称，南北轴方向位置有所错动。它的构件尺寸也有一定的制式和规则，典型的窗户为上部两角为切半圆弧式样，窗户扇数则依据开间或进深分成三扇或四扇，高度根据所处标高和结构不同有所变化。女儿墙端部装饰以及檐下仿木斗 阑额均具有一定的制式并反复运用在建筑中（图3）。

图2 宋卿体育馆测绘首层平面图

图3 宋卿体育馆测绘西立面图

因为有了这些制式和规则，所以可以通过建立参数化的建筑信息构件库来实现宋卿体育馆三维模型的重建，从而获得精确的工程数据，对宋卿体育馆进行数字化存档，作为今后武汉大学历史建筑的复原、修复、保护的技术支持以及科学研究基础。

3 宋卿体育馆的BIM建模

宋卿体育馆（图4）BIM模型构件众多，造型复杂，但其BIM建模的基本方法是通过创建特定的构件族，并将这些族载入到项目中。由于宋卿体育馆山墙、屋面、檐下仿木斗 不同于其他历史建筑，本文主要介绍宋卿体育馆族的规划、山墙和屋面的建模以及斗类构件的建模。

图4 宋卿体育馆BIM模型三维视图

3.1 族的规划

在宋卿体育馆BIM建模前，非常重要的一点是进行族的规划。Revit模型的基本单位是族的模型，其中基础族库和样板文件可以通过网络下载和自己新建族等方式来完成[5]。在宋卿体育馆BIM建模中，Revit软件中自带的样板文件和构件库并不能完全满足项目的需求，有一些工程特有的族需要在建模前就提前创建（表1）。

表1 宋卿体育馆BIM模型中族的规划信息表

3.2 山墙及屋面的建模

轮舵形山墙的建模（图5）主要采用内建体量，首先建立剖面，将测绘图纸导入剖面中，作为绘图参考，然后选择内建模型墙，先用拉伸把整体轮廓做出来，因为轮廓为对称，充分利用镜像。墙上的半圆形构件则主要使用放样，细部的轮廓诸如一些雕刻，考虑到软件的局限性，采用线条的方式进行绘制示意。

图5 山墙BIM模型示意图

宋卿体育馆的屋顶为三重檐的歇山顶（图6），重檐歇山顶的建模主要分为两层，第一层屋顶主要使用内建模型中的常规模型，然后使用放样命令，绘制路径和轮廓，使用空心拉伸，剪切实心构件，空心形状根据实际屋面形状确定，再通过镜像绘制另外的屋面。第二层瓦选择建好的屋顶的面，新建公制轮廓-竖挺，绘制瓦片形状，然后选中单个竖挺，编辑类型，最后编辑颜色。

图6 屋顶BIM模型示意图

3.3 斗类构件的建模

明清古典木建筑斗 的结构有5个重要的部分，分别为、翘④、昂⑤、升⑥、斗[6]。宋卿体育馆由于是混凝土仿木斗 构件，在此基础上进行抽象简化，仅有斗、、翘三部分，挑出一层。

基于Revit 的斗 的建立，主要是在Revit中将斗 的各个构件以斗口为基本参数，用族的形式建立起来，然后在项目中用这些斗 的不同部分组合成一个完整的斗 。宋卿体育馆斗 的建模主要分为两层，然后进行组装（图7）。

图7 混凝土仿木斗 建模示意图

第一层为坐斗⑦的建模。根据《营造法式》，斗的形制由上到下分为耳⑧、平⑨、欹⑩三部分，并提出了“以材为祖”，材分8等，1材=15分，1材厚=10分=1斗口[7]，因此坐斗的参数化以斗口作为主要驱动参数，其他的尺寸参数都可以通过公式与之产生联系，以此来生成坐斗（图8）。但与传统木作不同的是宋卿体育馆的混凝土仿木斗，其坐斗仅为传统木斗 的一半贴墙安装。坐斗的建模，第一步是通过公制常规模型族样板建立一个族文件，保存名称为坐斗族。第二步再利用拉伸和标注，创建坐斗的上部。依据参照平面坐标点，设立与坐斗族相关的参数。运用拉伸命令创建出所需立方体。第三步是使用融合命令和标注创建坐斗的下半部，最后使用空心形状来制作坐斗的翘开口。

图8 坐斗立面尺寸示意图

第二层为正心瓜⑪的建模。宋卿体育馆的正心瓜 同坐斗一样由古典明清建筑木作正心瓜 的构件简化而来，主要由弓形主体和 1个榫、2个形状结构较为复杂的 眼组成。同坐斗一样，正心瓜 的建模也是以斗口为主要驱动参数来确定各部分的尺寸（图9）。正心瓜 的具体建模主要根据正心瓜 的尺寸，在前视图或者左视图中以正心瓜 的侧立面建立拉伸面。使用创建拉伸和空心拉伸命令，来创建 身、正心开口等。

图9 正心瓜 正立面图

4 基于BIM的宋卿体育馆的保护应用

4.1 基于BIM的历史建筑防火性能化分析

在历史建筑的保护中，建筑防火性能提升无疑是重中之重，但历史建筑保护修缮中的原真性在工程中有时候会与规范或规定发生冲突。例如宋卿体育馆根据规范要求公共建筑疏散楼梯净宽≥1.1m[8]，但体育馆的楼梯净宽只有1m。这种情况如果通过防火性能化分析进行定量计算，根据每栋建筑的独特性能，分析火灾的影响程度，采取合理的消防对策[9]，就可以使历史建筑保护修缮工程既不影响历史建筑的原真性，又实现消防安全。

基于BIM的历史建筑防火性能化分析可将历史建筑的BIM模型导入到火灾模拟程序中进行火灾烟气状况分析和人员疏散情况分析。在BIM模型中，墙体和柱子等就可以根据实际设计构造层，明确耐火极限要求。直接把BIM模型导入PYROSIM模拟程序中，可进行火灾烟气分析。进行火灾烟气分析第一步是要进行火灾场景⑫[10]分析与确定。根据最不利原则⑬，在宋卿体育馆火灾模拟中，可将发生火灾位置定于一楼左侧疏散楼梯。第二步是进行烟气流动状态分析。在软件中本工程的设计参数取值为：一般空间烟气层以下的清晰高度≥2m、篮球场高大空间的清晰高度≥室内净高的一半、人员活动区域的能见度≥10m、环境温度≤60℃、火灾模拟时间共1200s[11]。宋卿体育馆烟气模拟的结果是在55s时烟气开始向四周扩散，83s时烟气扩散到二层，322s时部分烟气从篮球场侧面和正面檐口的排烟窗排出，但也有烟气聚集在篮球场上方（图10）。火灾发生1200s后时，通过模拟结果显示右侧楼梯间周围温度较高，左侧疏散楼梯间内的CO2浓度积聚增大，但是大部分房间温度低于 60°C。

图10 322S烟气模拟结果

把BIM模型导入到PATHFINDER模拟程序中，可进行人员安全疏散分析。在宋卿体育馆的PATHFINDER分析中，设定参数1F、2F、3F感知时间：60s，响应时间120s。最终疏散时间模拟结果如表2所示。

表2 宋卿体育馆的人员疏散时间表

通过软件计算得出本次火灾的人员允许疏散时间为494s。而在防火性能化分析中，判定人员能否能够安全疏散，要求需要疏散时间小于允许疏散时间，保证待疏散人员在允许疏散时间内疏散到安全区域。因此软件分析结果说明宋卿体育馆在设定的火灾场景发生时待疏散人员相对比较安全，可以在允许时间内疏散到安全地带，体育馆的消防和疏散措施基本满足要求。但是中部的篮球场顶部檐口和山墙两侧的排烟窗位置较高，需要采取特定的消防联动装置以保证在火灾来临时能够开启，否则需要机械排烟设施以保证火灾发生时烟气能够排出。

4.2 基于BIM的历史建筑围护结构性能提升应用

历史建筑保护除了消防要求，通常还需进行围护结构性能的提升。因为年代久远，历史建筑在修缮前往往保温隔热性能较差，难以满足舒适性的要求。基于BIM的历史建筑围护结构性能分析，可利用建好的BIM模型直接导入到斯维尔分析计算软件中，进行围护结构的分析计算。但本工程中软件分析时还需注意以下两点：

第一是由于软件数据库的局限性，在软件中本工程木门窗的传热系数需要根据工程具体情况来计算。门窗的传热系数K值简单计算约为：K=木门（窗）框传热系数×木框占比+玻璃传热系数×玻璃占比[12]。在宋卿体育馆中，门的木框占比约为60%，窗的木框占比约为35%。木窗框的传热系数数值大部分在3.5～1.1（W/m2·K）之间[13]，中间值可取1.8 W/m2·K计算；常用玻璃的传热系数 6+12A+6mm中空白玻为2.8（W/m2·K），Low-E6白膜G膜+12A+6mm中空白玻为1.9（W/m2·K）[14]，可见选用不同玻璃对门窗传热系数影响较大。

第二为外墙保温方案的确定。如果采用内保温需要用A级保温材料，而A级诸多保温材料应用在室内有些弊端和限制，例如岩棉板在施工时会对工人的健康造成一定的影响，无机保温砂浆则在地方规定中只限热桥部位使用。如果采用外保温，则会对建筑立面产生影响，易导致外墙的突出线脚部位与原有的建筑不一致，难以实现整旧如旧。因此考虑本工程外墙比普通外墙较厚约为250～400mm之间，可以充分应用软件的权衡功能，利用墙体自保温，同时选择传热系数小的玻璃，达到总体保温隔热性能提升的效果。

4.3 基于BIM的历史建筑结构加固应用

在宋卿体育馆中，比较特殊的形式是它的屋顶结构，采用独特的三铰拱结构⑭[15]。在宋卿体育馆的平时使用以及修缮时，观测结构的变形情况，考虑结构使用寿命至关重要。

在保护修缮工程开始之前，首先需要进行现场测绘，需要对体育馆的建筑损伤情况、房屋沉降情况、结构变形情况进行测量。通过BIM模型把测量信息载入，可以实现对建筑物修缮前后结构情况的全面把握。如果结合3D扫描仪扫描，则可以识别结构变形及开裂损伤等情况。

在保护修缮的加固方案设计时，根据已经建立的BIM模型，对结构构件的状态和信息数据进行提取，并对历史建筑修缮前后的结构受力情况进行对比，有助于提前判断出现未知的情况，优化设计方案。而对于宋卿体育馆这种特殊的屋面结构形式，Revit中的结构计算功能比较有限，但它可以与Autodesk Robot Structural Analysis、盈建科等结构分析计算软件互通，进行结构模型导入转换和分析计算。在加固的结构模型建立过程中，结构专业和其他专业可以同时在Revit平台上展开设计，在设计后期还可以进行碰撞检查[16]。

在后期运营管理中，基于BIM模型的安全管理系统软件可对结构进行实时监测，并把数据收集存储到模型中，也可结合安全管理软件，形成具有养护计划提醒、异常情况预警、辅助决策等特定功能应用的模块，实现后期的智能化管理运营技术。

结语

宋卿体育馆是武汉大学早期建筑群中的唯一一栋体育建筑，一直到今天都在被全校师生广泛使用。BIM技术的引入对于保护宋卿体育馆将提供可靠的数据支撑，可以实现长期的动态管理。本研究将历史建筑保护和BIM结合起来，通过BIM建模将防火性能化分析运用到历史建筑保护中，证实了BIM模型和火灾模拟的第三方软件的结合能够实现在历史建筑保护原真性的原则下确保消防安全，对今后历史建筑保护修缮工程中与消防要求冲突时的解决方案有一定指导和借鉴意义。同时，本研究将BIM模型运用到保温隔热计算软件中，针对软件材料数据库不全的现状以及结合工程具体的外墙保温方案提出了解决办法，为历史建筑的围护结构性能提升方案设计提供一定参考。另外，本研究将BIM应用到历史建筑加固设计中，提供了BIM技术在结构加固方面贯穿全过程的应用方案，为实现历史建筑遗产的可持续保护提供了技术上的支持。

资料来源：

文中图表均为作者绘制、拍摄。

注释

①武汉大学早期建筑群主要是指20世纪30年代初，武汉大学在珞珈山建造的英式老建筑，共有十五处26栋，2001年6月国家批准其为第五批全国重点文物保护单位。

② 建造于1935年，是由黎绍基和黎绍业（中华民国大总统黎元洪之子）将筹建江汉大学的基金十万大洋（中兴煤矿股票）转捐给武汉大学而建造。为纪念黎元洪，以黎元洪的字宋卿命名为宋卿体育馆。

③巴洛克建筑是指17到18世纪在意大利文艺复兴时期建筑的基础上发展起来的一种建筑及装饰风格，多用曲线、曲面和弧线。宋卿体育馆的山墙采用大量弧线，充满立体感和流动感。

④ 纵向的、向前后伸出并翘起的短木。清称翘，宋称华、抄 。

⑤ 斜插的部件，主要用于屋檐的出挑。

⑥ 位于两层 之间，用于承托上层的枋或者 的斗形的木块。

⑦ 整组斗 最底下的一个构件。亦称大斗，宋代以前称栌斗。

⑧ 斗口两侧往上突起的部分。

⑨ 斗口下方平的部分。清称斗腰。

⑩ 坐斗的下部往内倾斜的部分。清称斗底。

⑪ 斗 中栌斗上方与阑额平行的 。宋称泥道，清称正心瓜 。

⑫ 火灾场景是对一次火灾的整个发展过程的一种定性描述，它反映了该次火灾特征并区别于其他火灾的关键事件。

⑬ 火灾场景的确定应根据最不利原则，选择火灾风险较大的火灾场景进行火灾分析。

⑭ 三铰拱(three-hinged arch)是一种拱结构，属于静定结构。通常是指杆件的轴线为曲线,施加竖向荷载支座产生水平反力的结构。