基于HBIM的建筑遗产勘察信息成果表达

      养心殿坐落于紫禁城后部，始建于明嘉靖十六年，十位皇帝先后在此居住执政，是清朝政治、军事的最高权力机构中心，清代理政空间的典范。养心殿研究性保护项目注重跨专业合作、勘察设计精细化、全生命周期管理及数字化成果展示。如果仍使用传统的信息管理表达手段，大量的勘察数据、图片信息、分析数据、历史资料缺乏统一有效的管理，信息组织难免碎片化，更无法完成建筑全生命周期管理与数字化成果展示。因此，在养心殿值房勘察项目中，尝试利用HBIM1技术对精细、有序、可持续的管理与表达建筑信息进行探索。

      养心殿值房位于遵义门内、养心门外的狭长院落内，共三座：东北值房位于影壁西侧，共4间；东南值房平面呈曲尺形，共10间；西值房平面呈凹字形，共17间。值房均为四檩卷棚、硬山或歇山建筑（图1、图2）。

图1：养心殿值房位置示意

图2：由BIM模型与点云数据合成的值房鸟瞰

     综合《文物保护工程设计文件编制深度要求（试行）》的规定与项目需求，基于HBIM的勘察信息成果表达需满足如下要求：

(1）专题化表达：对汇总的各种信息分类梳理，在图纸上进行有规划有主题的组织。

(2）集成化表达：对各形式数据包括图片、文字、表格、照片等，在图纸上进行关联、对应、补充和整合。

(3）可视化表达：对建筑损伤病害的程度、处理措施、处理面积、干预史、特征与痕迹、年代检测、树种检测、点云数据、图像数据等信息通过可视化手段进行直观充分的表达。

(1）以往的勘察信息表达多是将各类构件的、多种病害信息混合的标注在同一张二维图纸上，或将相关构件的、同一种病害信息散乱的标注在不同的二维图纸上，仅依据构件是否在该图纸上可见，信息组织混乱缺少条理，图纸空间有限，标注引线杂乱。基于HBIM的勘察信息表达工作首先要解决二维标注方式与大量的、精细化的勘察信息之间的矛盾，探讨如何有序的表达勘察信息。

(2）在以往的勘察工作中，同类损伤病害现象的名称、不同种病害间的定义界限、病害的严重程度分级，多依靠勘察者的主观经验判断。要想基于HBIM的表达最终实现参数化与自动化，就要实现勘察信息一定程度上标准化。

(3）在传统的勘察成果中，图片、文字、表格、照片是相互割裂的，使用者和阅读者都很难直观的获取全面的信息，要解决这一问题，就要解决不同类型的数据之间如何产生关联。

(4）传统的二维图纸表达无法适应智能化、体验式的表达要求，不利于成果的展示与二次利用，需要探索更加优化的可视化表达方式。

勘察信息表达的有序化——专题图纸

       二维图纸的优势在于可以直截了当的提供建筑的基本形象，简单的建立起一个索引框架，用于标引详图，同时还可以作为各种专题图纸的底图。现代建筑的结构、设备等各专业图纸，实质上也是以建筑图纸为底图的专题图纸。

       利用HBIM技术可以将多张二维、三维图纸调用起来，为一个专题的表达服务，有序的表达勘察信息：

       利用HBIM模型可生成多种视图，勘察信息的表达就不必局限于平、立、剖面视图，可以按照构件类别、残损类别生成专题化图纸。每张专题图纸可以针对某一类、或相关联的几类构件，某一种、或相关联的几种残损现象，组织表达反映残损程度及分布的视图、明细表、文字描述和典型照片。图纸的专题与勘察工作的组织方式、勘察报告的写作等相对应，信息表达的逻辑更加清晰有序、主题明确、重点突出，且方便查阅。

      勘察工作的常见专题，按部位划分有：台基、墙、柱、门窗、梁架、屋顶；按图纸用途分类有：干预史、形制特征、历史痕迹、材质、表面装饰，残损现象、技术措施等；其中，残损现象的常见子专题有：歪闪、沉降、风化酥碱、糟朽、断裂、拔榫；而材质专题又可体现为树种分布分析、石料分布分析等。

勘察指标体系的标准化——残损关键词典

       要想基于HBIM的表达最终实现参数化与自动化，就要一定程度上解决勘察信息标准化的问题。为此建立的残损信息关键词典，可以使残损信息便于管理，便于检索，便于调用查看，便于历史状态及历次修缮干预的影响更高效实用地记录保存。

       残损关键词典（表1）是以相关的国家标准2和行业标准3、4为基础进行翻译编制的，在关键词典中，基于材料和修缮措施对残损现象进行分类，并对其进行描述、定义、编号、严重性的明确分级及显示特性等。残损关键词典的重要性在于它联系着勘察工作与HBIM最终成果，同时为专题的划分提供了依据。

表1 残损关键词典示例（部分）

勘察信息表达的参数化——双参数控制

       视图和图纸是由既定主题组织的，用不同的图形显示来表示。既要简洁、方便的定义过滤器，为图纸表达自动化打下基础，又要令图纸中的表格和说明文字通顺易懂，必须在项目文件中创建特定的参数。

      残损信息参数设置的难点是为一个构件对应多类残损信息的情况设计参数。

      这类问题的解决方案是设置两类参数（图3):

图3：专题图纸的参数设置

      用于控制构件图形显示的参数，由数字、词或词组形式表达；用于明确的书面描述的参数，由句子组成。两类参数的设置原则与专题化图纸表达的原则、残损关键词典的原则一致，既保证了可基于残损信息进行图形表达，同时又可用可读的自然语言进行描述（表2）。

表2“残损现象”与“残损描述”参数对比

      勘察信息的表达专题需要考虑已知残损的类别、数量和分布而决定，因此是灵活的，每个建筑各有不同。相关残损的组合也可以构成一个专题。

      以梁架单元为例（表3）：“残损现象”参数是为残损关键词设置的，简洁的收录该构件存在的病害类别及程度，仅用于操作，在图纸中不可见；而“残损描述”1至9则是为了9个（至多）专题设置的，是针对残损现象的详细描述，不仅在图纸上出现，还作为划分专题的依据：如图4、图5，分别是对应“残损描述2”与“残损描述5”的专题图纸。

表3 梁架勘察明细表局部示例

图4：东北值房梁架表层糟朽专题图纸

图5：东北值房梁架人为损坏专题图纸

勘察信息表达的集成化

       为使读者直观的获取全面的信息，在专题视图的基础上制作专题图纸，包含：构件明细表——包含构件的编号、位置、残损现象与描述，图像数据——典型病害照片，点云数据——如反应墙体倾斜、抹灰鼓闪情况的分析图像（图6）。还可引入其他信息来源的表达方式，如瓦顶勘察图纸中，引入柱状图与饼图来表达筒瓦釉色分布情况及瓦件残损种类的统计对比。此外，还要附加文字说明和勘察结论。由于HBIM模型的特点，集成化图纸上的视图、明细表、图像、文字等都是联动的。

图6：含有点云信息的东北值房墙体倾斜勘察图

      图纸的集成化表达主要分为两种情况：

(1）非大量性构件，专题相关信息较少：如梁架、门窗。图纸中一般完整的包含视图、图例、专题明细表、照片和文字描述。

(2）大量性构件，专题相关信息较多：如椽子、地面铺装。图纸中主要包含专题视图、图例、典型照片和文字描述（图7），附录中附上完整的残损情况明细表与专题图集相册。

      集成化的专题图纸改变了传统图纸信息割裂的格局，信息既条理清晰，又关联互补。

图7：仅含视图、图例、典型照片与文字描述的东北值房地砖开裂专题图纸

勘察信息的可视化表达——影子图元的应用

       HBIM是针对构件的信息索引框架模型，但实际工作中，损伤病害常发生在构件之间，为记录表达这类信息，引入“影子图元”的概念。影子图元的实质是构件本体外创建的分析图元。

      影子图元在可视化表达中的几类主要应用：

(1）对整体单元信息的表达，如台基、屋顶单元的基本信息。

(2）对构件间关系的表达，如构件发生位移，拔榫松脱等。

(3）对较大、较复杂构件（或构件组合）局部残损的表达，如门窗边挺抹头、铁件、望板的水渍区域等。

构件间关系的表达

      以往HBIM研究中表达柱子拔榫情况时，采用原位另置一影子族，再定义影子族的材质、颜色及位移量的方法。但是一旦需要表现大量构件的连接关系问题时，难免引起两套构件重叠带来的操作困难，参数信息重复，统计报表混乱等问题，违背信息索引框架模型的初衷。

      因此，当需要分析性现状模型与理想化模型对比时，采用在理想化模型中链接分析性模型文件（分析性模型文件作为影子图元）的方式。

      以东北值房木构架的轻微变形分析为例：将利用点云文件得到的标高、歪闪等数据录入影子模型来表达木构架现状，将影子模型同坐标链接至原始模型，通过直观比对对木构架整体变形情况进行表达（为进一步区分影子模型和原始模型，可进行材质处理，如图8中的半透明红色材质）。这样，分析用的模型文件作为链接，既不影响原有构件的信息，又可以进行直观的重合比对。

图8：东北值房柱偏移沉降三维示意图

构件局部残损的表达

      受表达深度的制约，当需要记录某构件的细节异常时，不应无节制的拆分细化，可利用影子图元更好的记录与表达勘察信息。

     当残损情况信息单一，表达重点在残损范围时，影子图元仅作为注释和标记，不代表构件，不承载信息，不参与列表，仅表示残损区域轮廓，图例文字说明残损信息（图9）。

图9：东南值房望板水渍分布图

      当构件或构件组合中存在多种局部问题时，影子图元代替构件局部，承载残损信息并参与报表，以东南值房门窗（图10）为例：在门窗立面图上利用“详图项目”圈画影子图元作为符号代替门窗局部（如糟朽的下槛、拔榫的隔扇边抹、松动的合扇）等录入相关参数，同时通过“关联构件标记”参数与所在门窗建立关联。

图1 0：东南值房门窗局部损伤病害勘察图

      这种将含有信息的影子图元依附于二维图纸的方式，具有将HBIM应用于二维图纸信息化的潜在价值，能够在已有的二维表达习惯和将来的多维信息化表达之间做好过渡，利于BIM技术推广。

整体单元信息的表达

      在勘察工作中，一般将建筑分为五大基本单元——台基、木构架、屋顶、墙体、装修。但BIM模型中，这些单元是由不同构件组成的整体来体现的，因此承载整体信息的模型并不实际存在。可以利用影子图元记录表达其形制特征与残损信息：为每个基本单元设置一承载整体信息的影子图元符号，作为“信息板”记录整体单元信息（图11）。基本单元与专题化表达分类方式一致。

图1 1：承载东北值房台基单元信息的信息板

(1）将HBIM技术应用于养心殿值房勘察工作中，打破了勘察信息无序化、割裂化的二维标注的传统表达方式，生成了具有高效性与一致性的可视化、专题化、集成化成果，证明了将HBIM技术应用于勘察工作的可行性。

(2）养心殿值房勘察的实践对HBIM在勘察信息成果表达过程中出现的细节问题提供了解决方案：如创建了残损关键词典，为进一步实现图纸表达的标准化与自动化打下基础；提出了双参数控制的技术路线，实现了利用参数进行图纸的可变表达，有利于最终建立由EXCEL表格到专题图纸生成的直接映射；利用影子图元进行构件间关系、构件局部残损和整体单元信息的可视化表达。

(3)  HBIM技术可以在已有的二维表达习惯和将来的多维信息化表达之间做好过渡，有益于HBIM技术在建筑遗产领域的大面积普及。

(4）希望能够丰富勘察信息的多样化表达，有更多感知性、沉浸感的表达形式，能够更加直观、立体的展示古建筑信息。并以此推广到施工记录、竣工报告、专家评审、大众参与等建筑遗产保护工作的其他环节成果中。

(5）希望能够进一步完善勘察信息成果表达的标准化与自动化，最终实现勘察信息直接映射生成专题图纸，甚至开发建筑遗产勘察专用APP，更好的为建筑遗产保护工作服务。