CN112001016B - 一种基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法，首先建立传统木构建筑的元模型框架，元模型包括元对象、元属性、元关系和元方法；然后提取传统木构建筑的木构体系建筑逻辑，木构体系建筑逻辑决定了木构体系的构件分类、空间关系和组合次序；接着确定元模型传统木构建筑的元对象和元属性，再根据传统木构建筑的木构体系建构逻辑构建木构体系中所有构件的空间拓扑框架，基于该空间拓扑框架和元方法，使用建模软件工具建立元模型；最后结合元模型和测绘数据，使用建模软件工具自动建构出传统木构建筑的建筑信息模型。本发明能够快速构建具有高完整度和高准确度、记录有营造技艺且精度可调的传统木构建筑的建筑信息模型。

Description

一种基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法

技术领域

本发明涉及传统木构建筑数字化建模技术领域，特别涉及一种基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法。

背景技术

建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)是由完全充足的信息构成的、用以支持生命周期管理的，并可由电脑程序直接解释的工程信息模型，在建筑设计、建造、运营的全过程中得到越来越多的应用。传统木构建筑的信息模型，包括对既有建筑的信息化建模和对设计、修复中建筑的信息化建模，对于建筑遗产的保护与利用、设计与管理具有重要意义。当前，建筑信息模型采用的是描述性方法，即在相关软件中人工手动建模，根据设计方案或测绘信息逐个构件地绘制。但我国传统木构建筑类型多样，结构复杂，数量巨大，一般人工手动建模的方法用于传统木构建筑的信息化建模时，除每个构件需要手动输入建立外，还需要准确表达构件之间的空间定位、相互搭接关系以及榫卯关系，不仅速度慢效率低，对建模者的专业素质要求高，建模的规范性难以保证。在手工建模基础上，也出现了一些用参数化方法进行传统木构建筑建模的探索，但目前还存在两方面问题，一是参数化的应用还局限于整个木构建筑体系中的部分构件如斗拱等，对于整体建模没有系统的解决方案；二是参数化的应用主要基于数模关系分析，适用于按照传统典籍规范(如《清工部工程做法则例》)进行建造的官式木构建筑，对大量数模关系不确定的民间木构建筑无效。

因此，总的来看，当前无论是手动建模还是局部参数化建模的方法，都存在建模速度慢、效率低、对建筑类型适应性不强、对建模者专业素质要求高、模型规范性低等诸多问题。同时，现有的建模方法都只是对物质实体进行数字化建模，对传统木构建筑的营造方法与技艺等非物质性内容无法进行记录和表达，这对于针对建筑遗产保护与利用的建筑信息模型也是一个极大的缺陷。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法，该方法能够快速构建具有高完整度和高准确度、记录有营造技艺且精度可调的传统木构建筑的建筑信息模型。

本发明的第二目的在于提供一种基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模装置。

本发明的第三目的在于提供一种存储介质。

本发明的第四目的在于提供一种计算设备。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法，步骤如下：

S1、建立传统木构建筑的元模型框架：元模型由元对象、元属性、元关系、元方法四方面要素来定义，其中，元对象和元属性涉及的内容属于建筑学常规内容，元对象为木构体系的各类构件，元属性为信息属性；元关系和元方法建立在木构体系建筑逻辑的基础之上，元关系为各类构件的相互关系，元方法为各类构件构成木构体系的建模方法；

S2、提取传统木构建筑的木构体系建筑逻辑，木构体系建筑逻辑决定了木构体系的构件分类、空间关系和组合次序；

S3、基于木构体系建筑逻辑建立元模型：先确定元模型传统木构建筑的元对象和元属性，然后根据传统木构建筑的木构体系建构逻辑构建木构体系中所有构件的空间拓扑框架，基于该空间拓扑框架和元方法，使用建模软件工具建立元模型；

S4、利用元模型自动建模：结合元模型和测绘数据，使用建模软件工具自动建构出传统木构建筑的建筑信息模型。

首先，传统木构建筑的建构逻辑来自于极具特色的建筑结构以及营造方式：

采用实尺营造的非官式木构建筑，其建筑结构划分为宝顶、楼身和楼基这三段式；

实尺营造的逻辑是指：设计从三维构架到二维榀架，再到一维标识系统，建造则是将设计过程进行反转，从一维标识系统到竖向构件制作，再经由水平构件制作还原至二维榀架，直至最终完成三维构架；

其中，采用实尺营造的木构建筑，其设计逻辑具体为：(1)根据场地确定檐柱在平面上的位置和檐柱长度；(2)确定宝顶下部最小尺寸；(3)在平面上按照重檐数确定檐柱和楼颈之间每层瓜柱的位置和瓜柱之间的水平距离；(4)确定中柱位置，并根据中柱位置确定放置挑手枋的方式；(5)根据每层檐高度，把平面内几何形垂直升高到对应的位置；(6)放置瓜柱；(7)根据室内空间大小的需求，用檐柱或中柱取代部分瓜柱；(8)确定挑手枋长度和形式，通过枋把空间每层上的瓜柱与中柱连接起来；(9)添加宝顶；(10)确定檐枋与椽条；

采用实尺营造的木构建筑，其建造逻辑具体为：将建筑的三维信息按比例简化到二维榀架中，再把信息进一步简化到一维的丈杆、竹签中，建造时通过丈杆上的信息标记，并辅以尺类工具包括鲁班尺、直尺、变角尺、斗尺的信息标记，从内到外、从下到上逐层地拼装，直到最终组装成三维的框架。

在建立元模型的过程中，从木构体系建筑逻辑上看，采用实尺营造的木构建筑，其大构架的元关系分为平面系统、榀架系统和宝顶系统这三个关系控制体系，由这三个关系控制体系决定所有构件的相互关系；

基于这三个关系控制体系，按照实尺营造的逻辑建立空间拓扑框架，分为如下四个步骤：

(1)几何平面形式的确定：几何平面形式是指木构建筑楼身部分几何平面形式与首层檐柱的柱网平面形式，按照几何平面形式变化类型分成圆内接多边形和多边形内接多边形的多边形各角这两种形式，故几何平面通过圆内接多边形或者多边形内接多边形的多边形各角建立；几何平面里每一圈层的多边形角就是对应着相应的柱子、吊柱或者瓜柱的位置，几何平面形式的大小随着层数的增加逐渐收拢；

(2)榀架的生成：榀架是在平面的基础上，把二维平面的柱网空间化，使柱在垂直方向上生长到对应的层高上，并加入对应的枋和瓜柱，构成一个可重复的结构单元；

建立元模型时，考虑到榀架形式取决于枋是否与中柱连接，以及瓜柱向下与多少层枋相交，将瓜柱、中柱、枋三个构架理解为相互垂直的三类线，定义榀架上挑手枋方向和瓜柱垂直方向为相互垂直的两个方向，然后把榀架视为关于枋层数和瓜柱水平位置的关系式，构建出由瓜柱、中柱、枋这三类线组成的一类元模型的基本榀架，再将榀架的几何平面旋转复制即得到木构建筑楼身的框架；

(3)宝顶的生成：木构建筑最上部的宝顶主要由雷公柱与相交枋来支撑屋顶，它是相对独立的榀架，根据平面形式构建参考点，然后在相应的参考点放置枋和瓜柱来完成；

把步骤(1)～(3)的逻辑通过可视化编程算法建立成一个单线的空间定位系统，该空间定位系统即作为木构体系中所有构件的空间拓扑框架；

(4)构件的置入：在空间拓扑框架基础上，按照结构的逻辑，通过可视化编程算法置入所有的大木构件，木构建筑的大木构件包括中柱、檐柱、吊柱、雷公柱、瓜柱以及各层位置上的枋；

将可视化编程算法建立的几何平面的角作为参考点，基于参考点放置柱模型，完成柱的创建，同理，构件枋、瓜柱通过相同的方式建立，然后调整柱、枋的截面尺寸与其他构件的尺寸和位置约束这些基本参数；接着将可视化编程算法构建的几何拓扑关系进行算法解释，并导入构件属性信息，最后形成由基本参数、信息属性和算法逻辑共同构成的同榀基本型元模型。

在步骤S4中，测绘数据为传统木构建筑的点云模型，利用由可视化编程算法建立的元模型自动建模的过程如下：

将传统木构建筑的点云模型导入建模软件中，通过建模软件的测量工具获取到各类构件的参数，然后将参数导入元模型中并依次载入各类构件，按照点云模型调整构件参数，最后运行建模软件即可自动生成传统木构建筑的建筑信息模型。

对既有的非官式民间建筑建模时，将测绘获得的点云模型导入建模软件中，通过测量工具获取非官式民间建筑的楼井、檐柱和中柱环柱圆半径、首层高、层数、檐层高、挑手出挑距这些参数，然后将参数导入元模型中，对照榀架形式调整瓜枋参考点位置；

基于参考点位置依次载入相对应构件，然后运行建模软件，即可自动生成基本楼身构架，再放置宝顶的构件，最后根据点云模型数据调整构件参数，运行后即可自动生成非官式民间建筑的木构架信息模型。

构建元模型和建筑信息模型所用的建模软件工具为Revit和Dynamo软件。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模装置，包括：

元模型框架定义模块，用于定义传统木构建筑的元模型，元模型由元对象、元属性、元关系、元方法四方面要素来定义，其中，元对象和元属性涉及的内容属于建筑学常规内容，元对象为木构体系的各类构件，元属性为信息属性；元关系和元方法建立在木构体系建筑逻辑的基础之上，元关系为各类构件的相互关系，元方法为各类构件构成木构体系的建模方法；

木构体系建筑逻辑提取模块，用于提取传统木构建筑的木构体系建筑逻辑，木构体系建筑逻辑决定了木构体系的构件分类、空间关系和组合次序；

元模型建立模块，用于先确定元模型传统木构建筑的元对象和元属性，然后根据传统木构建筑的木构体系建构逻辑构建木构体系中所有构件的空间拓扑框架，基于该空间拓扑框架和元方法，使用建模软件工具建立元模型；

自动建模模块，用于结合元模型和测绘数据，使用建模软件工具自动建构出传统木构建筑的建筑信息模型。

本发明的第三目的通过下述技术方案实现：一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现本发明第一目的所述的基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法。

本发明的第四目的通过下述技术方案实现：一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现本发明第一目的所述的基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明针对当前传统木构建筑建立信息模型的缺陷，提出了以元模型理论为框架、以木构建筑的建构逻辑为算法逻辑，基于“建构逻辑分析—空间拓扑关系—编程算法生成”的自动化建模方法，具体内容包括建立元模型框架、提取木构体系建构逻辑、建立元模型和利用模型自动建模，基于元模型和建构逻辑最终可快速构建出具有高完整度和高准确度的建筑信息模型，与现有的手工建模方法相比，本发明建模方法的建模效率更高，适用范围更广。

(2)本发明结合了实际测绘数据，可根据实际测绘数据对模型进行参数调整和局部修正，使得建模精确度可调、可控，构建的建筑信息模型更能符合实际传统木构建筑；同时，通过比较元模型建立的理想化木构建筑和木构建筑的测绘数据，分析木构建筑的受力问题、构件的损坏情况和偏移的情况，以提供构件信息记录与构件替换方案，因此本发明方法和装置可作为既有建筑结构安全的可视化性检验工具。

(3)本发明提出了基于元模型的自动建模思路，建立了以建构逻辑为元方法的元模型框架，构建出的元模型内置有传统木构建筑的建构逻辑，依托着BIM强大的信息储存功能，除了建筑的结构特征、构件数量、榫卯关系等物质性特征，对木构建筑的营造流程、工序、立架步骤都能进行记录，因此本发明拓展了建筑信息的保存范围和保存方法，可成为建筑营造技艺等非物质文化遗产传承的重要手段。

(4)本发明方法明确了提取传统木构建筑的建构逻辑的具体方法，形成了“建构逻辑分析—空间拓扑关系—编程算法生成”的元模型生成技术，可快速构建传统木构建筑的信息模型。

附图说明

图1是本发明基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法的流程图。

图2是元模型框架的示意图。

图3是鼓楼木构体系的示意图。

图4是多种类别鼓楼平面的示意图。

图5是鼓楼的实尺营造逻辑的示意图。

图6是鼓楼设计逻辑的示意图。

图7是鼓楼大木构架的立架过程示意图。

图8是鼓楼大木构架元模型的分类示意图。

图9是鼓楼三个关系控制体系的示意图。

图10是榀架的基本形式的示意图。

图11是榀架的空间关系示意图。

图12(a)是基于建构逻辑的空间拓扑框架的示意图。

图12(b)是图12(a)空间拓扑框架的算法逻辑的示意图。

图13是同榀基本型鼓楼元模型的示意图。

图14是实施例1中某鼓楼的点云模型。

图15是基于元模型的自动建模过程示意图。

图16是实施例1中某鼓楼自动生成的木构模型的示意图。

图17是不同类型元模型生成的BIM鼓楼模型与点云模型的对比图。

图18是本发明基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

针对当前传统木构建筑建立信息模型的缺陷，本实施例提出了以元模型理论为框架、以木构建筑的建构逻辑为算法逻辑，基于“建构逻辑分析—空间拓扑关系—编程算法生成”的自动化建模方法，通过建立各类建筑的元模型，可自动高效生产具体建筑比如某个鼓楼建筑的信息模型。如图1所示，所述基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法的步骤如下：

S1、建立传统木构建筑的元模型框架：元模型由元对象、元属性、元关系、元方法四方面要素来定义。

这里，元模型理念在信息处理、程序语言及对象建模等领域已经得到了很广泛的应用，但现有技术中还尚未在建筑信息模型领域有具体应用。元模型是关于模型的模型，是关于如何建立模型、模型的语义或模型之间如何集成和互操作等信息的描述，是对某一特定领域建模环境的规范定义，它定义了该领域的语法和语义，能够表示该领域内的所有或全部系统。在同一元模型下，用户可以根据需要在元模型的范围内建立具体的模型。在本实施例中，针对数量大、类型多、特色明显的传统木构建筑信息化建模问题，首先是建立了基于元模型的建模框架，从针对具体对象的模型建构，转向针对模型的模型——即元模型的建构，因此在建立一类建筑的元模型后，即可快速实现该类建筑的自动建模。

其中，如图2所示，元对象和元属性涉及的内容属于建筑学常规内容，元对象为木构体系的各类构件(构成对象)，元属性为信息属性；元关系和元方法建立在木构体系建筑逻辑的基础之上，元关系为各类构件的相互关系(空间关系和数模关系)，元方法为各类构件构成木构体系的建模方法(各类构件在约束与控制条件下组合成结构体系的方法)。因此，为建立木构建筑的元模型，在确定元对象和元属性的基础上，还需要如下步骤S2分析总结传统建筑木构体系的建构逻辑。

S2、提取传统木构建筑的木构体系建筑逻辑。传统木构建筑虽然类型多样、结构复杂，但由于木构体系在材料、加工方式、建造方式上的共性特点，不同类型的木构建筑在长期的发展过程中都逐渐形成了有规律性的建构逻辑，这些木构体系建筑逻辑决定了木构体系的构件分类、空间关系和组合次序，实际上也就决定了建筑以及建筑信息模型最终呈现的样貌。因此，提取出某类建筑的建构逻辑，就可以不再使用描述性的建模方法，而根据建构逻辑建立生成性元模型。

S3、基于木构体系建筑逻辑建立元模型：先确定元模型传统木构建筑的元对象和元属性，然后根据传统木构建筑的木构体系建构逻辑构建木构体系中所有构件的空间拓扑框架，基于该空间拓扑框架和元方法，使用建模软件工具建立元模型。

在实际应用中，元模型可以具体化为一个基于数据驱动的参数化BIM模型，用以实现在同类型木构建筑中通过特征构件尺寸快速自动建构建筑信息模型。

S4、利用元模型自动建模：结合元模型和测绘数据，使用建模软件工具自动建构出传统木构建筑的建筑信息模型。这里的测绘数据为传统木构建筑的点云模型，具体来说，先将测绘得到的传统木构建筑的点云模型导入建模软件中，通过建模软件的测量工具获取到各类构件的参数，然后将参数导入元模型中并依次载入各类构件，按照点云模型调整构件参数，最后运行建模软件即可自动生成传统木构建筑的建筑信息模型。

在本实施例中，构建元模型和建筑信息模型所用的建模软件工具为Revit和Dynamo软件。

传统木构建筑中，如图3所示，包括鼓楼在内的非官式的民间建筑的建筑特色鲜明、类型繁多、结构复杂，且建造中没有准确的数模关系，是当前建筑信息模型建模难以处理的典型代表，因此，本实施例就以鼓楼为例进一步说明上述建模方法。

1)建立如图2所示的元模型框架。

2)提取木构体系建构逻辑：非官式的民间建筑的建筑逻辑来自于极具特色的建筑结构以及实尺营造的营造方式。

鼓楼的结构体系有穿斗式、抬梁式和穿斗抬梁混合式。其中塔式穿斗式鼓楼最为普遍，充分体现了在穿斗式结构上的创造与发展，造型丰富，构造作法多样。塔式穿斗式鼓楼外形立面均为奇数重檐，有3、5、7层，……。整个鼓楼的建筑结构分为三段式：宝顶、楼身和楼基，底层架空楼顶，划分简洁明了，采用实尺营造的木构建筑均采用这一建筑结构。平面构成相对简单，采用偶数正多边形平面，与檐数组成一奇一偶组合，而柱网平面形式多数采用“回”字形平面，少量采用“减柱”的“口”字形平面。其中“回”字形平面就有内外四边形、内外六边形、内外八边形、内四边形外八边形(后面简化为“内四外八”)、也有少量的内六外四和内八外四平面。其基本都是由内外四边形，即纯四边形鼓楼的基础上变形而来的。而“口”字形平面则有四边形无中心柱、四边形独柱平面等(同简称“内无外四”)。鼓楼单体造型通过楼身屋檐部分四面倒水变为六面或八面倒水或旋转来实现，例如从第二层开始由四变形转成六边形(后简称二-4-8)，由此使得鼓楼外部造型变化多样。因此，鼓楼的平面几何特征决定了其大木构架的基本类型，如图4所示。

“实尺营造”的营造方式则进一步确定了鼓楼结构构架和构件的生成方式。侗族没有本民族文字，也不依靠图纸、画样来建造过程所包含的构架及构件尺寸确定、榫卯定位和加工装配问题。掌墨师是以匠杆、竹签为主，加上其他尺类工具(鲁班尺、直尺、变角尺、斗尺等)的配合，在无图样条件下，获取、记录尺寸信息，并将其转化，指导施工，且已形成了一套完整的方法，可称为为侗族木构建筑的“实尺营造”体系。由此可得，实尺营造的逻辑是指：设计从三维构架到二维榀架，再到一维标识系统，建造则是将设计过程进行反转，从一维标识系统到竖向构件制作，再经由水平构件制作还原至二维榀架，直至最终完成三维构架，如图5所示。这其中，穿斗架的基本单元和标准榀架的营建思维是其最重要的特征。鼓楼等采用实尺营造的木构建筑的营造过程分为设计与建造两个步骤。掌墨师在开始搭建建筑前，会根据场地的大小和房主的要求来确定建筑的整体造型，底层平面大小、重檐数量等，从上而下确定建筑的可行性。

这些采用实尺营造的木构建筑的设计逻辑具体为：(1)根据场地的大小确定檐柱在平面上的位置和檐柱长度；(2)确定宝顶下部最小尺寸，匠师一般以宝塔下的楼颈口径最小为2m作为标准；(3)在平面上按照重檐数确定檐柱和楼颈之间每层瓜柱的位置和瓜柱之间的水平距离，匠师一般采用等分的方式划分瓜柱的水平间距，也有其他情况；(4)确定中柱位置，并根据中柱位置确定放置挑手枋的方式；(5)根据每层檐高度，把平面内几何形垂直升高到对应的位置；一般每层檐高度相等(1.1m～0.9m)，会根据掌墨师习惯而定；(6)放置瓜柱；(7)根据室内空间大小的需求，用檐柱或中柱取代部分瓜柱；(8)确定挑手枋长度和形式，通过枋把空间每层上的瓜柱与中柱连接起来，实现瓜身被“穿”在一根枋头上，瓜脚“骑”在另一根枋身上；(9)添加宝顶；(10)确定檐枋与椽条(也称控制每层屋檐倒水)。一座鼓楼的整个设计逻辑简图可参见图6，图6中的(1)～(10)表示设计顺序。

遵循上述设计逻辑，采用实尺营造的木构建筑的建造逻辑具体为：将建筑的三维信息按比例简化到二维榀架中，再把信息进一步简化到一维的丈杆、竹签中，建造时通过丈杆上的信息标记，并辅以尺类工具包括鲁班尺、直尺、变角尺、斗尺的信息标记，从内到外、从下到上逐层地拼装，直到最终组装成三维的框架(大木构架)。鼓楼的立架过程可参见图7，图7中的(1)～(10)表示立架顺序。

3)建立元模型：先明确元模型分类，再确定建立元模型的元关系(也可称为元系统)和元方法。根据元模型的概念，只有元对象、元属性、元关系、元方法这四个基本要素的不同才是区分不同元模型类别的标准。例如，穿斗式鼓楼按照屋面结构类型可分为：回字形(内外相似的纯多边形、内四边形外八边形、四边形转六边形、四边形转八边形等)、口字型(内无外四、独柱)等，这是按照平面几何形式变化类型来分类。但不同鼓楼的构件类型、属性特征本质是一致的，平面几何形式本身也不能完全反映元关系的不同，只有建立在建构逻辑分析上的平面几何形式才能区分出不同的元关系和构建方法。因此，为了建立参数驱动的鼓楼木构元模型，可按鼓楼建构逻辑中对基本榀架运用的不同方式分为3类：同榀基本型元模型、两榀相似型元模型、变化型元模型(如图8)。本实施例选择构建同榀基本型元模型。

由上述分析可知，从木构体系建筑逻辑上看，对于采用实尺营造的木构建筑，其大构架的元关系分为平面系统、榀架系统和宝顶系统这三个关系控制体系，由这三个关系控制体系决定所有构件的相互关系，如图9所示。基于这三个关系控制体系，按照实尺营造的逻辑建立空间拓扑框架，分为如下四个步骤：

3-1)几何平面形式的确定：

几何平面形式是指木构建筑楼身部分几何平面形式与首层檐柱的柱网平面形式，几何的变化决定了立面的形式的多样化。几何平面按照其形式变化类型可分成圆内接多边形(Polygon.RegularPolygon)和多边形内接多边形的多边形各角(Polygon.Corners)这两种形式，因此可通过圆内接多边形或者多边形各角来建立。在参数化建模的时候，几何平面起到了柱网定位的作用，平面几何形式里每一圈层的多边形角就是对应着相应的柱子、吊柱或者瓜柱的位置，几何平面形式的大小会随着层数的增加逐渐收拢。

3-2)榀架的生成：

榀架是在平面的基础上，把二维平面的柱网空间化，使柱在垂直方向上生长到对应的层高上，并加入对应的枋和瓜柱，构成一个可重复的结构单元。榀架的变化形式有许多种，但是始终离不开都是基于柱间瓜柱和挑手枋的组合原理：每瓜有两枋联系和支撑；瓜身被“穿”在一根枋头上，瓜脚“骑”在另一根枋身上，如图10所示。图10中的(1)～(6)图分别代表不同形式的榀架。一般情况下，木构建筑屋檐间距离在1.1～0.9m之间，在设计时会按屋檐间距完成柱和枋在垂直方向的布置，进而确定榀架的形式。

在建立元模型时，考虑到榀架形式取决于枋是否与中柱连接，以及瓜柱向下与多少层枋相交，将瓜柱、中柱、枋三个构架理解为相互垂直的三类线，定义榀架上挑手枋方向(设为y轴)和瓜柱垂直方向(设为x轴)为相互垂直的两个方向，然后把榀架视为关于枋层数(y轴)和瓜柱水平位置(x轴)的关系式，构建出由瓜柱、中柱、枋这三类线组成的一类元模型的基本榀架，可参见图11，图11中最长的竖直线代表中柱，较短的其他竖直线代表瓜柱，水平线代表挑手枋，再将榀架的几何平面旋转复制即得到木构建筑楼身的框架。

3-3)宝顶的生成：

木构建筑最上部的宝顶主要由雷公柱与相交枋来支撑屋顶，它是相对独立的榀架，可以根据平面形式构建参考点，然后在相应的参考点放置枋和瓜柱来完成；

例如，对于鼓楼来说，由于瓜柱在鼓楼的每一层都是向内收拢，每层瓜柱间的水平距离D相同以及鼓楼的顶部屋檐到中柱就结束，基于这样的平面形式，通过对中柱和檐柱之间的距离L进行等距离均分，即可得到瓜柱间的水平距离：

然后以中柱为基础等距偏移，即得到瓜柱的参考点位置。

把步骤3-1)～3-3)的逻辑通过可视化编程算法比如Dynamo建立成一个单线的空间定位系统，该空间定位系统即作为木构体系中所有构件的空间拓扑框架，如图12(a)所示，其算法逻辑如图12(b)所示。

3-4)构件的置入：

在空间拓扑框架基础上，按照结构的逻辑，通过可视化编程算法比如Dynamo置入所有的大木构件，木构建筑的大木构件包括中柱、檐柱、吊柱、雷公柱、瓜柱以及各层位置上的枋，虽然数量繁多但是其基本特征各不相同，可应用Revit的族进行参数化建模。

将可视化编程算法建立的几何平面的角作为参考点，利用结点“文档中的族类型(FamilyTypes)”选取设置好参数的自适应族的柱模型，再利用结点“根据点放置族实例(AdaptiveComponent.ByPoints)”基于参考点放置柱模型，完成柱的创建。同理，构件枋、瓜柱通过相同的方式建立，然后再经由Revit全局参数关联Dynamo的参数控制来调整柱、枋的截面尺寸与其他构件的尺寸和位置约束这些基本参数；接着将可视化编程算法构建的几何拓扑关系进行算法解释，并将构件属性信息导入，最后可形成由基本参数、信息属性和算法逻辑共同构成的同榀基本型元模型，例如图13所示的同榀基本型鼓楼元模型，该元模式是由参数、算法、信息值构成的数据体系，当输入具体数值后，它能自动生成具有完整构件和形态的具体的建筑模型。

4)利用元模型自动建模：

传统木构建筑的信息模型，多数情况是对既有建筑进行测绘然后建模以便管理和应用，因此，将如图14所示的待建模某鼓楼的点云模型导入Revit建模软件中，通过测量工具获取鼓楼的楼井、檐柱和中柱环柱圆半径、首层高、层数、檐层高、挑手出挑距等参数，然后将参数导入图13所示的元模型中，对照榀架形式调整瓜枋参考点位置；

基于参考点位置依次载入相对应构件，然后运行Revit建模软件，即可自动生成基本楼身构架，再放置宝顶的构件，最后根据点云模型数据调整构件参数，运行后即可自动生成鼓楼建筑的木构架信息模型，可参见图15和图16。图15中的(1)～(11)代表木构架信息模型的自动生成顺序。在图16中，图16里的(a)图是由元模型自动生成的建筑木构架模型，(b)图是生成模型与点云模型的三维对比，(c)图是生成模型与点云模型的剖面对比，从图16可以看出，生成模型和点云模型基本重合，由此证明了自动建模的准确性。

为验证本实施例方法的实际应用效果，通过对不同类型元模型生成的BIM鼓楼模型与三维激光测绘获得的点云模型进行重合度对比，校验结果分析如图17所示。从图17的校验结果分析可明确本实施例方法的效果：

(1)可实现建筑信息模型的高完整度和高准确度的自动建模。

尽管平面形式和形态差异很大，通过参数提取，鼓楼元模型仍然完整的自动建立了具体的不同鼓楼BIM模型。且经过与点云模型的重合对比，除农丰鼓楼和上寨屯鼓楼因实际建造中匠师增加了极少部分非常规构件外，其他的鼓楼模型大木构架与测绘的点云数据完全一致，证明自动建立的BIM模型有很高的完整度和准确度。

(2)建模效率极大提高。

一个具体模型的自动生成仅需几秒，加上前期参数提取，后期校验调整，通过元模型建立一个鼓楼大木构架BIM模型不超过30分钟，效率比全手工建模提高至少十到二十倍，用于大量数据的建模效率会更高。

(3)建模精确度可控、可调。

元模型自动建模是基于理想状态的模型，其大木构架是完整和准确的，但空间位置的精确度与测绘数据相比有可能存在一定偏差。在这些案例中，BIM模型构件位置与点云模型的最大水平偏差在8～65cm，最大垂直偏差在4～20cm。产生误差的主要原因包括：鼓楼历经岁月导致的木材变形或结构上的倾斜位移；匠师设计时候采用取整的方式与参数建模精确数据之间产生的误差；以及匠师在施工过程中所产生的误差。如果建BIM模型的目的是原始数据的真实保留，这些误差也可以在与点云模型对照后通过参数调整和局部修改校正。

(4)可作为既有建筑结构安全的可视化性检验工具。

通过使用鼓楼元模型建模，除了可以进行快速地建模，由鼓楼元模型建立的鼓楼还能与点云模型进行鼓楼的现状比较，如此，由于时间失修、施工误差、受力偏移造成的鼓楼旋转偏移、倾斜或构件扭曲就可以通过比较元模型建立的理想化鼓楼，分析得知鼓楼的受力问题、构件的损坏情况和偏移的情况，从而有助于提供构件信息记录与构件替换方案。

(5)可成为建筑营造技艺等非物质文化遗产传承的重要手段。

传统木构建筑的营造技艺保护是遗产保护的重要一环。在建筑中营造是一种兼具技术性、艺术性、组织性、民俗性的活动。而营造技艺包含“营”设计和“造”建造两重含义，其本体囊括建筑的设计构造知识、工序和做法、材料选取与工具使用，更有涉及与建造相关的仪式、禁忌和习俗。元模型内置了传统木构建筑的建构逻辑，依托着BIM强大的信息储存功能，除了建筑的结构特征、构件数量、榫卯关系等物质性特征，对木构建筑的营造流程、工序、立架步骤都能进行记录，可见，本实施例方法拓展了建筑信息的保存范围和保存方法。

实施例2

本实施例公开了一种基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模装置，所述装置可用于构建各类具体建筑比如鼓楼建筑的木架构信息模型，如图18所示，包括：

元模型框架定义模块，用于定义传统木构建筑的元模型，元模型由元对象、元属性、元关系、元方法四方面要素来定义，其中，元对象和元属性涉及的内容属于建筑学常规内容，元对象为木构体系的各类构件，元属性为信息属性；元关系和元方法建立在木构体系建筑逻辑的基础之上，元关系为各类构件的相互关系，元方法为各类构件构成木构体系的建模方法；

木构体系建筑逻辑提取模块，用于提取传统木构建筑的木构体系建筑逻辑，木构体系建筑逻辑决定了木构体系的构件分类、空间关系和组合次序；

元模型建立模块，用于先确定元模型传统木构建筑的元对象和元属性，然后根据传统木构建筑的木构体系建构逻辑构建木构体系中所有构件的空间拓扑框架，基于该空间拓扑框架和元方法，使用建模软件工具建立元模型；

自动建模模块，用于结合元模型和测绘数据，使用建模软件工具自动建构出传统木构建筑的建筑信息模型。

在此需要说明的是，本实施例的装置仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

实施例3

本实施例公开了一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现实施例1所述的基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法，具体如下：

S1、建立传统木构建筑的元模型框架：元模型由元对象、元属性、元关系、元方法四方面要素来定义，其中，元对象和元属性涉及的内容属于建筑学常规内容，元对象为木构体系的各类构件，元属性为信息属性；元关系和元方法建立在木构体系建筑逻辑的基础之上，元关系为各类构件的相互关系，元方法为各类构件构成木构体系的建模方法；

S2、提取传统木构建筑的木构体系建筑逻辑，木构体系建筑逻辑决定了木构体系的构件分类、空间关系和组合次序；

S3、基于木构体系建筑逻辑建立元模型：先确定元模型传统木构建筑的元对象和元属性，然后根据传统木构建筑的木构体系建构逻辑构建木构体系中所有构件的空间拓扑框架，基于该空间拓扑框架和元方法，使用建模软件工具建立元模型；

S4、利用元模型自动建模：结合元模型和测绘数据，使用建模软件工具自动建构出传统木构建筑的建筑信息模型。

本实施例中的存储介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、U盘、移动硬盘等介质。

实施例4

本实施例公开了一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1所述的基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法，具体如下：

S1、建立传统木构建筑的元模型框架：元模型由元对象、元属性、元关系、元方法四方面要素来定义，其中，元对象和元属性涉及的内容属于建筑学常规内容，元对象为木构体系的各类构件，元属性为信息属性；元关系和元方法建立在木构体系建筑逻辑的基础之上，元关系为各类构件的相互关系，元方法为各类构件构成木构体系的建模方法；

S2、提取传统木构建筑的木构体系建筑逻辑，木构体系建筑逻辑决定了木构体系的构件分类、空间关系和组合次序；

S3、基于木构体系建筑逻辑建立元模型：先确定元模型传统木构建筑的元对象和元属性，然后根据传统木构建筑的木构体系建构逻辑构建木构体系中所有构件的空间拓扑框架，基于该空间拓扑框架和元方法，使用建模软件工具建立元模型；

S4、利用元模型自动建模：结合元模型和测绘数据，使用建模软件工具自动建构出传统木构建筑的建筑信息模型。

本实施例中所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑或其他具有处理器功能的终端设备。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法，其特征在于，步骤如下：

S1、建立传统木构建筑的元模型框架：元模型由元对象、元属性、元关系、元方法四方面要素来定义，其中，元对象和元属性涉及的内容属于建筑学常规内容，元对象为木构体系的各类构件，元属性为信息属性；元关系和元方法建立在木构体系建构逻辑的基础之上，元关系为各类构件的相互关系，元方法为各类构件构成木构体系的建模方法；

S2、提取传统木构建筑的木构体系建构逻辑，木构体系建构逻辑决定了木构体系的构件分类、空间关系和组合次序；

S3、基于木构体系建构逻辑建立元模型：先确定元模型传统木构建筑的元对象和元属性，然后根据传统木构建筑的木构体系建构逻辑构建木构体系中所有构件的空间拓扑框架，基于该空间拓扑框架和元方法，使用建模软件工具建立元模型；

S4、利用元模型自动建模：结合元模型和测绘数据，使用建模软件工具自动建构出传统木构建筑的建筑信息模型；

在步骤S4中，测绘数据为传统木构建筑的点云模型，利用由可视化编程算法建立的元模型自动建模的过程如下：

将传统木构建筑的点云模型导入建模软件中，通过建模软件的测量工具获取到各类构件的参数，然后将参数导入元模型中并依次载入各类构件，按照点云模型调整构件参数，最后运行建模软件，自动生成传统木构建筑的建筑信息模型；

对既有的非官式民间建筑建模时，将测绘获得的点云模型导入建模软件中，通过测量工具获取非官式民间建筑的如下参数：楼井，檐柱、中柱和环柱的圆半径，首层高，层数，檐层高，挑手出挑距离；然后将参数导入元模型中，对照榀架形式调整瓜枋参考点位置；

基于参考点位置依次载入相对应构件，然后运行建模软件，自动生成基本楼身构架，再放置宝顶的构件，最后根据点云模型数据调整构件参数，运行后自动生成非官式民间建筑的木构架信息模型。

2.根据权利要求1所述的基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法，其特征在于，当传统木构建筑为包括鼓楼建筑的非官式的民间建筑，这些建筑的建构逻辑来自于极具特色的建筑结构以及实尺营造的营造方式：

采用实尺营造的木构建筑，其建筑结构划分为宝顶、楼身和楼基这三段式；

实尺营造的逻辑是指：设计从三维构架到二维榀架，再到一维标识系统，建造则是将设计过程进行反转，从一维标识系统到竖向构件制作，再经由水平构件制作还原至二维榀架，直至最终完成三维构架；

其中，采用实尺营造的木构建筑，其设计逻辑具体为：(1)根据场地确定檐柱在平面上的位置和檐柱长度；(2)确定宝顶下部最小尺寸；(3)在平面上按照重檐数确定檐柱和楼颈之间每层瓜柱的位置和瓜柱之间的水平距离；(4)确定中柱位置，并根据中柱位置确定放置挑手枋的方式；(5)根据每层檐高度，把平面内几何形式垂直升高到对应的位置；(6)放置瓜柱；(7)根据室内空间大小的需求，用檐柱或中柱取代部分瓜柱；(8)确定挑手枋长度和形式，通过枋把空间每层上的瓜柱与中柱连接起来；(9)添加宝顶；(10)确定檐枋与椽条；

采用实尺营造的木构建筑，其建造逻辑具体为：将建筑的三维信息按比例简化到二维榀架中，再把信息进一步简化到一维的丈杆、竹签中，建造时通过丈杆上的信息标记，并辅以尺类工具包括鲁班尺、直尺、变角尺、斗尺的信息标记，从内到外、从下到上逐层地拼装，直到最终组装成三维的框架。

3.根据权利要求2所述的基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法，其特征在于，在建立元模型的过程中，从木构体系建构逻辑上看，采用实尺营造的木构建筑，其大构架的元关系分为平面系统、榀架系统和宝顶系统这三个关系控制体系，由这三个关系控制体系决定所有构件的相互关系；

基于这三个关系控制体系，按照实尺营造的逻辑建立空间拓扑框架，分为如下四个步骤：

(1)几何平面形式的确定：几何平面形式是指木构建筑楼身部分几何平面形式与首层檐柱的柱网平面形式，按照几何平面形式变化类型分成圆内接多边形和多边形内接多边形的多边形各角这两种形式，故几何平面通过圆内接多边形或者多边形内接多边形的多边形各角建立；几何平面里每一圈层的多边形角就是对应着相应的柱子、吊柱或者瓜柱的位置，几何平面形式的大小随着层数的增加逐渐收拢；

(2)榀架的生成：榀架是在平面的基础上，把二维平面的柱网空间化，使柱在垂直方向上生长到对应的层高上，并加入对应的枋和瓜柱，构成一个可重复的结构单元；

建立元模型时，考虑到榀架形式取决于枋是否与中柱连接，以及瓜柱向下与多少层枋相交，将瓜柱、中柱、枋三个构架理解为相互垂直的三类线，定义榀架上挑手枋方向和瓜柱垂直方向为相互垂直的两个方向，然后把榀架视为关于枋层数和瓜柱水平位置的关系式，构建出由瓜柱、中柱、枋这三类线组成的一类元模型的基本榀架，再将榀架的几何平面旋转复制得到木构建筑楼身的框架；

(3)宝顶的生成：木构建筑最上部的宝顶主要由雷公柱与相交枋来支撑屋顶，它是相对独立的榀架，根据平面形式构建参考点，然后在相应的参考点放置枋和瓜柱来完成；

把步骤(1)～(3)的逻辑通过可视化编程算法建立成一个单线的空间定位系统，该空间定位系统作为木构体系中所有构件的空间拓扑框架；

(4)构件的置入：在空间拓扑框架基础上，按照结构的逻辑，通过可视化编程算法置入所有的大木构件，木构建筑的大木构件包括中柱、檐柱、吊柱、雷公柱、瓜柱以及各层位置上的枋；

将可视化编程算法建立的几何平面的角作为参考点，基于参考点放置柱模型，完成柱的创建，同理，构件枋、瓜柱通过相同的方式建立，然后调整柱、枋的截面尺寸与其他构件的尺寸和位置约束这些基本参数；接着将可视化编程算法构建的几何拓扑关系进行算法解释，并导入构件属性信息，最后形成由基本参数、信息属性和算法逻辑共同构成的同榀基本型元模型。

4.根据权利要求1所述的基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法，其特征在于，构建元模型和建筑信息模型所用的建模软件工具为Revit和Dynamo软件。

5.一种基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模装置，应用于权利要求1所述的基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法，其特征在于，包括：

元模型框架定义模块，用于定义传统木构建筑的元模型，元模型由元对象、元属性、元关系、元方法四方面要素来定义，其中，元对象和元属性涉及的内容属于建筑学常规内容，元对象为木构体系的各类构件，元属性为信息属性；元关系和元方法建立在木构体系建构逻辑的基础之上，元关系为各类构件的相互关系，元方法为各类构件构成木构体系的建模方法；

木构体系建构逻辑提取模块，用于提取传统木构建筑的木构体系建构逻辑，木构体系建构逻辑决定了木构体系的构件分类、空间关系和组合次序；

元模型建立模块，用于先确定元模型传统木构建筑的元对象和元属性，然后根据传统木构建筑的木构体系建构逻辑构建木构体系中所有构件的空间拓扑框架，基于该空间拓扑框架和元方法，使用建模软件工具建立元模型；

自动建模模块，用于结合元模型和测绘数据，使用建模软件工具自动建构出传统木构建筑的建筑信息模型。

6.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1至4中任一项所述的基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法。

7.一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1至4中任一项所述的基于元模型和建构逻辑的建筑信息模型自动建模方法。