基于BIM的公共歷史建筑運維關(guān)鍵數(shù)據(jù)集成方法

宋天任 張 銘 孫沈鵬 談駿杰 江 凱

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

建筑物的運營維護(hù)管理（簡稱“運維管理”），是整合人員、設(shè)施、技術(shù)和管理流程，主要包括對人員工作和生活空間進(jìn)行規(guī)劃、維護(hù)、維修、應(yīng)急等管理。其目的是滿足人員在建筑空間中的基本使用、安全和舒適需求。

大量調(diào)研表明，公共歷史建筑具有系統(tǒng)復(fù)雜、能耗高、安全風(fēng)險大、運維穩(wěn)定性和公共安全保障要求高等特點，傳統(tǒng)被動式管理模式，突發(fā)故障多，管理效率低[1]。公共歷史建筑運維周期長，圖紙缺失或錯誤現(xiàn)象嚴(yán)重，運維依賴管理人員經(jīng)驗。而與此同時，大多數(shù)公共建筑運維管理委托外包團(tuán)隊完成；外包團(tuán)隊管理人員數(shù)量萎縮、青年人員從業(yè)意愿下降、老齡化趨勢明顯，導(dǎo)致外包團(tuán)隊水平參差不齊。公共歷史建筑亟需一套智能化程度和集成化程度更高的先進(jìn)管理手段。

BIM技術(shù)的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等特點使之成為了有效的歷史建筑建模和建筑信息集成工具。在運維管理中引入BIM技術(shù)，不僅可以滿足用戶的基本活動需求，增加投資收益[2]，還能實現(xiàn)設(shè)計、施工和運維的信息共享，提高信息的準(zhǔn)確性，并為各方人員提供一個便捷的管理平臺，以提高對建筑運維管理的效率。

公共歷史建筑的BIM運維關(guān)鍵數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)包含建筑固有的靜態(tài)數(shù)據(jù)和建筑使用過程中產(chǎn)生的動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括建筑各專業(yè)信息數(shù)據(jù)、建筑文化資料等，在建筑竣工時就已經(jīng)產(chǎn)生；動態(tài)數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)、安保管理數(shù)據(jù)、樓宇自控系統(tǒng)（BA）數(shù)據(jù)、建筑維保維修數(shù)據(jù)等。

目前BIM運維技術(shù)已經(jīng)在大量新建建筑中實施，在運維系統(tǒng)能正確地建立、穩(wěn)定地更新關(guān)鍵運維數(shù)據(jù)情況下，BIM運維技術(shù)已經(jīng)被證明是一種可以有效記錄和管理建筑日常運行狀態(tài)的工具[3-5]。然而針對公共歷史建筑的BIM運維管理實施，仍然停留在初級階段，不同于新建建筑的建筑信息創(chuàng)建和管理流程相對完善、建筑運維的實施過程與施工過程間相對銜接順利，歷史建筑鮮有新建項目，大部分都是改建、修繕工程，建筑數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和管理工作面臨更大的難度，對歷史建筑的運維工作開展影響較大，對運維平臺持續(xù)提供價值影響也較大。

1 現(xiàn)有方法分析

公共建筑運維BIM實施的總體技術(shù)路線如圖1所示，包括4個階段、9項工作。其中最核心的工作是建筑BIM創(chuàng)建、運維信息錄入、運信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接、運維BIM系統(tǒng)定制開大和管理體系建設(shè)。建筑BIM創(chuàng)建、運維信息錄入、運維信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接是關(guān)鍵數(shù)據(jù)集成工作的內(nèi)容。

圖1 既有歷史建筑運維BIM實施技術(shù)路線

1.1 建筑BIM創(chuàng)建和運維信息錄入階段

當(dāng)前歷史建筑的建筑信息模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建的主要方法如下：

1.1.1 逆向建模獲取點云數(shù)據(jù)

目前，歷史建筑實景建模的主要方法為利用三維激光掃描、近景攝影測量等手段獲取建筑外形點云數(shù)據(jù)，再通過網(wǎng)格封裝形成高精度的網(wǎng)格模型，能夠真實、精細(xì)地反映建筑的幾何外形、色彩與紋理等信息數(shù)據(jù)。

林文修等[6]利用激光掃描技術(shù)完成了重慶某建筑運維項目的運維BIM建立，實現(xiàn)了既有建筑的逆向建模。但是因為點云數(shù)據(jù)的散亂、非結(jié)構(gòu)化以及無強(qiáng)特征屬性，導(dǎo)致通過逆向建模技術(shù)生成的模型在應(yīng)用上存在一定問題，模型單體化困難，難以附加建筑信息，僅停留在觀看、漫游的應(yīng)用層級，因此大大限制了其在建筑BIM運維中的應(yīng)用（圖2）。

圖2 某建筑文保區(qū)點云立面

1.1.2 采用Revit等BIM建模軟件對既有建筑進(jìn)行翻模

目前，大部分BIM建模方法主要針對在建建筑的正向建模，正向建模是最傳統(tǒng)的計算機(jī)三維設(shè)計建模，根據(jù)設(shè)計者的構(gòu)想，預(yù)先定制好設(shè)計的內(nèi)容及尺寸信息，在計算機(jī)環(huán)境下進(jìn)行三維模型的建立[7]。正向建模的BIM可以向建筑生命周期參與單位提供完善信息，但正向方法不適用于既有建筑，主要原因如下：

1）既有建筑是已經(jīng)建設(shè)完成、真實存在的建筑，并且既有建筑竣工圖紙普遍與現(xiàn)況不符，資料缺失。導(dǎo)致按照正向建模方法創(chuàng)建的BIM模型與現(xiàn)況有偏差，不能滿足運維管理的需要。

2）采集既有建筑空間幾何信息困難。應(yīng)用于運維管理的既有建筑對數(shù)據(jù)精度要求較高，要求能夠準(zhǔn)確地反映房屋的實際情況。很多既有建筑，如歷史保護(hù)建筑往往具有獨特的造型、風(fēng)格或建筑細(xì)節(jié)，傳統(tǒng)測繪方法受人為因素及測量手段的影響精度較低。

周紅波等[8]利用逆向建模的結(jié)果，在點云模型的基礎(chǔ)上建立了Revit模型，實現(xiàn)了既有建筑的BIM建模。但問題集中于：當(dāng)應(yīng)用于改建頻繁、外形復(fù)雜的歷史建筑時，難以實現(xiàn)快速建模，BIM修改成本極高；建模過程復(fù)雜，需要使用4種以上軟件，依賴于軟件之間的格式認(rèn)同；由于圖紙缺失、現(xiàn)場施工中的復(fù)雜情況，導(dǎo)致建模效率低下、錯誤率高。

歷史建筑資料來源復(fù)雜，相對于新建建筑在BIM建模階段更容易出現(xiàn)建模失誤，而在當(dāng)前業(yè)內(nèi)對BIM復(fù)核工作中，大多采用人工抽查的方式進(jìn)行檢查，全部檢查的成本過高，亟需工具與創(chuàng)新方法。

1.2 建筑數(shù)據(jù)集成對接

建筑數(shù)據(jù)集成技術(shù)是以傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合樓宇自控中的監(jiān)控系統(tǒng)，在建筑運維過程中持續(xù)自動獲取建筑運行信息；以云計算平臺為支撐，對運維階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，解決BIM運維信息管理中的集成、提取和共享等問題[9]。

建筑數(shù)據(jù)集成技術(shù)已經(jīng)被證明可以改善傳統(tǒng)的作業(yè)方式困局，正確、高效、可更新的數(shù)據(jù)集成實施能夠最大程度發(fā)揮信息模型的作用，但同時也是應(yīng)用的難點。當(dāng)前歷史建筑的信息對接系統(tǒng)主要有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)、安保監(jiān)測數(shù)據(jù)、資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、平臺設(shè)備BA數(shù)據(jù)。

以BA數(shù)據(jù)對接為例，當(dāng)前常見的數(shù)據(jù)對接方式需要BA施工方、BIM建模方、運維數(shù)據(jù)庫開發(fā)方三方進(jìn)行合作，由BA施工方進(jìn)行現(xiàn)場的BA設(shè)備安裝和調(diào)試，將點位的名稱、點位含義和對接地址整理成表格交付BIM建模方和運維數(shù)據(jù)庫開發(fā)方，由開發(fā)方進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，并定制開發(fā)運維平臺系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的流通媒介主要是Excel表格，數(shù)據(jù)的流通內(nèi)容如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)對接工作方式關(guān)系

上述數(shù)據(jù)對接方式，對三方的開發(fā)協(xié)作要求高、對項目本身數(shù)據(jù)穩(wěn)定性要求高，當(dāng)發(fā)生點位變更、BIM變更、數(shù)據(jù)異常等，對各方的及時響應(yīng)能力要求高，這極易影響“數(shù)字孿生”的真實性，最終影響運維平臺正常使用。因此歷史建筑的關(guān)鍵運維數(shù)據(jù)對接有如下值得改進(jìn)的內(nèi)容：

1）提高數(shù)據(jù)對接自動化程度。傳統(tǒng)方法需要人工關(guān)聯(lián)大量信息以及人工傳遞數(shù)據(jù)，對人工正確性依賴程度高。而面對大量的數(shù)據(jù)，人工工作發(fā)生錯誤難以避免。

2）通過平臺來整合三方工作。由平臺集中數(shù)據(jù)，三方在平臺基礎(chǔ)上完善數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高效地獲取另一方的最新數(shù)據(jù)，提高工作效率。在解決數(shù)據(jù)變動、點位變動等問題時，高效獲取其他方數(shù)據(jù)更為重要。

2 歷史建筑BIM運維實施關(guān)鍵技術(shù)

基于以上分析，在歷史建筑領(lǐng)域的BIM運維應(yīng)用勢必需要面對資料缺失、數(shù)據(jù)變動、再次改建變化等問題，下文以上海音樂廳修繕工程為例，探究應(yīng)對以上問題的解決方案。

2.1 工程概況

上海音樂廳建于1930年，是全國第1座由中國建筑設(shè)計師設(shè)計的西方古典建筑風(fēng)格的音樂廳，是上海演藝大世界核心劇場之一，也是“上海文化”品牌的金名片。2019年上海音樂廳修繕工程包含文保區(qū)和非文保區(qū)兩部分，其中文保區(qū)主要包括北立面、北廳、觀眾廳以及東走廊等區(qū)域。文保區(qū)內(nèi)包含較多極具歷史價值且造型優(yōu)美、配色豐富的特色保護(hù)部位，比如觀眾廳內(nèi)被稱為“歐特碧之瞳”的海天藍(lán)雕花穹頂、北進(jìn)門廳的科林斯裝飾柱、北立面的漢白玉浮雕等。

上海音樂廳已有90年歷史，在2000年以前已經(jīng)經(jīng)歷多次大修改建；在2003年上海音樂廳進(jìn)行了平移頂升改造，音樂廳向東南方向移動了66.46 m，并抬高3.38 m，抵達(dá)新址。此次改建后，舞臺深度加大一倍，新建南廳和西廳，增加演員休息室，重建屋頂，座位增加到1 200座；在2020年上海音樂廳再次進(jìn)行改建，在保持整體建筑風(fēng)格不變的基礎(chǔ)上，提升硬件設(shè)施設(shè)備和服務(wù)能級水平，新增地下新的音樂展演空間，內(nèi)部格局改變后功能性更強(qiáng)，運行效率更高，可向喜愛藝術(shù)的群眾提供更好的環(huán)境。

2.2 建筑BIM創(chuàng)建和運維信息錄入階段關(guān)鍵技術(shù)

上海音樂廳的BIM創(chuàng)建過程中，應(yīng)對的主要問題是：圖紙資料缺失、已有BIM與現(xiàn)場不符。

2.2.1 應(yīng)對圖紙缺失問題，使用多源模型融合技術(shù)

上音樂廳修繕項目中，將施工區(qū)域分為新建區(qū)域、建筑修繕區(qū)域和內(nèi)部裝飾區(qū)域，針對3個區(qū)域特點，分別采用不同的方法建模，最終將3部分的BIM融合得到了運維BIM。

對于新建的建筑部分，圖紙資料完善，根據(jù)設(shè)計院提供的圖紙，采用Revit翻模的方式進(jìn)行BIM的創(chuàng)建。

對于實行修繕的建筑外墻部分，為了使模型具有高真實感，采用三維建模的方式得到面模型，配合真實的外墻材料團(tuán)和基于物理渲染方式（圖4），實現(xiàn)在壓縮數(shù)據(jù)量的同時，保證視覺效果的保真。物理渲染技術(shù)和傳統(tǒng)渲染技術(shù)實現(xiàn)原理不同，物理渲染技術(shù)是1種利用多種物理來模擬真實世界的渲染技術(shù)的集合，更強(qiáng)調(diào)模型和環(huán)境的整體關(guān)系，在不同的環(huán)境、不同觀察角度，模型的光影效果的不同。

圖4 上海音樂廳基于物理渲染技術(shù)的高真實感模型

對于建筑中不改動的部分，采用三維激光掃描的方式，獲得模型點云，并使用高保真減面技術(shù)輕量化模型。主要的實現(xiàn)過程是：對原始點云進(jìn)行濾波降噪處理，刪除體外孤點；在保留幾何細(xì)節(jié)和紋理映射的前提下，生成簡化三角化表面（圖5）。

圖5 上海音樂廳掃描點云模型與航拍實拍照片對比

2.2.2 應(yīng)對模型修改或錯誤問題，使用混合現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行快速模型檢查

在項目過程中，由于信息傳遞不正確，或人為疏忽產(chǎn)生了大量建模錯誤；在運維的使用過程中，模型就是對現(xiàn)實的真實描述，對模型與現(xiàn)實匹配度要求極高。混合現(xiàn)實技術(shù)，能夠?qū)⑻摂M的BIM模型與現(xiàn)實世界的建筑實體相疊加，可以快速找到模型中與現(xiàn)場不一致的問題（圖6～圖8）。

圖6 將BIM模型加載到混合現(xiàn)實虛擬空間

圖7 檢查BIM對象的運維信息

圖8 現(xiàn)場使用情況

2.3 建筑信息系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)對接技術(shù)

以下主要介紹上海音樂廳修繕項目的BA數(shù)據(jù)集成，其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成流程可參考BA數(shù)據(jù)集成的工作流程。BA點位是動態(tài)數(shù)據(jù)中的主要數(shù)據(jù)來源，上海音樂廳建筑中設(shè)計BA點位個數(shù)約1 300點，所有點位含有3個關(guān)鍵參數(shù)：點位名稱、對接地址、數(shù)據(jù)類型。如果采用傳統(tǒng)BA與BIM的對接方式，預(yù)計花費工期2個月。

為了確保運維工作順利開展，項目實施過程中，需要確保BA施工方、BIM建模方、數(shù)據(jù)庫開發(fā)方的全部數(shù)據(jù)對接無誤，確保使用過程中點位更改、數(shù)據(jù)變化等問題可通過平臺快速解決[10]。

上海音樂廳修繕項目中采用了基于BIM的數(shù)據(jù)對接流程，并研發(fā)了相應(yīng)平臺系統(tǒng)：

1）校對BA需要控制的設(shè)備（以下簡稱設(shè)備）是否在BIM中正確建模。此工作應(yīng)使用上節(jié)提到的混合現(xiàn)實檢查技術(shù)在建筑BIM創(chuàng)建階段完成。

2）BA施工人員完成BA系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)建立、編程和調(diào)試工作，確保BA系統(tǒng)正常運行。所有監(jiān)測點位應(yīng)帶有唯一識別碼guid。

3）BIM建模人員與平臺開發(fā)人員完成運維平臺的搭建。BIM建模人員手工完成設(shè)備類型—傳感器類型的關(guān)聯(lián)（以Revit為例，則需建立設(shè)備族與此設(shè)備內(nèi)傳感器類型屬性的關(guān)聯(lián)），平臺開發(fā)人員使用插件自動完成設(shè)備—設(shè)備類型—傳感器類型的關(guān)系的建立，數(shù)據(jù)存儲在云端數(shù)據(jù)庫中。

4）在運維平臺的關(guān)鍵數(shù)據(jù)對接功能中，逐個選取相應(yīng)的設(shè)備，將此設(shè)備中的監(jiān)測點位參數(shù)逐一錄入對接地址和數(shù)據(jù)類型屬性框中。

5）可導(dǎo)出BA施工人員所需的設(shè)備編號與傳感器編號對應(yīng)清單。可導(dǎo)出BIM建模人員所需BIM構(gòu)件ID與傳感器編號對應(yīng)清單。可導(dǎo)出開發(fā)人員所需BIM構(gòu)件ID、設(shè)備編號、傳感器對接地址、數(shù)據(jù)類型清單，并自動生成后臺到數(shù)據(jù)庫中。

6）當(dāng)傳感器的點位名稱、對接地址、數(shù)據(jù)類型任意參數(shù)發(fā)生變化時，則在運維平臺的三維數(shù)據(jù)錄入功能中，找到發(fā)生變化的設(shè)備，重新輸入相應(yīng)變化參數(shù)，即可完成數(shù)據(jù)更新操作。

本項目利用運維平臺集成了BIM模型關(guān)鍵數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，基于BIM模型開展BA數(shù)據(jù)對接工作，實現(xiàn)了通過一次數(shù)據(jù)綁定，完成了原本需要BA施工方、BIM建模方、數(shù)據(jù)庫開發(fā)方的工作，并減少了大量人工操作導(dǎo)致的錯誤，實現(xiàn)了基于BIM的數(shù)據(jù)綁定，增強(qiáng)了項目的魯棒性（圖9）。

圖9 基于BIM的數(shù)據(jù)對接流程

2.4 運維平臺整合技術(shù)

在上海音樂廳修繕改造項目中，最終向業(yè)主交付了基于BIM的智慧運維平臺。在建筑運維的日常實施過程中，運維平臺不僅充當(dāng)三維的建筑資料文檔，更以三維可視化方式描述建筑運行機(jī)理和能耗走勢，記錄建筑及設(shè)備歷史的維修、維保信息，形成建筑電子“病歷卡”（圖10）。在新大樓竣工后，運維人員使用智慧運維管理平臺輔助日常的維修維保管理、機(jī)電設(shè)備管理、能耗管理，使用BIM模型進(jìn)行設(shè)備操作維保培訓(xùn)，減少了處理故障的時間，降低了突發(fā)故障的發(fā)生率。

圖10 運維數(shù)據(jù)彈性可視化頁面

當(dāng)上海音樂廳下一次改造修繕時，運維平臺將會向業(yè)主和設(shè)計師提供建筑的建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等靜態(tài)BIM信息，同時將提供建筑運行大數(shù)據(jù)所得到的分析數(shù)據(jù)，輔助新一輪改建方案的設(shè)計和實施。

3 結(jié)語

本文結(jié)合上海音樂廳修繕工程，詳細(xì)分析了公共歷史建筑運維實施落地過程中產(chǎn)生的問題，闡述了BIM運維平臺正確集成運維關(guān)鍵數(shù)據(jù)的重點、難點，討論了歷史建筑由于缺少資料、缺少維護(hù)、改建頻繁等問題，而對BIM運維的落地實施產(chǎn)生的影響。介紹了在上海音樂廳修繕工程中應(yīng)對這些問題的解決方法。實際應(yīng)用表明，本文中所介紹的方法可以較好地輔助BIM運維數(shù)據(jù)集成工作，推動BIM運維平臺落地使用，保障公共歷史建筑運行維護(hù)工作順利開展。