中国古建与BIM的隔空击掌?快来认识这位「老法师」

你好,这里是 BIMBOX。 今天想和你聊一位很厉害的人,他用了将近 20 年的时间,在一条少有人走的路上开出一片天地,也在古建筑 BIM 这个领域立起了自己的名号。 他的名字叫陆永乐,浙江同

你好,这里是 BIMBOX。

今天想和你聊一位很厉害的人,他用了将近 20 年的时间,在一条少有人走的路上开出一片天地,也在古建筑 BIM 这个领域立起了自己的名号。

他的名字叫陆永乐,浙江同仁建筑设计有限公司的副总建筑师。

中国古建与BIM的隔空击掌?快来认识这位「老法师」

今天的内容,来自于他在「第一届虚拟设计与建造研讨会&BIM 技术创新发展高峰论坛」中的主题演讲,以及我们在会后对他进行的专访,以下所有涉及到项目的图片均为陆永乐先生的原创图片。

陆永乐在很多场合都说,自己不是做BIM的,而是一名把BIM作为工具的建筑师。

他接触的项目类型很多,从住宅小区到写字楼都有涉及,不过因为古建类项目做得很突出,所以圈子里都是从这个领域认识的他,邀请他分享也是以古建BIM的实施心得为主。

很多建筑师的理想是有一天不用画图做设计,而陆永乐却一直很喜欢做设计,尤其是对三维设计很感兴趣。

大概在2002年左右,国内还没有什么BIM的说法,他感觉到用CAD二维画图有很多不必要的流程,后来接触到 ArchiCAD,一发不可收拾地喜欢上了这种新的工作方式,自己掏钱买了一套ArchiCAD 8.1版。

陆永乐相信,受到外来设计思潮的影响,一名做着最传统设计工作的建筑师,掌握最先进的计算机技术,将会是未来设计师职业出路的重要突破口。

他和古建结缘,有很大原因是因为他在杭州工作,这里有很多名胜古迹和历史建筑,当他们研究古代建筑营造方法,并与现代设计技术结合的时候,提供了丰富的营养。

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这些年随着国家大力提倡发展文化旅游行业,市场中大量涌现出利用现代科技来设计、保护、翻新古建的需求,陆永乐接触过的项目类型主要有寺庙、摄影拍摄基地、还有以政府为投资主体的公园内建筑。

外行人看古建筑很异型、很复杂,但在内行人眼里还是有门道的。钻进去研究就会了解,古建定式和构件都是相对标准化的,营造的思想也是从细节开始,确定各个构件的尺寸和比例,再严格按照模数制进行制作生产。

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宋《营造法式》、清《工部做法》等经典中,给出了建筑材份制与权衡制。

所谓材份制,是古代房屋整体和构件尺寸的基本计量单位。官方把建筑的规模、单体房屋的形式、房间大小、台基栏杆、斗栱脊瓦、彩画装修,甚至于木构件的截面尺寸等,都作出了严格的等级划分。

比如《营造法式》中,官方就将建筑尺度划分为十一「材」级,所有建筑尺寸都用「份」作为基本单位定出标准,6 份为 1 栔,15 份为 1 材。

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而所谓权衡,是官方将房屋各部位尺寸和构件尺寸,都在材份制的基础上规定了一个比例倍数。比如柱径与斗口、面宽与进深、柱高与柱径等等都有严格的比例规定。

这种制度规范了古建筑的营造,让房屋的大小、等级和造价都有了精确的控制,而这,也成了陆永乐用现代技术实现古建设计的基础。

一般人很难想象,在看似飘逸灵动的古建筑背后,还有这样严丝合缝的数学框架。

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这正是因为古建都不是现场浇筑,而是先按照「份」和「材」计算,各生产流程制作构件,再到现场拼装出完整的建筑。

有趣的是,这种生产方式在千百年后,遇到了参数化、智能化设计,古今的智慧穿越遥远的时空,擦出了新的火花。

陆永乐就是这样一个擦出火花的人,他手中的火柴,就是 GDL。

在陆永乐还在自学研究 ArchiCAD 之前,就已经遇到了古建项目。当时用 CAD 很多构件都很难设计表达,在发现了新工具之后,陆永乐又找到了学习的动力和兴趣。ArchiCAD 并不是专门做古建的软件,需要有针对性地去做大量的古建构件库。

ArchiCAD 内置的可视化构件创建工具叫 GDL,全称是 Geometric Description Language(几何描述语言),用它可以创建参数化构件。

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与 Revit 的族类似,GDL 构件对象也可以通过一系列的参数来驱动形体,并且可以通过预设好的参数,可以变化出很多个不同的构件,来适应不同的实际需求。

不过使用 GDL 创建参数化构件,需要懂一点编程语言,所以在国内早期会用的人并不多。

陆永乐早在 2003 年左右就对编程产生了浓厚的兴趣,曾经用 LISP 语言编写过程序,对编程的思路也有一些基础,GDL 又是建筑师与数学家合作开发的语言,对建筑师比较友好,总的来说自学上手不算太难。

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通过 GDL 语言,他们从最小的构件开始,按照材份等级设计构件变量参数,定义好唐、宋、清的尺寸与现代公制换算关系,再进一步编写 3D 形状、2D 符号、材质、线型颜色等属性,按照要求把构件从小到大进行拼装嵌套,最终完成古建筑的搭建。

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对于那些相对自由变换尺寸的构件,利用 GDL 的热点拉伸功能,设置了关键热点,可以在设计窗口中直接拖拽这些热点,相关联的尺寸参数会按照规则实时发生变化。

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为了完成这项浩大的基础工作,他们查阅了大量的古建文献,观摩研究现存的古建,请教资深的老师傅,先把这些知识内化到自己头脑里,再通过设计师的空间想象力、几何能力和编程能力,把这些知识固化到构件库里。

举几个例子来说说他们具体做的事。

斗拱

斗拱是古建筑上特有的构件,是柱子与梁和屋顶之间的过渡承重部分,同时发挥着结构功能和美学功能,在唐代发展成熟之后,便规定为皇家建筑专属构件,民间不能使用。

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斗拱的类型很多,主要是由斗、升、拱、翘、昂等基本构件组合变化而成,直接用 GDL 编写成型,对尺寸变化做参数定义。

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GDL 本质上是一个编程系统,为了提高设计阶段的效率,他们还进一步编写了构件的可视化选择界面,把参数代码封装成图标、列表、按钮和文字,这样其他人在修改和选择构件的时候,可以不用输入代码,直接选择朝代、样式、尺寸等参数,生成对应的构件。

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唐、宋、清等不同朝代的斗拱做法区别很大,比如宋代会根据外挑的层数分为四铺作、五铺作、六铺作等,根据华拱出跳的数量分为单杪、双杪、三杪等,根据出挑构件的方向分为上昂、下昂等,又根据横拱的放置结构分为偷心造、计心造等,变化非常多样。

他们把各种构件按照不同方式组合到一起,做出了完善的斗拱构件库,把 2D 和 3D 的表现形式、剖面样式、材质等都做了参数可视化选择界面。

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屋顶

古建的屋架和翼角是建模的难点,每个古建筑的屋面都千差万别,甚至有些项目情况不允许按照古法的尺度来设计,一次性建模不难,难在要用参数化来应对千变万化的形式。

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在 GDL 里面,他们编写了大量的嵌套关系和三角函数变量,也把编写好的构件做了可视化选择界面,这不仅要对古建形态做大量调研,深入了解屋架和翼角的样式规范,还要有相当的立体几何和数学能力。

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利用 GDL 处理复杂系统的能力,整个屋架既可以直接调整撒网椽起点、布椽密度、翼角出檐等参数,还可以在项目里直接拉伸热点,所有构件都按照拉伸自动排列生成。

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根据不同项目的要求,又继续把屋面上的瓦片做了深化,梅花形勾头、小青瓦或者滴水的勾头样式,都可以直接在界面里选择,还可以用数值控制瓦片密度、圆滑度、瓦提升高度等参数。

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门窗

古建的长窗由夹堂板、心仔、裙板三部分组成,门则是由裙板、夹堂、心仔等组成,框料截面也有很多种。通过编写可视化的门窗部件,让各种构件和框架截面自由组合出几十种门窗样式,用参数直接控制长、宽、厚度等数值。

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栏杆

古建的栏杆分为室内木栏杆和室外石雕栏杆,样式很丰富,他们也编写了可视化部件,通过预设的立柱和栏板组合,可以有多样的变化,还可以在布置完成之后随时更改样式。

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在创建栏杆系统的时候,陆永乐独创了两个算法,一个是通过热点拉伸,让线段内自动增加节点,二是让栏板在线段内自动匹配。这样在做设计的时候,无论是平面上的端点、中间点,还是调整高度的关键热点,都可以随意拉伸,栏杆扶手跟着自动生成。

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除了这些之外,他们还完善了明台、踏道、柱子、屋顶配件、石作构件、五金构件、室内外配景等构件的建模和可视化编程,形成了 19 个大类别的参数化构件库。

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在经常做 BIM 模型的人看来,这些都是很基础的构件准备工作,了不起的地方就在于,要把古建千变万化的构件形式总结出用数学描述的规律,用参数化的手段建立起来,还要编写可视化的界面,最终形成一套高效快捷的设计工具。

每年,陆永乐都至少能接到一个仿古项目,不断提高团队的设计工作效率,随着项目越来越多,也积累了越来越多的古建筑参数化构件,形成了自己独特的数字资产。

有了这些积累,加上 ArchiCAD 优秀的建筑设计功能,团队中的设计师可以用三维方式直观地理解空间关系,上手速度也非常快。

2017年的甘肃永昌文庙,设计为三进院落的形式,包含儒、释、道三教文化教育展示区,三教结合最好的朝代始于唐朝,项目又正好位于古丝绸之路上的甘肃,唐代的丝绸之路文化意象,与当今重提的「一带一路」建设遥相呼应。

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唐式建筑的整体风格雍容大气、质朴归真。把对传统文化的理解融入到建筑、院落空间的设计中去,是项目设计的核心。为了做这个项目,他们恶补了传统文化知识,结合当地的环境特点、民俗风情和文化底蕴,提炼出项目设计的方向。

整个项目是规模比较大的仿唐建筑群体,包含庑殿重檐、歇山重檐、十字歇山、悬山、长廊等。利用手中准备的参数化构件库,可以在建模的同时开展设计,过程中也能快速调整方案。

项目的屋顶通过参数的调节来满足要求,钟楼、鼓楼、角楼等配套建筑和细部部件也都在三维模型里设计完成。

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在三进院落里,模型的每一片瓦、每一个斗拱都是实体显示,依靠 ArchiCAD 优秀的模型承载性能,可以很流畅地运行,当时的渲染图是用 ArchiCAD 模型在软件内直出的。

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对于建筑专业来说,有了三维模型,出图就是很简单的事了,施工用到的所有 dwg 图纸,都是从 ArchiCAD 直接导出。

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2018 年的广西柳州窑埠古镇项目,基本建造思想为「再现窑埠老镇古朴风貌,古埠码头昔日繁荣」,是柳州十大重点工程。

其中的观光阁是小镇的点睛之笔,采用高台基、三层重檐、四面歇山顶的造型,高度达到 30 多米,内部功能为餐饮、商业、以及观光平台。

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建筑设计为仿唐风格,盛唐时期的建筑群格局很开阔,楼阁造型饱满浑厚,木构的力学条理明晰,装饰风格端丽大方。

查询资料时,他们在唐画家李思训的《江帆楼阁图》,以及李昭道的《洛阳楼图》中借鉴意境,设计为高台式四层楼阁的外观。

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设计风格上尽量保持唐风遗韵,构筑上也借鉴了宋营造法式的一些做法。建筑采用一等材,斗拱样式为转角辅作单杪三下昂、柱头辅作单杪双下昂,依然是全部图纸从 ArchiCAD 模型中直接导出。

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因为属于高层建筑,还需要两部疏散楼梯和直通顶层的电梯,所以楼层面积的设计要结合古法和现代建筑规范,他们利用描绘参照功能,在画上层构件的时候可以参照下一层,很像建筑师在硫酸纸上描图。

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楼层划分上需要表现斗拱层和屋面层,在传统设计方法中画斗拱平面图比较简单,仰视图就很麻烦,需要把整体翻转过来重画,而利用 BIM 模型可以很容易出仰视图,不需要手动翻一遍。

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这个项目里,也用 ArchiCAD 导出了 BIMX 格式文件,它是把模型和图纸整合到一起,可以在三维模型的任意位置查看对应的图纸,也可以在手机、iPad上随时查看,在做方案演示的时候很方便。

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此外,他们还使用 ArchiCAD 和 Twinmotion 配合,模型和渲染分屏联动,快速制作精美的动画。

陆永乐说,在古建项目与甲方沟通的时候,因为要涉及到很多韵味和意境在里面,优秀的动画渲染是很有必要的,同时在设计工期紧张的时候,使用便捷的工具在每一次修改中快速呈现效果,也是提高效率的重要手段。

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这个项目目前已经完工,成为了国内第一个被 GRAPHISOFT 公司收录在官网上的经典案例。

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他们积累的设计方法、参数化构件库和渲染技术,都在后来 2020 年的山东曹县白衣阁项目中得到了更成熟的应用,无论是整体的设计韵味还是细节的精准程度,都达到了很高的标准。

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最近两年,陆永乐开始尝试把点云技术纳入到古建设计的流程中来,他分享了两种工作方式,对应两种工作场景。

➤ 第一种应用是整个建筑物的点云数据采集。

在一个仿古建筑屋顶改造项目中,他们使用无人机点云采集技术配合 GDL 参数化构件,提高了改造设计的效率。

这个改造建筑处在风景区,屋顶部分与园区整体风格不协调。因为建筑物本身年代久远,已经找不到设计图纸,「翻模」的工作没办法展开,加上古建的屋顶、檐口构造比较复杂,不像现代建筑容易测量尺寸,这时候用点云来辅助建模就是个很好的选项。

项目中用的是小型无人机,配置不算高,没有自动避让的功能,而建筑物附近的树木比较茂盛,还必须请人来手动操作无人机飞行。

他们把采集到的点云数据直接导入到 ArchiCAD 中,软件对点云的支持很好,不需要转换,模型进来之后可以任意旋转、测量,为下一步的设计提供依据。

从数据来看,搭建部分的屋顶材质是彩钢板,坡度也不够,跟整体的园林风格很不相称,同时又带来了净高低、光线暗的问题。

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进一步提出的改造方案是,整体建筑尺寸保持不变,建筑风格沿用江南宋式风格,屋顶采用歇山顶型制,侧面加高窗,增加采光量。

正如前面说到的,古建的定式和构件都很标准化,参考点云模型,懂行的人只要找到对应的部件,参数调整尺寸再拼接就能比较方便地完成建模,这时候参数化 GDL 构件的能力就可以发挥出来了。

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以三维点云数据作为参考,再从建模软件中找到对应的构件,建立出模型,陆永乐把这种工作方式称为「匹配建模」。

基础模型完成之后,就可以正式设计改建的屋顶部分了,这里走的就是正向设计的流程,沿用前面的构件参数,就能很快搭建出符合形制的建筑模型。后续的改建方案设计也就顺利多了。

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➤ 第二种应用是采集人体大小范围内的小构件,比如雀替、栏杆、石雕等。这些构件形体比较复杂,手动建模会花费很多精力,很适合用点云采集数据,完善自己的构件库。

这种方式采集点云数据,甚至不需要专门的无人机,因为物体不算大,对精度要求也没有建筑构件那么高,只要用手机围着物体拍一圈,再用软件处理一下就可以生成,积累这种构件库的效率很高。

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点云模型就是一系列带颜色的空间坐标点组成的,所以在渲染的时候不会反射光线,需要转换成 dae 或者 obj 等面片格式的模型,才能正常渲染。

在古建筑的渲染和展示环节,有了这些古色古香的构件,会显得整个设计灵动很多,也更能表达出设计的意境氛围。

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看了陆永乐一路走来的过程,可能有些小伙伴会想,这也没什么大不了,就是用三维软件做设计,没啥 BIM 的高级应用嘛。

而我们觉得他了不起的地方,恰恰在于抓住技术应用的一个方向,把它做专、做深。

陆永乐在很多场合强调,自己不是做 BIM 的,而是一名建筑设计师,对于他来说,用 BIM 作为工具,把设计做好,完成那些之前很难完成的项目,才是最有成就感的事情。

在我们刚入行的时候,曾经听不下三位前辈说:古建筑那东西,形体没规律,构件太复杂,BIM 做不了,别去碰。

陆永乐也坦言,刚刚面对古建项目的时候,和所有人面对同样的一团乱麻。但他没有着急否认,而是边行动边尝试——形体没规律,就去学习和总结规律,构件太复杂,就一点点写参数、敲代码。

他用行动证明,古建不仅可以做 BIM,而且可以做得很好,不仅自己做了,还把方法都拿出来分享。

当这些知识从古籍中走出来,变成了可以复用的数据,这就是我们常说的数字资产。

如今的他和团队,因为拥有了这些数字资产,所以会有更多的项目慕名而来,他们也能在项目中不断精进自我,进入了螺旋上升的过程。

在传统行业中,发现一条别人不愿走的路,挖掘其中的知识,积累成数字资产,在不断的实践中让资产的价值持续提高,行业中类似这样值得重做一遍的事还很多,条条大路留给那些不轻易「Say No」的、勇敢的人。

今天的内容就分享到这里,有态度,有深度,BIMBOX,咱们下次见!

主题测试文章,只做测试使用。发布者:rekoe,转转请注明出处:https://www.mulub.com/5321.html

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