商墩江
(厦门大学 嘉庚学院， 福建 漳州 363105)
建筑遗产管理信息可视化的发展正在优化建筑遗产的保护管理模式，现阶段国际古迹和遗址理事会(International Council on Monuments and Sites，ICOMOS)优先提倡人们广泛应用这些技术用于保护遗址。传统的建筑遗产保护中的一些方法思路被集成到数字信息化技术中。此外，越来越多的研究人员将建筑信息建模(building information modeling，BIM)技术应用在管理建筑信息化全生命周期。BIM同样运用在建筑遗产的保护和修复中，称为历史建筑信息可视化(HBIM)[1]。由于对建筑遗产保护规律的误解及长期以来对维护和修复的错误观念，许多工匠认为，建筑遗产的修复工作意味着必须使其完善到人们无法认识到它已经损坏。其实，建筑遗产的保护和修复重点应该是对其遗产的历史价值和真实现状的保护。探讨历史建筑组件属性与其真实性和历史性有关，是本研究的目的之一。
国内外学者基于HBIM技术在建模、算量以及数据转化、计算机数据与实践问题关联度等方面开展了相关研究，欧美国家在HBIM的实践应用积累了大量的资料，如在意大利的蛇圣玛丽教堂、Collemaggio大教堂和帕尔马大教堂等典型案例中，体现了HBIM技术在建筑遗产风险管理中的模型创建、信息分类、数据管理的优越性。国内在最新关于HBIM技术的研究中，相关学者在建筑遗产数据采样、复原等基础上，着力研究建筑遗产数字化信息数据库平台和数字化信息展示模式，如王茹等研发古建筑信息模型设计平台，吴葱等基于HBIM技术的跨平台信息化测绘。
通过分析国内外研究案例，从闽南建筑遗产构件特性研究入手，引入类图与本体论的知识分析理论，将建筑遗产的构成元素系统分类为类图和知识本体图谱体系。通过从组件的规模定义面向对象的类图和本体，使HBIM系统中的类别、族的计算机管理语义与建筑遗产的知识图谱相统一，为建筑遗产的组件信息建立HBIM模型仿真的数据库，用户通过浏览和操作HBIM模型的数据平台实现对建筑遗产的数据仿真管理。本文通过对“大夫第”历史建筑单体构件的HBIM模型仿真平台设计开发，验证基于类图与本体论的HBIM在建筑遗产仿真管理的可行性，并通过使用HBIM数据管理平台与传统纸质记录法的比较，说明其具有提高建筑遗产数据管理的使用经济效率。
1.1 历史建筑信息可视化(HBIM)
HBIM用于协助建筑遗产的保护或修复。除了建立建筑构件的三维模型仿真外，还必须考虑建筑遗产组件的历史信息仿真。在当地文化传承中，建筑遗产的历史艺术价值是其重要的传承路径，可以有效地传承与保存历史文化。例如，在建筑遗产的斗拱组件的情况下，可以提取建筑物制造方法、维修者姓名和斗拱组件几何模型特征的内容[2-4]。但是，目前的HBIM软件中不存在这些属性设置。在这方面，有许多研究都探讨了建筑三维模型的最终精度或模型的获取过程。然而，对建筑遗产组件的重要历史信息的研究较少，尤其是利用几何模型特征保存历史信息。本研究旨在构建一套建筑遗产档案的数字管理仿真模式。
1.2 面向对象类图
类图(class diagram)显示了模型的静态结构，特别是模型中存在的类、类的内部结构以及它们与其他类的关系等。类图不显示暂时性的信息。类图是面向对象建模的主要组成部分。它既用于应用程序的系统分类的一般概念建模，也用于详细建模，将模型转换成编程代码。类图也可用于数据建模[5]。
行业互操作性联盟(IAI)应用面向对象的程序设计(object oriented programming，OOP)开发行业基础类(IFC)。通过IFC，在建筑项目的整个生命周期中提升沟通、生产力、时间、成本和质量，为全球的建筑专业与设备专业中的流程提升与信息共享建立一个普遍意义的基准。IFC标准为AEC/FM行业提供共享的标准数据模型，已得到ISO的认证，编号为ISO/PA16739，成为建筑行业认可度非常高的数据交换与共享标准，如图1所示。该标准通过OOP的概念证明了建立建筑组件和类之间关系的可能性[6]。
图1 IFC建筑模型识别图(ISO 16739—2013)
本研究试图利用OOP的概念建立建筑遗产组件的类图，以详细描述建筑遗产属性的价值和组件内的结构关系。以此清晰地梳理中国建筑遗产信息管理的标准数据模型。
1.3 知识本体论
知识本体是领域概念及概念之间关系的规范化描述，这种描述是规范的、明确的、形式化的及可共享的。“明确”意味着所采用概念的类型和它们应用的约束实行明确的定义。“形式化”指知识本体是计算机可读的(即能被计算机处理)；
“共享”反映知识本体应捕捉该领域中一致公认的知识，反映的是相关领域中公认的概念集，即知识本体针对的是团体而非个体的共识。目前并没有所有用户遵守的本体标准(ISO类)，为了更好地定义本体以避免概念误解，可以由同一或不同领域的几位专家定义本体知识。
在许多类型的本体语言结构中，OWL是一种定义和实例化“Web本体”的模型语言。通过对增加关于那些描述或提供网络内容的资源的信息，从而使网络资源能够更容易地被那些自动进程访问。此外，该OWL模型通过发布到互联网云平台，供其他专家浏览和进一步研究，最终提高模型的数据信息仿真互操性[7-8]。
本研究旨在通过本体模型阐明建筑遗产的构件类之间的关系以及类的属性，以及在本体模型中植入基本的历史信息，将本体模型转换成计算机信息化可读语义并提高其数据信息自动化。最终将该本体模型推广为建筑遗产的标准规范，使用户可以通过该模型自动查询建筑遗产组件的层次结构、构件之间的关系和构件内部的历史信息。
2.1 建筑组件的数据仿真结构
建筑遗产保护的数据管理仿真研究，核心数据是采集建筑构件部分和历史文化信息，并在建筑遗产内应用HBIM概念。例如，闽南风格建筑构件信息在成为HBIM系统中的组件之前需要详细定义类图与本体。本研究以闽南式祠堂——“大夫第”建筑遗产为研究对象，通过对传统的闽南风格建筑数据采样分析，其根据结构属性大致分为承重和非承重构件，承重构件主要作用于承载屋顶或建筑物本身的重量，自上而下依次为屋顶、木构件、墙体、石基。木构件是建筑中最复杂的结构件，可分为椽、梁、斗拱、柱和柱基。本研究通过修复工作报告对“大夫第”进行数据采集，除了建筑部分，同时对历史文化信息进行了调查。总之，本研究定义了闽南风格建筑组件的数据仿真结构。
2.2 构建建筑组件的类图和本体
通过建立类图和本体以此表示和阐明建筑组件的数据仿真结构。采用统一建模语言(UML)建立该图。由于定义和要求引用了闽南风格建筑的分类方法以及历史建筑模型指南，用于建立本体的软件是Protégé软件[9]。它是由斯坦福大学开发的用于编辑和获取知识的软件，Protégé软件通过使用本体语言为OWL并可以结合许多插件功能，其是现阶段应用最广泛的本体编辑软件之一。正如第2.3节的描述，类图和本体的设计模型概念都是建立在以研究闽南样式的建筑遗产数据仿真结构，通过3.1节归纳的建筑组件中，选取其中斗拱构件为研究示例，在本体中构建单个建筑构件演示设计HBIM模型概念。
2.3 创建HBIM模型数据管理仿真库
该数据仿真库的适用对象是负责建筑遗产保护的利益相关者，保护专家、管理者和维修者。而鼓浪屿地区当前传统数据库并不能满足现有HBIM模型数据库的功能和信息。例如 “大夫第”的建筑信息可以在鼓浪屿管委会文保科档案中心系统中找到。通过调阅查看，该部门的档案数据中记载的建筑信息仅限于对“大夫第”的基本介绍，通过走访调研得出鼓浪屿地区尚无记录已建文物建筑的历史信息数据库。虽然越来越多的研究将HBIM应用于建筑遗产的保护和管理，但与数据库创建方法相比，HBIM模型在科学归档数据自动化仿真方面的控制和适应性仍然较少。
数据管理仿真库是相关采样数据的自动化集合，数据是可以处理产生信息图形的事实和数字的集合。普遍意义上，数据代表可记录的事实图形，数据仿真有助于产生基于事实的建筑遗产信息。数据库类型包括单表数据库和关系数据库，单表数据库在处理复杂和大数据的同时将花费更多的内存空间和冗余[10]。本研究选择关系数据库来存储历史信息，使用的软件是My SQLWorkbench ver.6.3.6，数据管理库的结构是基于类图，数据来自“大夫第”的报告。
2.4 创建3D模型和集成仿真平台
通过对建筑遗产数据采集在HBIM模式中建筑组件属性在其3D模型中排列，3D模型不仅真实再现建筑遗产的现貌及原貌，而且可以自动化显示阶段维修期的位置、体积、材料或管理信息等几何规则数据。如果建筑模型不复杂并差异很小，所得到的建筑模型在精度方面比测量技术好。然而，闽南样式的建筑遗产除了基础构造外，大多存在大量装饰和雕塑，如何做出选择取决于遇到的现实情况。本研究的目的是建立一个HBIM模式在闽南风格建筑遗产保护的数据管理仿真模式。仿真模式的可行性是研究的重点，而不是模型的准确性。因此，研究构建组件3D模型的创建方法现阶段通过使用Autodesk Revit软件中生成，将3D模型直接构建在建筑遗产数据仿真的HBIM环境。本研究以“大夫第”建筑遗产的斗拱构件修复与开发为例，测绘二维CAD图是三维模型的基础。图2显示了2D中斗拱组件的示例。
图2 建筑遗产斗拱构件CAD图
通过将建筑遗产的3D模型数据及与之相关的历史文化资料和修复报告进行系统整合，创建自动化集成平台。该集成平台通过使用者调阅建筑遗产组件信息，该组件3D模型和历史信息同平台显示、浏览和操作。集成平台核心为根据与建筑遗产管理的利益相关者要求进行功能开发：①数据集成平台动态显示连接MySQL数据库和3D模型。②管理使用者通过数据集成平台可以调阅数据库中的表格和HBIM软件中的模型。
3.1 建筑遗产组件的数据管理仿真结构
建筑遗产组件的属性数据仿真结构包括建筑遗产物理属性和建筑历史文化属性。物理属性是建筑构件的几何信息或空间信息，可以通过采集生成实体进行分析研究；
历史文化属性是来自建筑遗产的文献或报告的信息，包括建造构件的工艺、使用的工具与材料、参与工程的工匠、建筑遗产的使用者和使用情况、维修报告等。对于建筑遗产的历史文化本体知识外的特殊信息，可以增加定义本体知识，以获得更完整的数据结构。延伸值部分是该建筑遗产在当地文化、历史、艺术、科学和教育等领域中的学术研究，如图3所示。
图3 建筑构件数据仿真结构
3.2 建筑遗产构件的类图格局
建筑遗产的类图是基于构件的数据管理仿真结构，建筑基类还有许多不同信息类型的其他子类，不同的建筑基类有14个基本子类的建筑遗产数据管理仿真类图格局。本文以“大夫第”建筑遗产中的斗拱元件为研究示例说明，其类图格局依次分为建筑基类、部位构造子类、斗工子类。
1)建筑基类。该类为描述建筑遗产的基本属性，其代表整个建筑遗产的物理属性。此类管理大量的建筑遗产数据属性，在本研究中只列出了最基本的属性，例如名称、地址、管理单位和关系人员。构成整个建筑类下又包括3个物理子类，分别是构件子类、表面处理子类和部位构造子类。
2)部位构造子类。建筑遗产有不同类型的部位构造子类型，如屋顶、木结构、墙壁等。这些部位构造子类有名称、描述、施工日期、图案等。施工日期包括这个部位构造子类型在不同时期的维修时间，并且这个属性与“时间”子类相关，其他具有“施工日期”属性的类是相似的。样式属性是指建筑遗产的风格，在建筑遗产中，即使建筑风格相同，不同的工匠、工艺之间也有不同的作法。
部位构造子类的差异是属性的值，因此在图4中，“元件”子类是为了区分不同的建筑遗产部位结构子类而建立的。元件子类通过“类型”属性与部位构造子类相关，在这种情况下，不会有不同类型的部位构造构建冗余子类。元件子类在部位构造类下存在不同的结构并有不同的类型代码。在本研究中，选择了木结构的斗拱元件来演示部位构造子类。
3)斗工子类。表示制作木结构属性的部位构造子类。木制元件类型是斗工子类的基本组成部分。为了清楚地记录斗工子类规模信息，这些木制元件类型构造往往比较复杂，以至于斗工子类比其他子类具有更多的属性。以斗拱元件为例，该元件类型包括样式、名称、ID、材料、施工日期、油漆、工匠、工具、修理、描述、工艺等。同时斗拱元件中材料属性与建筑基类下的物料子类连接，此材料属性同时包含在物料子类下统一管理。
3.3 建筑遗产构件的知识本体
Web本体语言OWL是一种定义和实例化“Web本体”的语言，OWL中类的属性与类图相同，OWL本体的优点是能够对建筑遗产做推理的工具。OWL中的数据属性表示建筑遗产类图对象属性，对象属性表示不同建筑类之间的关系。在图5中看到对象属性“has_artisan”用于显示对象属性的结果。在图5中，有几个类的对象属性值为“has_artisan”，它们根据这个属性与“工匠”类相关，在对象属性的域中设置。以此每个类都可以与其他类关联，以满足知识本体的要求。
图4 构件、结构和代码类的组织
图5 “has_artisan”对象属性
通过在Protégé软件中编辑Web本体语言OWL并将其推送到语义网应用本体知识。建筑遗产的类图与本体使用GitHub和本体论的方法。用户首先通过对建筑遗产构件数据归类并将其本体文件上传到GitHub，然后将数据存储库分拆到本体论网站，最后，本体论网站将本体文件上传到GitHub：W3id.org中的W3C服务器。此外，Web本体语言OWL还根据本体文件生成许多有用的数据文档，如词汇表的评估和可读的本体文档，这些功能对于进一步应用和促进数据的仿真互操性非常有用。于此同时，为了确保知识本体显示正确的数据信息，知识本体的定义范围必须由相关专家定义。在本研究中，建筑遗产的知识本体基于建筑数据管理类图格局在内的历史数据的参数化库。
3.4 建筑遗产组件参数化数据管理仿真库
数据管理仿真库的结果显示在增强实体-关系(EER)图中，以便更好地理解数据管理仿真库中的图信息和关系信息。EER图是在数据库建立之后生成的，不像一般的实体-关系图，在建立数据库之前用于显示蓝图。MySQL Workbench 6.3软件中的一个名为“逆向工程”的函数生成了EER图。由于EER图的复杂性和表数量庞大，为了演示整个图的组织结构而提取了EER图的一部分。
图6显示了工艺信息表的组织。砖砌和雕刻是工艺的子类，属性“工艺ID”是子类的外键，由于工艺的许多属性都与工艺类的许多属性有关。这样，虽然在工艺表中无法看到使用该工艺的工匠，但在数据库中浏览后可以找到它，以此可以充分发挥关系数据管理仿真库的优势。
图6 建筑工艺部分的关系数据库
该数据管理仿真库中的数据来自1986年和2006年“大夫第”的翻修报告。将报告中的数据按其表导入数据库，对数据库的评估进行了一些基本的搜索。例如，如果用户想查找有关组件的信息，则将显示组件的属性。
3.5 3D建筑模型和集成仿真平台(HBIM)
通过使用Autodesk Revit软件建立基于“大夫第”二维CAD图的建筑构件三维模型。其模型物理属性将自动化显示在HBIM模型。3D建筑模型及三维斗拱元件结果可以在图7和图8中看到。图7显示了建筑遗产斗工子类下的斗拱元件的三维模型，根据图类和本体框架，对三维模型设置对象属性参数。如果Revit中的建筑遗产数据库不匹配，可以根据二维CAD绘图中的数据设置基本的测量属性，最后还需要添加该材质。通过绘制“大夫第”的所有组件后，可以使用这些组件来建造历史建筑仿真。图8为“大夫第”正门。
图7 “大夫第”建筑构件仿真实例
图8 “大夫第”建筑遗产正门仿真
从建筑遗产组件的角度出发，基于类图与本体论的研究合理分类建筑遗产构件属性。从构件的规模定义面向对象的类图和本体，以澄清概念并提高互操作性。为建筑组件信息建立HBIM模型仿真的数据管理库。建立其数据管理仿真的建筑遗产HBIM模型平台，供用户同时浏览和操作数据库，现阶段通过在Dynamo环境中搭建集成仿真平台测试，浏览界面环境如图9所示。测试用户可以同时浏览建筑遗产数据信息管理仿真库中的数据和Revit软件自动生成的三维模型，浏览结果可以导出为电子文本档案。
图9 Dynamo中构建仿真组件的浏览结果
4.1 HBIM应用模型的实验设计
对于HBIM在建筑遗产数据管理仿真的应用模型评估，邀请了在该领域职业生涯超过1年的遗产管理与保护人员。共有13名历史建筑管理人员与保护专家(11名男性和2名女性)处于不同年龄组(年龄在20～69岁)，其中2/3的测试人员中具有至少3年从事建筑遗产管理和保护工作。他们用两种方法完成任务，分别是纸质记录方法和HBIM集成仿真平台。测试任务包括用户使用管理手册、报告检查和记录损坏的建筑遗产构件，检查测试清单上的项目以及将破损构件拍照保留。
通过此项现场测试比较纸质记录方法和HBIM集成仿真平台以评估这两种方法的用户体验感受。在现场测试任务结束时，测试人员填写有关该方法的问卷。为了测量精神压力水平和身体负荷、广泛使用、主观和多维评估工具被用来评估感知的工作量。为了测量所提出的系统的可用性，使用了交互式3D模型仿真信息系统的可用性指数。
4.2 HBIM技术应用模型的实验结果
在现场测试任务结束比较中，HBIM集成仿真平台方法比纸质记录方法少了145 s。在现场测试纸张记录方法中，用户需要将各种来源检索和拍摄信息不断检索汇总整理分类，而HBIM集成仿真平台方法只需将现状记录拍照按要求添加，这样搜索和文档可以使用单个设备完成，其自动化程度非常高。比较执行任务所需的时间和参与者的年龄，对于50岁以上的人来说平均任务需要143 s，对于50岁以下的人平均需要92 s。这似乎是由于对不同年龄组的现场基于HBIM集成仿真平台的交互的熟悉程度不同，如图10所示。
图10 纸质记录法和HBIM技术应用模型平台法完成任务所需时间比较
用户心理压力水平和身体负荷的结果表明，使用HBIM集成仿真平台方法的参与者比使用纸质记录方法时受挫的程度要小得多，如图11所示。这是因为他们熟悉输入文本和存储数据，因为他们通常使用智能手机等数字设备。另一个与纸张方法有很大差异的项目是物理需求，这是由于纸张记录方法有负担，用户必须直接交付文件并找到核对必要的信息。而HBIM集成仿真平台方法在移动环境中自动化程度非常高，其自动记录数据分类归档技术可用于架构管理。
图11 纸质记录法和HBIM技术应用模型仿真平台的任务负荷指数
图12 可用性测试结果
在可用性问卷中，最高平均分(3.9分)是关于信息操作，如图12所示。与纸质方法相比，HBIM集成仿真平台方法在建筑数据自动化方面就有先天优势，在测试人员填写信息过程中，平台通过类图和本体选项设置，自动辅助测试人员完成信息操作，节约了测试人员在清单中查找和分类的时间，同时也间接避免测试人员的错误操作。整体理解记录的平均得分(3.7分)高于其他指数。这是因为该应用程序提供了存储在HBIM集成仿真平台。
研究基于类图与本体论的HBIM建筑遗产数据管理应用模型平台，测试其协助保护建筑遗产的可行性，提高建筑遗产保护管理的自动化。从建筑遗产组件的角度出发，基于类图与本体论的研究合理分类建筑遗产组件属性。从组件的规模定义面向对象的类图和本体，以澄清概念并提高互操作性。为建筑组件信息建立HBIM模型仿真的数据管理库，并通过HBIM模型平台供用户同时浏览和操作数据库。通过“大夫第”历史建筑单体构件的实验设计表明，HBIM模型平台与纸质记录法比较测试中，在完成时间上综合效率提高40%，在任务负荷指数上减少10%，在可用性测试结果各项指数优秀，以此提高建筑遗产数据管理的使用经济效率。此外，由于每台计算机都可以理解本体模型的结构，因此基于类图与本体论的HBIM集成仿真平台可以增加信息的互操作性，这一优势使该平台更容易应用于不同的建筑遗产保护。该集成平台已被证明优于传统的记录方法，其在建筑数据自动化方面就有先天优势。如果能将遗产修复过程详细记录到数据库中，就可以完全保存建筑遗产的真实性。
正如讨论中所提到的，“大夫第”建筑遗产是本研究的唯一案例研究，该模式对于其他风格的中国建筑遗产中实施的可行性需要更多的案例研究来支持。
“大夫第”建筑遗产构件的三维模型仿真是通过REVIT软件创建生成的。如果能将测绘技术中的模型应用于HBIM技术应用模型仿真平台，可以提高建筑遗产几何真实性的模型的精度，如果从摄影测量或激光扫描的模型完美导入到HBIM集成仿真平台中，则该平台将更忠实地反映建筑遗产仿真模型信息，并将对建筑遗产中的利益相关者在遗产修缮的过程中有指导意义。
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