基于BIM+GDL的古建筑数字化修复与保护_倪燕翎.pdf

一、古建筑维护修复与保护面临的主要问题（一）古建筑图纸、工艺、工法等失传古建筑是历史文化的载体，由于自然因素和人为因素，难以长久维持原有风貌；加上古建筑图纸保存方式单一、保存载体脆弱，在改朝换代的过程中易毁损遗失；许多工艺、工法多为民间工匠师徒相传，传承后继乏人或已经失传。这些载附着历史灵魂的古建筑，亟需用现代先进的数字技术方法加以拯救。（二）古建筑影像资料不全、数据缺失在保护与恢复古建筑历史风貌时，往往需要借助历史影像恢复。传统的古建筑信息存备方法主要有文字、图片、表格等，但因年代过于久远，可能存在储备信息不完整，或存备的建筑信息未能反映真实风貌等情况1。近代摄影设备的出现，为古建筑留下了宝贵的影像资料，但当时技术还停留在起步阶段，不具备足够的清晰度、准确度，难以测量古建筑的尺寸及其相关数据，基于 B I M+G D L的古建筑数字化修复与保护文/倪燕翎1 赵玉娴1 王琨2 郑敏3 （1.湖北经济学院智慧建造中心，湖北 武汉 430205；2.中交二航局建筑工程有限公司，湖北 武汉 430056；3.湖北经济学院法商学院，湖北 武汉 430205）本文系教育部大学生创新创业训练计划项目“基于 BIM+GDL 的古建筑数字化修缮以古隆中为例”（编号：202211600014）、湖北省水利重点科研项目（编号：HBSLKY202016）成果 摘要：古建筑是珍贵的文化遗产，具有不可再生性和脆弱性的特点。受岁月侵蚀残损，或年代久远资料影像遗失等因素影响，传统的古建筑修缮保护方式已无法满足当下可复原、能完善、尺寸准、工法恰当等精细化、信息化管理研究运营的需求。而 BIM 技术结合三维扫描，则能够将古建筑进行数字化建模、原样再现，具有准确记录、VR 交互、原味传承等优势。文章分析当前古建筑维保修缮面临的主要问题和实际需求，提出通过三维扫描、无人机倾斜摄影、高精度正射影像绘图技术，以 BIM 建筑信息模型为载体，结合 GDL 程序设计，建立参数化构件族，精细化古建筑数字模型，以及 3D 打印模型，为古建筑维保修缮提供沉浸式虚拟交互系统，构件节点细节、工部做法，为古建筑的修缮与保护提供直观、三维、准确、可交互的高效数字化支持。关键词：古建筑；BIM；GDL；数字化；修复且留下的影像画面色彩多为黑白灰，既难以如实地反映真实面貌，也难以客观地反映物理尺寸。更令人痛惜的是，在近代历史进程中，我国历经多种动荡与磨难，许多珍贵的影像资料在传递的过程中已经丢失。（三）古建筑材料难以寻觅、再现古建筑主要使用传统木材建造，但有些特殊材料，如装饰面的材料与制作方法并没有明确记载；有些材料在今天的建材市场已很难寻觅，或即便找到原材料也无法复原材料的处理工艺，无法得到古法的材料性能。实际上相关部门花了很大力气对古建筑进行修缮、重建，但部分工程呈现出来的依然只是现代的油漆、现代的殿堂以及现代的材料，缺少了原汁原味的那种古朴与天然。（四）古建筑数据信息不完整、不规范由于年代过于久远，古建筑储存的信息大多不完整。一些尚存建筑的经典工艺、工法还能找到残本或记载，但可能已经不完整；有些工艺做法还未被完全挖掘整理出来，未完成图集的编制，无统一的标准。这些数据信文物保护Oriental Collection102息的不完整、不规范，都使得古建筑维护修缮面临有心无力的尴尬境地。二、基于 BIM 的古建筑数字化记录（一）利用三维扫描技术的数字化 在过去，古建筑保护工作中的测绘方式受多种因素影响，稍有不慎便容易在测绘中出现误差，降低数据信息的准确性；整个操作过程也非常耗时、耗力。而地面三维激光扫描技术则呈现出了无可比拟的优势和作用，不仅适用范围较广，能够适应各种复杂环境，还可以全面提高测绘的质量和效率。三维扫描技术较好地弥补了传统方式下古建筑的数据缺失，并可以形成 CAD图纸，极大地提高了古建筑保护工作中测量、绘制、记录、出图的效率。也可以利用无人机对建筑进行倾斜摄影，将无人机的点云数据与地面激光扫描仪的点云数据对齐重构模型，形成古建筑整体的点云数据；进一步还可以测量包含建筑外观和外部环境的全景三维模型，使得古建筑的外部与内部均得以准确构建，获得古建筑的完整物理数据。（二）基于 B I M建模的复杂构件数字化 在实际项目实施过程中，BIM模型对项目的展示、沟通与交流有极大的帮助，并且 BIM 的清单统计、易出图等优势，有利于减少设计工作量、降低成本、优化设计流程。基于 BIM 建模的古建筑数字化保护能让复杂构件复原设计的工作量减图 1 斗拱 B I M模型图 2 参数化设定及约束小、流程简化，且速度快、精度高；BIM 古建筑虚拟模型则具有可视、直观、易于理解，便于统计的特点。结合精密测量技术，将古建筑模型与信息紧密结合建立数字化档案库，可在很大程度上减少重复工作、降低误差和信息损失。信息化时代，信息在网络上传播极快，可视化模型、VR 虚拟仿真技术能够加深人们对历史建筑的了解，再辅以数字化模型及相关信息，为古建筑的保护提供新的渠道、新的方式，不失为一种人文化的保护。斗拱是中国古建筑中独有的结构构件，其构造精巧、造型美观，但榫卯结合的特色加大了保护与修复的难度。利用BIM进行1:1建模，赋予相应的信息或参数，不仅使得斗拱的结构展示更清晰、部件组成更直观，更可形成斗拱模型组，极大提高了修复保护的效率。图 1 为BIM 软件制作的三维可视化斗拱模型，斗拱模型组分别满足不同位置、不同构造的需求。（三）基于 B I M参数化的古建筑族库古建筑结构复杂，建模的工作量大。若利用参数化方式将同类型的构件归为一类，再将同类型的构件以参数约束，便可大幅度提高速度。通常先将古建筑部件进行分解，建立参数化构件，需要时将构件组装即可。这种可快速生成部件、精细化、参数化的古建筑构件族库，极大提高了古建筑的修复与保护效率。图 2 对斗拱处的坐斗进行参数化设定，利用 Revit 参照线与斗拱边线锁定的方式进行约束，再标记尺寸并关联参数，对数值进行定义。在族类型中修改数值，坐斗实体会根据其参数的数值进行变化。三、基于 GDL 的古建筑构件设计（一）G D L 的应用场景GDL（Geometric Description Language）是一种参数化程序设计语言，为智能化参数驱动构件的基础。利用 GDL 语言编译器可编译屋顶、栏杆等构件的 3D 几何形体，并显示对应的 2D 图形。它适合大批量形成相同类型但不同尺寸的构件，并提供细化轮廓和精准尺寸。古建筑细部结构精美复杂，仅靠族并不文物保护Oriental Collection2023 年 5 月 总第 164 期103图 3 G D L挑檐桁模型和总建筑模型图 4 大雄宝殿的 B I M数字化模型能完美精准地再现古建筑的特色，而辅以 GDL 编程工具进行构件编辑，可以进一步整合成古建族库。（二）基于 G D L 的挑檐桁设计GDL 支持基本运算操作、编程语言和条件语句的运用：基本运算操作包括加、减、乘、除等；编程语言包括 DEL、ADD、MUL、ROT 等多种三维形状命令，以创建形体；条件语句在参数化构件的设计过程中非常有用，适用于参数不连续变化等情况。GDL 利用编辑器主对话框设置可变参数，将构件的各项尺寸参数进行定义。变量的参数类型有很多选择，包括长度、角度、文本、画笔、建筑材料。挑檐桁的参数类型可设置斗口和梁长，变量为 d、x，材质参数命名为 cz。接着运用 GDL 三维形状如 MATERIAL、PRISM、ADD、ROT、CYLIND 等语句创建参数化挑檐桁模型。在参数脚本中给变量赋值，其中，可变参数可直接定义输入相应的值，构件尺寸就会根据输入的参数变化。在构件调用时确定变量，包括构件的空间位置、尺寸、材质，并赋予成本制造商等相关信息，适用于后期进行统计造价等工作2。图 3 为基于 GDL 的挑檐桁模型和总建筑模型。四、古建筑的数字化修复方案（一）运用数字化技术真实准确记录和再现古建筑的全貌与细节设置合理的测站点并架设三维激光扫描仪，测量建筑实体三维数据。根据现场勘测和扫描技术，生成地表点云数据并保存；缺失部分点利用现场勘测补充完整。通过点云数据处理，得到建筑的平、立、剖面图。采集建筑图片影像信息，以便更加清晰明确地了解其材质和局部结构外形，如柱梁衔接部分、屋顶部分、细部栏杆、门窗，为后期建模提供有益参考，在材质、色彩上有更好的把控，提高模型的真实性和美观性。对于复杂组件，多角度、多渠道、多维度地采集信息，对关键部分进行细部建模。同时搜集该地足够的建筑属性信息，例如照片档案、历史文件、景区景点的文字信息、历史维修信息、周围地质构造、水文信息等，以便模型建好后的信息录入。（二）通过数字信息模型，将古建筑以数字化方式建档保存通过点云数据得到的图纸，利用 BIM 软件分专业创建 3D 模型。木构架部分的榫卯结构复杂、精度要求高，需分解为斗拱、梁、枋等组件；又因其种类和数量均多，可利用参数化方式分类建模，修改参数即可得到同类不同尺寸模型。建筑部分的门、窗，造型美观、花纹精巧，则依据收集的影像信息，对模型的材质、色彩、纹理替换更改设定，或细化、完善，以提高模型精度，有利于进一步修复、再现其全貌，如图 4。（三）形成古建筑关键构件数据库古建筑的空间数据管理，非常契合计算机系统管理运算逻辑，其对数据的储存、加工和数据分析，能够将古建筑统计、图形、影响等多种数据信息，按照特定结构转换为适合计算机储存的格式3。过去对古建筑相关信息的存储，大多是通过查阅相关文献资料、实地调研及走访，再汇总相关历史文件信息、景区景点的文字信息、历史维修信息、周围地质构造、水文信息等。其中，传统文本记录用来保存的古建筑信息或者数据，相对比较抽象，文本通常很难直观可视地反映古建筑的完整面貌；并且文本信息的数据量分文物保护Oriental Collection104图 5 数据库系统架构图散杂乱，很难寻找筛查。利用图像和照片存储的古建筑信息相对直观，但这种信息往往缺乏对应物理尺寸，无法还原古建筑修复所需的准确数据，无法满足古建研究或古建修复或文物建筑重建的要求。另一方面，传统古建筑积累的数据信息又面临着信息量纷乱、数据冗余、查找困难、无法共享等一系列问题。因此，建立基于BIM+GDL 的古建筑数字化数据库系统是最佳选择。古建筑三维模型数据库有利于较好地整合多方面的信息，将数字信息与三维信息较好地进行结合。古建筑关键构件的数据以三维线框、表面、实体模型进行说明，同时利用三维信息模型出图，可整合二维图形，添加平面图、立面图、剖面图等，以更直观的方式展示古建筑的内部构造、布局4，图 5 为古建筑数据库的基本构架。（四）利用 3 D打印技术对缺失、材料难寻构件予以修复3D 打印技术具有多样性、专业性、全覆盖性等特点。现存古建筑多少会有不同程度上的损坏，且部分材料难以寻找，甚至缺失，运用 3D 打印技术的一个巨大优势在于可以将残缺或损坏的构件或者组件，对照前期采集的准确数据，依托精确的三维模型，选择合适的材料将其打印成实体，用于相应部件的维修替换5。根据流程，模型制作完毕后，还需将建筑内部各个构件（昂、枋、拱、翘、升、坐斗等）拆分开，对其榫卯搭接处进行单独的制作与处理6，最后再进行构件的拼接。（五）结合 V R技术形成数字化产品关键部分的构件（例如斗拱）建模后进行 VR 交互功能模拟，能够更好地展示榫卯结构及其做法。通过 VR和人机交互技术，不仅在视觉层次将抽象平面的二维图纸转化为直观的三维空间模型，而且将过去隐藏的复杂内部结构做法，抽丝剥茧般地一层层剥开或展开，变得让人容易看懂、容易理解，极大提高了古建筑模型设计的效率。模型完成后，可将相关历史信息、历史维护记录、景区景点信息、周围环境特征以及地质构造、水文信息输入到虚拟三维模型中。最后，将收集到的历史影像数据导入，构建完整的虚拟古建筑场景，乃至一段历史渊源，建立共享的集可视化和交互性于一体的信息平台。该平台不仅为普通人认知古建筑提供便利，更有利于设计人员、运营人员日常维护和动态更新，对古建筑营造技艺的传承和其历史价值的传递也有着非常重要的意义。五、古建筑数字化修复与保护展望基于 BIM+GDL 技术目前的运用虽然尚不成熟，在使用过程中也暴露出模型的质量与精度达不到要求等问题，但将 BIM+GDL 结合，用数字化技术对古建筑实施记录、建档、建库，用数字化方式进行设计运营维护，对于传承古建筑营造技艺、弘扬中华传统文化无疑具有积极意义。参考文献：1 汪梓豪，程希莹，操强，马晓东.基于 B I M技术的古建筑修复研究 J .安徽建筑，2 0 2 1，2 8（0 5）：5-6.2 李筱琪，赵静，韩菡，杨荣彬.白族传统民居B I M构件库体系构建研究 J .云南民族大学学报（自然科学版），2 0 2 2，3 1（0 2）：2 4 6-2 5 2.3 甘斌.数字化技术在古建筑保护中的应用 J .电子技术，2 0 2 2，5 1（0 8）：8 2-8 4.4 吴志群.古建筑三维模型数据库系统设计 J .科学技术创新，2 0 2 0（2 9）：1 1 4-1 1 6.5 何原荣，郑渊茂，潘火平，陈鉴知.基于点云数据的复杂建筑体真三维建模与应用 J .遥感技术与应用，2 0 1 6，3 1（0 6）：1 0 9 1-1 0 9 9.6 高溪溪，周东明，崔维久.三维激光扫描结合B I M技术的古建筑三维建模应用 J .测绘通报，2 0 1 9（0 5）：1 5 8-1 6 2.作者简介：倪燕翎（1 9 7 3），女，汉族，安徽怀远人。博士，副教授，主要研究方向：B I M 研发与创新、基于区块链技术的智能建造管理与创新。赵玉娴（2 0 0 2），女，汉族，湖北襄阳人。大学本科，研究方向：建筑工程信息化 B I M 设计。王琨（1 9 9 7），男，汉族，湖北宜昌人。大学本科，研究方向：建筑与市政工程数字建造。郑敏（1 9 8 1），女，汉族，浙江金华人。博士，讲师，研究方向：结构工程与 B I M设计文物保护Oriental Collection2023 年 5 月 总第 164 期105