加拿大五台山仿唐建筑数字化建设实践
中亿丰建设集团股份有限公司
加拿大五台山仿唐建筑数字化建设实践
(中亿丰建设集团股份有限公司)
历史前言
在众多的寺庙之中，有一座寺庙曾被著名建筑学家梁思成称为是“中国第一国宝”。它就是佛光寺。
佛光寺之所以被梁思成称为是“中国第一国宝”，是因为佛光寺的发现打破了日本学者关于“在中国土地上找不到唐代以前的木建筑结构”的断言。而且除了同处于五台山上的南禅寺，佛光寺就是我国现存第二早的木建筑结构。
东大殿是佛光寺的正殿，位于最后一处院落之中，位置也最高。进入东大殿，会看到唐代彩塑35尊以及唐代壁画十余幅，在大殿的四根梁下，还有不少唐人留下的珍贵墨宝，唐时的建筑、彩塑、壁画以及墨迹，可研究的历史价值很高，被人们称为“四绝”。至今仍保持完好的北魏时期的六角祖师塔，是中国现存的唯一两座北魏时期的佛塔之一。
图注3：1937年林徽因在山西五台山佛光寺大殿内与“宁公遇”的合影
一.企业介绍
中亿丰建设作为源自江南水乡的鲁班传承，承袭江南古建代表人蒯祥匠心独运，道法自然，以寒山寺仿唐木构楼阁式佛塔、西园寺藏经楼、重元寺多宝楼为代表，在园林古建领域拥有丰富的施工经验和实践案例。中亿丰的古建团队将采用现代项目管理理念，秉持传统木结构营造技艺，力求原汁原味再现大唐盛世，展现中国汉传佛教的文化特色。据悉，建成后的加国五台山不仅是佛教道场、弘法中心和学习基地，还是一个集宗教、文化、艺术、教育、环保、旅游等多功能的文化园区，它将以崭新的理念和方式，弘扬佛教的慈悲精神，传播中国的传统文化.
二.项目介绍
此次的加拿大五台山项目.是复制距今1200年左右中国山西五台山的唐式佛教建筑风格.为全木结构建筑.以五台山佛光寺大殿为参考.在此基础上大雄宝殿内有跨12米的四界大梁四品.其正三开间有一开间大梁长为17米的木结构大梁.构架由屋深柱网.铺作层和屋顶梁架三部分叠加而成.七铺做斗拱.大殿斗拱共7种.檐柱有柱头。補间和转角三种.内柱有柱头.两山柱头.補间和转角四种.柱高与开间的比例略呈方形.斗拱高度约为柱高的1/2.整个构架由回字形的柱网.斗拱层和梁架三部分组成.这种水平结构层组合叠加的做法是唐代殿堂建筑的典型结构做法.其施工难度极大. 中亿丰建设集团特派古建技艺精湛的匠人远赴加国进行施工。目前在施工中的大雄宝殿，建筑高度15.98米，单体建筑面积728.85㎡，整体共36根木柱，采用印尼菠萝格和印尼红木，层面采用定制仿古铜制筒瓦。整体木结构全部由苏州香山帮匠人在中国完成构件加工并运输至加拿大完成整体拼装过程.整体拼装过程从覆盆柱础开始，柱子与柱础之间、上槛与下槛之间的木结构全部通过榫卯拼接而成，突显了全木材料、榫卯结构、古法营造等技艺特点，在实践中将传统古建技艺和古建文化相得益彰。
三.项目复杂性及难点
(1).针对传统的设计方式二位图纸现场作业施工难度大构件加工细节无法预测.
(2).预制古建构建涉及跨洋运输及拼装效果不可预测
(3).如榫卯点位产生偏差必将带来严重的返工现场,继而来回运输也必将对工期产生严重滞后.
(4).香山匠人年龄均在55岁以上针对现场施工工艺指导作业上沟通存在差异化
(5)古建筑信息保存方法例如二维测绘图纸、照片、影像、电子版cad图纸或者三维模型等均无法准确和全面的承载古建筑的全部信息，均不利于对于古建筑本体的管理以及古建筑建造文化遗产的传承
四.从现实到图纸三维扫描
设计阶段针在参考梁思成先生针对古建文物保护和测绘的相关文献资料.对1:1仿唐建筑成立专项实地考察小组前往山西五台山实地考察并对佛光寺整体建筑扫描和结构细节考量. 打破时空界限，借助无人机和激光扫描技术，对唐代佛光寺进行整体数字化保存，将现实搬到虚拟空间.准确获取信息数据.创建可测量的点云数据模型.
(图注：无人机航)
(图注：采用激光扫描技术对古建筑数据扫描)
五.BIM技术应用
(一)参数化设计
依托项目主体，在研究在讨论了唐代建筑的价值的基础上.发现其“以材为祖” 理念与 BIM 的参数化理念不谋而合。通过 BIM 技术可以直观的反映古建筑的构件内在关系。这个体系中的尺寸关系是古建筑设计与施工共同遵循的法则.寻其数字化逻辑形成整体的架构可调性构件适应性.
(二)参数化建模的前期
(1)分析组成零部件几何形体的基本元素，以及各个元素之间的关系。
(2)分析自由参数与哪些元素有关，如何保证参数的自由变化。
(3)确定模型主体参数及所有的辅助参数。
(4)在参数编辑器中设立相关的模型参数公式。
(5)确定特征创建顺序，并进行模型的创建。
(6)更改各个自由参数的值，验证模型的变化是否合理
(三)斗构件的制作
(1)构件位置:栌斗置于柱头额枋或平板彷上，由暗榫固定。
(2)结构:根据《营造法式》，斗的形制由上到下分为耳、平、欹三部分。
(3)首先将构件的所有几何特征的规格进行参数化，并赋予参数名称，其次通过计算公式将构件的特征之间的几何关系进行关联，从而我们就得到了一个造型联动的标准构件
(4)在相同逻辑的作用下，不同的参数就可以得到不同的斗构件。
相应的，我们可以用相同的方法，制作拱、柱以及梁的参数化构件库
(四).参数化设计实施方式
(1)参数化整体框架调整.
Dynamo是一个运行在Autodesk Vasari和Revit上的开源插件，同时在最新的版本中亦可以独立运行。通过基于结点的可视化编程界面，Dynamo可以让用户自由创建计算式设计模型或者其它自动化处理过程。用户可以使用完善的数据处理，关联性结构和几何控制功能。这些功能在基于传统CAD界面的软件中是很难做到的。更重要的是，Dynamo让用户可以在BIM环境(Revit平台)中充分发挥计算式设计能力。
我们运用Dynamo针对整体框架定义适应逻辑在相同逻辑下约束个体差异性以点到面.通过基点的可视化编程界面创建计算设计模型，关联性结构和几何控制功能. 通过将建筑物的逻辑编程，形成一个可以调整和追溯的逻辑链，通过输入参数的调整，就能快速准确的得到结果。
(图5-1整体框架逻辑)
(2)参数化斗拱框架逻辑.
在整体框架定位基础上对单体部件设置构件关联参数化其竖向结构的衍生如同大树的生长我们采用数字化编程手段对个项值给与特定逻辑定义以具备参数化部件自适应和调节性
(图6注：给定编程逻辑让结构竖向生长)
(3)自适应构件调整.
大雄宝殿构件构件和种类繁多我们发现在相同属性的构件基础上很多只存在数值差异其逻辑也具备共性由此针对相同属性的构件我们将其参数自适应基础上给定数值数据输出以满足构件种类简化和统一
(图7-2注：满足自适应要求)
(图7-3注：在部件内部形成参数数据调整)
(4)干涉检测bim模型碰撞排查避免连接错位产生的安装问题
bim构件完成实物对比：(图8)
六.应力分析（Stress analysis）
(一)利用 Autodesk Inventor 专业公司的运动仿真功能, 对木材、
部件的连接部件进行了仿真, 根据实际工作条件增加了载荷、摩擦特性和运动约束, 然后对木材部件进行了粘接、摩擦特性和运动约束。通过运行仿真功能对设计进行了验证。通过与应力分析模块的无缝集成, 将工作条件传递到某个木材构件, 以优化木材构件的肌腱和插座的设计。
(二)应力分析.数据输出
借助Autodesk Inventor Professional的运动仿真功能对木材构件连接部位进行仿真处理，依据实际工况添加载荷、摩擦特性和运动约束，然后通过运行仿真功能验证设计。借助与应力分析模块的无缝集成，将工况传递到某一个木材构件上，来优化木材构件榫卯设计.以确保零件的强度。
七.BIM出图
完成整体BIM构件模型
（一）设计阶段根据设计施工图建立和维护模型；
（二）基于BIM模型的冲突检查；
（三）模型精度和信息参照现有施工图设计要求；
（四）确保重要节点可用BIM模型进行可视化汇报交流、（五）论证方案、推敲设计；
（六）冲突检测与设计重要的审核、反馈节点保持一致；
（七）基于BIM三维可视化模型；冲突检测报告；
(图2.BIM模型出图)
(图3.BIM模型)
Bim模型生成构件类型及明细 对工程整体报价及陈本控制提供依据、生成的信息明细表明确木材毛料.净量，损耗等情况，管理构件信息及材质
(图注4.bim模型算量清单)
九.创新技术应用
(一)VR技术应用.复杂部分的工艺复杂通过虚拟安装对作业人员进行培训以确保工程高效及准确的完成.
(二)AR技术应用.依据BIM模型搭建的AR增强现实工艺动画详细解读构件分解机制 对应图纸显示古法工艺的差异化构成形式
(三)3D打印revit模型部件验证模型精度和装配
(图5.3D打印bim模型)
十.古建BIM施工管理平台
项目首页主要功能有：模型、资料、表单、问题、任务、工程动态等支持手机端以及pc端的信息获取及提交.
(一).标准化流程及数据联动
从BIM数字化模型获取的数据，对数据可视化和分析
解决方案为操作员提供安装施工工艺所需的实时数据。
现在，工作人员可以从他们操作的机器上直接获取可操作信息，及现场施工安全操作模拟.避免严重错误.控制中心协调
(二).远程古建专家指导及依据(图11)
(1)支持文档和注释的双向视频通信.
(2)古建师傅利用率.安全性.古建师傅/工人互动.远程站点连接
bim模型的重难点施工工艺模拟.
(3)减少差旅时间和费用.培训费用.错误和重复访问
十一.自主研发古建APP
自主研发手机APP
(1)AR增强现实技术
依据BIM出图图纸手机扫描识别查看对应图纸的详细重难点构件的拆解和施工注意事
安卓app下载
(使用浏览器扫描二维码AR识别图见http://zhszjz.com/app%e4%b8%8b%e8%bd%bd/)
(2)PDF文档的浏览和导航
平台数字化作业流程解决方案使现场人员在作业的同时，能够查看指导说明文档、视频，完成清单，执行检查，输入数据和抓取图像。企业培训手册正在从纸质版转变为电子版，从而提高员工工作效率并减少操作错误。
(3)BIM信息联动.将构件信息输入进BIM模型中，为运维提供数据基础：包括类型、材料和材质.使用免提操作时的生产力和准确性
减少表单完成时间.更新周期时间.
(四)族库管理.
大雄宝殿BIM模型的主要信息都承载在标准构件族上，根据本项目多样的标准构件族形成族库。使用族编辑器创建和修改新构件族，也可以复制和修改现有构件族来获得类型，在不同的项目中重复利用，
根据本地、客户、服务器端的族库，从以前的零散族文件或文件夹架构的方式，改为更加安全的数据库形式，方便企业管理企业的BIM核心知识产权“族”文件
十一.项目主要使用软件
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Autodesk Revit |
Dynamofor Revit |
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autodesk inventor |
Autodesk Navisworks |
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Autodesk CAD |
Autodesk Project Vasari |
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Autodesk 3DS Max |
中亿丰BIM协同平台 |
小结
参数化建模以科学的理念为指导思想，以BIM软件做重要的技术支持，以成果应用为最终目标。指导思想，BIM建模技术，成果应用三位一体，承袭江南古建代表人蒯祥匠心独运，道法自然，以寒山寺仿唐木构楼阁式佛塔、西园寺藏经楼、重元寺多宝楼为代表，在园林古建领域拥有丰富的施工经验和实践案例。中亿丰的古建团队将采用现代项目管理理念，秉持传统木结构营造技艺，力求原汁原味再现大唐盛世，展现中国汉传佛教的文化特色。据悉，建成后的加国五台山不仅是佛教道场、弘法中心和学习基地，还是一个集宗教、文化、艺术、教育、环保、旅游等多功能的文化园区，它将以崭新的理念和方式，弘扬佛教的慈悲精神，传播中国的传统文化。
(图5：加国五台山项目阶段性施工完成)
