基于全生命周期的歷史風貌建筑數字保護研究
——以段祺瑞舊居修繕為例

苑娜，郭峰，張建光

（1天津國土資源和房屋職業學院，天津 300270；2天津市歷史風貌建筑整理有限責任公司，天津 300041；3天津天成華海科技有限公司，天津 300143）

0 引言

信息化是當今時代發展的大趨勢，正在全球展開的信息和信息技術革命，促使各行各業都在進行前所未有的信息化變革。“網絡強國”、“數字中國”、“智慧社會”亦被寫入十九大報告，從宏觀政策層面對信息化提出要求。建筑業作為我國的支柱產業，其信息化勢在必行。“十三五”規劃中就明確提出，在“十三五”期間，全面提高建筑業信息化水平，著力增強BIM、大數據、智能化、移動通訊、云計算、物聯網等信息技術集成應用能力，建筑業數字化、網絡化、智能化取得突破性進展，初步建成一體化行業監管和服務平臺，數據資源利用水平和信息服務能力明顯提升。

在建筑業信息化的變革中，BIM技術、三維激光掃描技術等先進的技術，都需要嫁接網絡化、智能化以及物聯網等平臺，信息化的關鍵不再是信息自身的內容，而是信息的流動傳達共享。歷史建筑的保護也不應是一個個孤立的項目，而是涵蓋了歷史建筑的前期調研、設計、施工、運維乃至再次修復的全生命周期的信息的記錄、傳遞、共享，實現歷史建筑的數字和信息化保護。

1 國內外研究概況

對于歷史建筑的保護研究，發達國家開展得較早。自19世紀中葉開始，逐步形成了法國派、英國派、意大利派等不同的保護觀念，它們之間既互相否定又互相借鑒、融合，最后逐漸形成了以意大利派為代表的，以強調歷史價值為特征的歷史建筑保護觀念。我國歷史建筑的保護工作起步較晚，再加上我國社會、經濟發展水平所限以及文化傳統方面的差異，保護觀念及力度都遠遠不及西方發達國家。隨著近年來各方面的努力，我國在歷史建筑保護方面取得了一定的發展，歷史建筑保護概念立法、現代保護理論技術、保護專業等從無到有并逐步深入成熟。

對歷史建筑的數字化保護，國內外已經出現一些優秀的案例。意大利阿奎拉圣瑪麗亞教堂復原工程，用BIM技術服務損壞構件并對其實施干預行為，隨之運用BIM技術對整個項目經濟評價和分析；圣阿伯利雷納教堂的可視化項目，利用插件將點云按層位關系導入Revit2012中，更加精確地實現了參數化構件進而構建模型；武英殿保護工程從對族的構建、階段化設置、成果交付三個部分論述了三維激光掃描技術和BIM技術在遺產記錄與真實性中的應用；天津大學在文物建筑測繪領域中應用BIM也取得了一定的成果，吳哥遺址公園核心地帶保護中首次應用BIM，張掖大佛寺保護中是BIM與河西走廊的結合，德和園大戲樓案例中是BIM與傳統木構建筑的結合[1]。也有學者對于該項研究發表了多篇學術論文。學位論文《信息化測繪背景下基于BIM技術的建筑遺產信息采集與表達》嘗試利用BIM技術進行修繕施工和階段化的表達（李舒靜，2014）[2]；論文《基于HBIM的嘉峪關信息化測繪研究——以嘉峪關木構建筑為例》認為HBIM不應該作為對視圖圖紙的補充，而應該作為“索引框架”統領全局（李珂，2015）[3]；論文《BIM技術在歷史建筑信息采集中的應用——以黃海化學工業研究社為例》研究的是BIM技術在歷史建筑信息采集中的應用，重點討論如何利用三維激光掃描與BIM技術的結合實現歷史建筑信息的無損傳遞及如何利用BIM解讀歷史建筑全生命周期概念（石越、青木信夫、徐蘇斌、吳蔥，2014）[4]；論文《BIM技術在城市結構調整中對歷史建筑保護的應用研究——以吉林建筑工程學院體育館復原為例》研究的是BIM概念下的歷史建筑的數字化復原（韓銳、張俊峰，2013）[5]。通過研究國內外案例及學術論文，可以肯定的是對歷史建筑進行數字保護的價值是顯著的，亦是歷史建筑保護的必然趨勢。

天津因其九國租界的特殊歷史背景，擁有大量風格多樣的歷史風貌建筑，最為典型的五大道建筑群，被稱為萬國建筑博覽苑。這些歷史風貌建筑既是建筑文化的集中反映，也是天津市城市特色的主要特征和寶貴的文化資源。保護、利用好歷史風貌建筑，對于傳承天津歷史文脈、提升城市文化品位、打造展示天津的對外窗口，都具有非常重要的意義。天津市在2005年便頒布了《天津市歷史風貌建筑保護條例》，使保護工作走上了法制化、規范化道路。建立了由市長任主任的天津市歷史風貌建筑保護委員會，在《條例》基礎上，制定了《歷史風貌建筑使用管理辦法》等一系列配套的規范性文件，編制了《天津市歷史風貌建筑保護修繕技術規程》，繪制了《天津市歷史風貌建筑保護圖則》，修繕了靜園、慶王府等文保項目，整理了百余幢歷史風貌建筑，提升了歷史街區的社會綜合價值，推動了歷史街區在當代社會的整合與振興[6]。對歷史風貌建筑的數字保護雖未普及，但也已進行一些成功嘗試，例如對靜園、慶王府等已修繕項目的智能化綜合管理平臺改造。段祺瑞舊居修繕工程則是在全生命周期中應用數字保護的典型案例。

2 段祺瑞舊居修繕工程簡介

段祺瑞舊居位于今天津鞍山道38號，原日租界宮島街，屬于歐洲折中外廊式建筑風格。該樓原為段祺瑞妻弟吳光新（曾任陸軍總長）于1920年出資興建，后讓于段祺瑞居住，故被人稱之為“段公館”，是段祺瑞軍政生涯的起點和活動的重要基地。

段祺瑞舊居是一座三層磚木結構的西洋建筑，具有很強的歐洲庭院式古典建筑風格，是當時日租界最豪華的私人公館。該建筑在空間構成、造型、裝飾等形式美方面不但嚴謹考究，而且體現了高水準的設計意匠和表現手法。這里是段祺瑞一生幾經沉浮的傳奇見證，為人們講述民國初期風云人物的生活片段，使人們更深刻的理解當時的歷史，為天津近代社會研究領域提供第一手資料。段祺瑞舊居具有較高的歷史價值、藝術價值、科學價值和史料價值，被列為天津市重點保護歷史風貌建筑和天津市文物保護單位。

舊居在1976年地震后損毀較為嚴重，拆除了坡屋頂式三層建筑及八角涼亭（圖1）。之后作為天津市和平區教師進修學校，因辦公需要，重新加建了簡易三層房屋，并在外檐處加裝了抗震柱和圈梁（圖2）。

圖1 地震前坡屋頂三層建筑

圖2 加建三層簡易房屋后

為了更好地保護利用段祺瑞舊居，自2014年起，天津市歷史風貌建筑整理有限責任公司便開始著手段祺瑞舊居的修繕保護。基于段祺瑞舊居的保護價值和歷史風貌建筑數字保護的必要性，項目實施中充分發揮產學研深度融合，建設單位聯合專業院校以及掌握先進技術的企業，在段祺瑞舊居保護全過程中應用BIM和三維激光掃描等先進技術，探索數字保護在歷史風貌建筑保護中的實踐應用。

3 數字保護在段祺瑞舊居全生命周期中的應用

建筑全生命周期管理，即BLM （全稱Building Lifecycle Management）是建筑工程項目從規劃設計到施工，再到運營維護，直至拆除為止的全過程[7]。歷史建筑的保護與修復工程與新建工程不同，必須依托于歷史建筑本身，這就需要掌握歷史建筑的來龍去脈，經歷前期調研、修復設計、施工以及運營維護等四個階段。對段祺瑞舊居實施全生命周期的數字保護也從這幾個方面入手。

3.1 前期調研階段

前期調研對于歷史建筑保護與修復工程而言，是最重要的，是一切設計與施工工程的前提與基礎。前期調研做地越詳細，對建筑的歷史和現狀了解地越充分，后期的設計與施工才能越精確到位。若前期調研不做或不充分，將使后期設計與施工錯誤百出，得不到理想的修復效果[8]。

在前期調研階段我們通過兩臺三維激光掃描儀協同作業，快速、大量的采集現狀空間點位信息，得到了段祺瑞舊居現狀完整的三維信息點云文件，該點云文件掃描精度為每秒106萬個點，誤差可達毫米級。該文件真實記錄了段祺瑞舊居的現狀，實現了歷史建筑信息的無損傳遞。該點云文件具有多種應用價值。

（1）基于三維點云文件，實現測量數據量測及特征提取，通過模型導出1∶1正射影像，繪制高精度現狀測繪圖紙，完善歷史建筑的現狀資料，如圖3、圖4。

圖3 三維激光掃描點云文件及數據量取

圖4 正射影像及測繪圖紙

（2）基于三維點云文件，實現了對現狀的檢測分析。后期每隔一定時間進行一次掃描，并對多次掃描的數據進行迭加分析比較，還可以實現變形監測（圖5）。

圖5 現狀檢測分析

3.2 設計階段

前期調研完成后，便進入設計階段，設計階段決定了歷史建筑保護修復的最終效果，因而具有不可替代的重要性。基于段祺瑞舊居現狀測繪圖紙，我們建立了現狀BIM模型，進一步補充了現狀資料，同時在現狀模型的基礎上，結合修繕設計方案，建立了修繕設計BIM模型。通過對比現狀和設計模型，進一步優化設計方案（圖6）。

圖6 段祺瑞舊居現狀及修繕設計BIM模型

利用BIM模型實現了修繕設計中管線碰撞的檢測和優化設計。在BIM模型中對建筑結構及設備安裝工程進行碰撞分析，找到碰撞節點，進行溝通協商，合理調節管道的具體位置，減少交叉管道碰撞的發生、杜絕重疊碰撞的發生。通過設備管道的模型化，精確合理的布置，進一步提出空間的優化方案，通過模型的分析及優化使管道高度最小化，從而實現空間高度的最大化利用（圖7）。

圖7 管線碰撞檢測分析

3.3 施工階段

施工階段最重要的是跟蹤段祺瑞舊居修繕施工全過程，可以將BIM模型和計劃進度進行數據集成，以實現BIM基于時間維度的4D應用。利用三維激光掃描儀記錄重要的施工節點和施工工藝，將施工過程在BIM模型中實時更新，實現施工進度的實時監控和及時調整，使施工管理更加高效。利用BIM模型進行項目的重點和難點模擬，實現施工方案的優化。借助BIM提供的工程量清單以及各階段材料信息統計數據，實現材料的準確加工和成本節約。此外，通過三維激光掃描、GPS、RFID、移動通訊、云計算和互聯網等技術與項目的BIM模型進行整合，指導、記錄、跟蹤、分析作業現場的各類活動，實現數字保護的基礎數據收集，完成修繕BIM模型，建立修繕信息共享平臺數據庫[9]。數據庫的建立為修繕工程的協同合作提供平臺，為編制段祺瑞舊居數字化保護修繕實錄提供數據，也為項目運營維護準備了準確、全面、直觀的數據庫。

3.4 運維階段

在運維階段，將建筑的歷史、現狀、修繕以及管理信息有機整合，針對項目設備設施及運行系統的整個生命周期，建立運維智能綜合管理平臺，實現變電站、電梯、照明、消防、電氣火災、空調暖通等系統的數字化、智能化管理。提高管理水平，節省人力成本，減少維護費用；實時檢測、故障預警、降低風險，減少損失；實時維護，延長設備使用壽命，降低物業成本；實時統計客流人數，匯總任意時段客流信息，深度分析客流數據。

同時，大量的數字化資源，為開發數字旅游提供了數據支持。借助平臺同步提供建筑使用情況和性能，修繕完成后，可在段祺瑞舊居中布置二維碼，通過掃描將歷史信息、修繕工藝、隱蔽節點等信息進行展示，實現歷史風貌建筑本身及其保護工作的展示宣傳，推進保護工作的社會共享，提高民眾的認知感和保護意識。

4 結語

對歷史風貌建筑進行數字化保護，實現資產數字化及平臺化管理，可降低歷史風貌建筑保護的難度，減少歷史風貌建筑保護的成本，具有很好的經濟效益。云平臺的建設實現了歷史風貌建筑保護的成果共享，展示了歷史風貌建筑的價值和優秀的傳統工藝，提高了民眾對歷史風貌建筑的認識和保護意識，具有極大的社會效益。對歷史風貌建筑的數字化保護不應僅僅停留在段祺瑞舊居這樣的重點建筑上，而應該以此案例為起點，形成完善的保護模式并加以推廣，實現歷史風貌建筑數字化保護的全覆蓋，從而更好的實現歷史文化的傳承。