基于BIM技术的古亭景观建筑信息虚拟化研究

摘要:以紫云阁为例，分析了国内古建筑保护现状和BIM技术优势。就BIM软件Revit和Navisworks的应用、自建族创建、古亭信息模型的建立3个方面，对古亭阁类的景观建筑物进行了三维虚拟数字化信息模型探索研究。建立了三维模型、模拟施工、CAD图纸等电子文档，为指导古建筑的保护修复工作和现代类似建筑物的设计建造提供了可行性方案。

0引言

古建筑物的保护与修复意义重大，许多国家都投入大量人力、物力来完成此工作，以维护本民族的历史文明延续。对古建筑的保护与修复工作是世界性难题，因为年代久远和工艺的不外传，许多古建筑物的图纸不完整和工艺的失传，造成修复工作难上加难。以往大多数是靠师徒相授、人工的技艺来完成。

古建筑的信息主要是靠书中文字、建筑图纸或者图表影像来储存，但是这类方式是平面的，各种储存方式之间并不能很好地关联起来，前期准备工作耗时耗力，而且并不能更直观地表现出建筑物的全貌。历史影像虽然能直接观察到建筑物的全貌，但却看不出、测不出这个建筑以及该建筑构件的具体尺寸数据。原始的信息储存方式使重建修复古建筑的难度加大了不少。电子文档存储这种方法与以往的图纸、历史影像储存方式最明显的区别是，古建筑的各项信息可以保存在BIM信息模型中;同时也可以在模型中统计各项信息，为后续工作提供数据基础;能以三维方式呈现，更直观便利地进行古建筑的研究保护工作。

本项目选取了古建筑中构造奇特的亭阁类景观建筑物为研究对象，对此类建筑物进行三维数字化建模，应用现代虚拟技术呈现，并标准化处理、建立族库文件，对古建筑的保护与修复工作、现代类似建筑物的设计建造都具有一定的指导作用。

1BIM技术概述

BIM(B=Building，I=Information，M=Modeling)又名建筑信息模型，是一个从设计、施工到运营全寿命周期的建筑信息管理。设计阶段将信息虚拟化，绘制出建筑模型，其中的建筑构件的信息将完全真实化，并精细到每个构件的材质样式。BIM中的建筑信息模型，并非传统意义上的如CAD模型中的点线面，而是数字化之后的虚拟真实化的三维模型，它由同样拟真的几何构件如梁板、柱墙、门窗、楼梯组成，可以更直观、便捷地观看到建筑的全貌甚至是各个构件的数量、属性信息和彼此的位置关系。

设计阶段的三维模型与施工进度相拼接，集成四维的施工信息模型，施工阶段的工程进度、材料设备、人力成本和场地的布置都模拟出来，将其可视化，做到动态化管理，项目的各个参与方都能一起协作完成工作，共享各方的信息，大大提高项目的完成效率。BIM数字技术应用在建筑业，使得工程信息逐渐完备，各个参与方的信息关联起来，协调工作，大大地优化了原始的施工方式，将设计施工运营可视化，不仅减少了各参与方的交流信息不一致的问题，还能及时修改不合理的信息和模型，对建设期间的影响因素进行可控的分析预测和控制。

1.1Revit简介

从建筑行业对BIM技术的发展需求和BIM自身的定义，人们应当更多地利用BIM模型中的信息来创造更多的价值，建筑信息模型区别于普通模型，除了可视化，还能做更多事情，例如清单算量和物料跟踪、建筑虚拟化研究等。Revit中的自建族是完成本项目的核心，是建模工作能否顺利开展的前提。族模型中包括了虚拟建筑所具备的各种真实的数据，如门的形状尺寸、材料、质量、型号、价格等。

1.2Navisworks简介

Navisworks是基于revit平台开发的第三方软件，在建筑设计中应用Navisworks能够进行更直观的三维漫游、组合模型和碰撞检查等，起到了提供完备的设计审查方案和延伸数据的重要作用。与Revit相比，Navisworks能够轻松地解决复杂且庞大的项目三维动态和漫游等操作对机器配置高要求的问题以及这些功能在Revit应用上的局限性。Navisworks在设计中可以实现项目模型的实时可视化，支持漫游并探索复杂的三维模型以及其中包含的所有项目信息，而无需预编程的动画或先进的硬件。通过对三维项目模型中潜在冲突进行有效的辨别、检查与报告，能够帮助减少错误频出的手动检查。

2紫云阁BIM模型

依据紫云阁的图纸，先在Revit自建族中导入图纸，计算好斗拱的相关数据，接着通过拉伸、融合等操作，将斗拱各部分构件绘制出来，最终根据图纸标高尺寸逐层拼装成一个斗拱。本项目中紫云阁的屋顶为六边曲面屋面，复杂的曲面结构是紫云阁绘制模型中最大的难点之一。采用创建实心和空心体量模型绘制曲面屋面的基本形状，通过创建幕墙系统设置嵌板和竖梃的属性绘制成瓦屋面，然后再使用生成屋面命令创建出紫云阁的屋面，最后添加屋面的属性信息，设置颜色、材质等数据。

2.1自建族的创建

由于古建筑的特殊性，建立模型过程中需要大量地进行自建族模型，以达到还原古建筑真实全貌的需求。BIM模型是由各种各样的族构建起来的，它是建筑模型的基础也是建筑模型的构件表达。一般，族库里面有常规构件族和特定构件族，常规的模型可以从族库中找到同样的模型，通过设定相关参数从而绘制出模型，有些族库中没有、无法直接调用的构件则需要自行绘制一个特定族。由于古亭阁类景观建筑物具有一些造型独特的结构，大部分结构无法在族库中找到，例如本项目中的角梁、亭阁的屋面、柱大样、门窗等都是自行建族创建出来的。

2.1.1门窗

门和窗的结构组成相对比较简单，根据图纸尺寸和材质要求就能较快而准确地建立出族文件。主要绘制方法是在Revit自建门窗族样板文件中，根据图纸尺寸要求绘制并设置相应材质。

2.1.2翼角

本项目的紫云阁共有三层翼角，其结构组成很相似，结构简单且对称，不同点主要在于尺寸大小，所以只用做三个族，分别建立在三层。主要建造方法是将CAD图纸作为底图，做参照线，然后用拉伸设置高度(100)，最后转为立面图设置角度。本项目设置角度为水平再逆时针8°、16°，通过镜像及复制命令完成六边形图象。翼角组合图和翼角族分别如图3和图4所示。

2.1.3屋面

本项目中紫云阁模型的屋面为正六边形曲面瓦屋面，其结构较为复杂，具有一定的技术难度，主要的绘制方法是建立六边形实心体量模型、三角性空心体量模型和曲面实心体量模型，三种模型相互切割出六边形曲面曲面的1/6模型;接着建立幕墙系统，生成屋面功能，完成屋面绘制;然后根据图纸设置其材质等属性;最后通过镜像、复制、阵列的命令完成六边形曲面屋面。屋面族制作过程

2.2三维模型的绘制

本项目中紫云阁是两层半框架结构，通过Revit软件绘制轴网，建立相应的结构族，使用放置构件、复制、镜像、偏移、阵列等命令根据CAD图纸完成三维模型的组装。三维模型的绘制第一步，就是建立标高和轴网。标高和轴网确定了该建筑物的高度和平面结构的位置，门窗、柱梁板这些构件需要以轴网作为参照布置，而标高也决定了构件摆放的高度，建立起准确无误的标高轴网有利于更好地绘图、布置建筑模型。

紫云阁为六边形状的亭阁，所以轴网为放射状的六根线，根据图纸确定紫云阁的层数及层高，从而绘制出标高。依照图纸上的构件数据，从族库中找出构件的族模型，将参数修改成该构件的参数，使之符合建筑实际情况，如果族库中没有该构件的族模型，则需要自建族，在Revit中的自建族编辑器里，根据古建筑的各个构件的特点，在二维平面，设置参照线或者参照面，通过拉伸、旋转、融合、放样等建模方法绘制出基本的三维形态，接着还可以设置构件的材料、材质和颜色，还原模型的真实性。接着，按照建筑布置要求和施工顺序，一次插入各个构件，依据轴网和标高，将其放置在准确的位置上。由于软件的真实性，需要先布置墙再放置门窗，先布置柱梁才能放置屋顶等，这样就建立起了一个完整的建筑模型。

之所以选择BIM技术，很大一部分原因是它的真实性，能还原古建筑中造型奇特构件的样式、材料材质和颜色，很大程度上给古建筑修复工作和建筑物信息化管理带来了便利。

2.3施工漫游视频制作

本项目的动画视频主要是施工流程和三维漫游视频。主要通过Revit软件导出格式文件，在Naviowork软件中导入格式文件，分别制作出动画视频。制作漫游视频基本步骤(由于操作性特殊，本例采用捕捉视点的方法完成最终的漫游动画制作)如下。

1)漫游至古亭阁门口，单击“保存视点”，从门口进入环视四周，期间根据合适节点保存视点。

2)走入古亭阁内楼梯，在楼上环视阁内，保存视点。后走入二楼重复步骤。

3)在“保存的视点”窗口中新建动画，并将其命名为“漫游动画”，然后将前面制作完成的视点移入动画内(注意截图前后顺序不能改变)，最后回到起始视点单击播放按钮查看动画效果。

4)如果动画效果满足要求，则单击“动画”选项卡中的“导出动画”，打开对话框，在其中设置“源”为“当前动画”、输出格式为WindowsAVI。最后另存为需要保存的位置。漫游图示如图9所示。

施工流程视频制作基本步骤:通过Revit导出DWF格式文件，在Naviswork软件中导入，自动转换成NWC格式文件，通过TimeLiner工具制作出动画视频。

3结语

建筑物信息进行三维虚拟数字化处理。与此同时，Navisworks古建筑是各民族的瑰宝，保护和修复刻不容缓。现代信息化手段的不断提高给予了保护修复工作巨大的支持。基于BIM技术，将古亭阁建筑以三维形式呈现，创建了翼角、屋面等自建族，真实有效地还原了古建筑的原貌，对古亭阁类的景观视点动画实现了模型的可视化，可以从人们观察建筑的角度来观察探索这个复杂的三维建筑物模型，动画修改更随意，更方便动态展示整个工艺流程和工程布置，为指导古建筑的保护修复工作和现代类似建筑物的设计建造提供了可行性方案。

参考文献:

[1]石若利.BIM技术、三维扫描技术、GIS技术在古建筑修复保护中的运用研究[J].软件，2020，41(9):123-126.

[2]杨振威，任克彬，刘晨辉，等.基于BIM技术的歇山古建筑信息模型的创建[J].山东建筑大学学报，2020，35(4):25-30.

[3]杨晓军，范广顺，王涛，等.BIM技术在古建筑保护中的应用研究[J].软件，2020，41(3):254-257.

[4]王英华，苏永玲.BIM技术在古建筑保护中的应用研究[J].沈阳建筑大学学报(社会科学版)，2019，21(6):610-615.

[5]赵华英，叶红华，赵冠一，等.上海玉佛禅寺修缮与改扩建工程中的BIM技术拓展应用[J].土木建筑工程信息技术，2014，6(1):101-105.

[6]王其亨.古建筑测绘[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.