基于BIM的公共歷史建筑運維關鍵數據集成方法

宋天任 張 銘 孫沈鵬 談駿杰 江 凱

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

建筑物的運營維護管理（簡稱“運維管理”），是整合人員、設施、技術和管理流程，主要包括對人員工作和生活空間進行規劃、維護、維修、應急等管理。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。

大量調研表明，公共歷史建筑具有系統復雜、能耗高、安全風險大、運維穩定性和公共安全保障要求高等特點，傳統被動式管理模式，突發故障多，管理效率低[1]。公共歷史建筑運維周期長，圖紙缺失或錯誤現象嚴重，運維依賴管理人員經驗。而與此同時，大多數公共建筑運維管理委托外包團隊完成；外包團隊管理人員數量萎縮、青年人員從業意愿下降、老齡化趨勢明顯，導致外包團隊水平參差不齊。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管理手段。

BIM技術的可視化、協調性、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，不僅可以滿足用戶的基本活動需求，增加投資收益[2]，還能實現設計、施工和運維的信息共享，提高信息的準確性，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運維關鍵數據應當包含建筑固有的靜態數據和建筑使用過程中產生的動態數據。靜態數據主要包括建筑各專業信息數據、建筑文化資料等，在建筑竣工時就已經產生；動態數據包括結構健康監測數據、安保管理數據、樓宇自控系統（BA）數據、建筑維保維修數據等。

目前BIM運維技術已經在大量新建建筑中實施，在運維系統能正確地建立、穩定地更新關鍵運維數據情況下，BIM運維技術已經被證明是一種可以有效記錄和管理建筑日常運行狀態的工具[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，建筑數據的創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，對運維平臺持續提供價值影響也較大。

1 現有方法分析

公共建筑運維BIM實施的總體技術路線如圖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創建、運維信息錄入、運信息系統數據對接、運維BIM系統定制開大和管理體系建設。建筑BIM創建、運維信息錄入、運維信息系統數據對接是關鍵數據集成工作的內容。

圖1 既有歷史建筑運維BIM實施技術路線

1.1 建筑BIM創建和運維信息錄入階段

當前歷史建筑的建筑信息模型數據創建的主要方法如下：

1.1.1 逆向建模獲取點云數據

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據，再通過網格封裝形成高精度的網格模型，能夠真實、精細地反映建筑的幾何外形、色彩與紋理等信息數據。

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

圖2 某建筑文保區點云立面

1.1.2 采用Revit等BIM建模軟件對既有建筑進行翻模

目前，大部分BIM建模方法主要針對在建建筑的正向建模，正向建模是最傳統的計算機三維設計建模，根據設計者的構想，預先定制好設計的內容及尺寸信息，在計算機環境下進行三維模型的建立[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）既有建筑是已經建設完成、真實存在的建筑，并且既有建筑竣工圖紙普遍與現況不符，資料缺失。導致按照正向建模方法創建的BIM模型與現況有偏差，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。應用于運維管理的既有建筑對數據精度要求較高，要求能夠準確地反映房屋的實際情況。很多既有建筑，如歷史保護建筑往往具有獨特的造型、風格或建筑細節，傳統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]利用逆向建模的結果，在點云模型的基礎上建立了Revit模型，實現了既有建筑的BIM建模。但問題集中于：當應用于改建頻繁、外形復雜的歷史建筑時，難以實現快速建模，BIM修改成本極高；建模過程復雜，需要使用4種以上軟件，依賴于軟件之間的格式認同；由于圖紙缺失、現場施工中的復雜情況，導致建模效率低下、錯誤率高。

歷史建筑資料來源復雜，相對于新建建筑在BIM建模階段更容易出現建模失誤，而在當前業內對BIM復核工作中，大多采用人工抽查的方式進行檢查，全部檢查的成本過高，亟需工具與創新方法。

1.2 建筑數據集成對接

建筑數據集成技術是以傳感網絡為基礎的物聯網技術，結合樓宇自控中的監控系統，在建筑運維過程中持續自動獲取建筑運行信息；以云計算平臺為支撐，對運維階段產生的數據進行管理，解決BIM運維信息管理中的集成、提取和共享等問題[9]。

建筑數據集成技術已經被證明可以改善傳統的作業方式困局，正確、高效、可更新的數據集成實施能夠最大程度發揮信息模型的作用，但同時也是應用的難點。當前歷史建筑的信息對接系統主要有結構健康監測數據、安保監測數據、資產管理數據、平臺設備BA數據。

以BA數據對接為例，當前常見的數據對接方式需要BA施工方、BIM建模方、運維數據庫開發方三方進行合作，由BA施工方進行現場的BA設備安裝和調試，將點位的名稱、點位含義和對接地址整理成表格交付BIM建模方和運維數據庫開發方，由開發方進行數據匯總，并定制開發運維平臺系統。數據的流通媒介主要是Excel表格，數據的流通內容如圖3所示。

圖3 傳統數據對接工作方式關系

上述數據對接方式，對三方的開發協作要求高、對項目本身數據穩定性要求高，當發生點位變更、BIM變更、數據異常等，對各方的及時響應能力要求高，這極易影響“數字孿生”的真實性，最終影響運維平臺正常使用。因此歷史建筑的關鍵運維數據對接有如下值得改進的內容：

1）提高數據對接自動化程度。傳統方法需要人工關聯大量信息以及人工傳遞數據，對人工正確性依賴程度高。而面對大量的數據，人工工作發生錯誤難以避免。

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

2 歷史建筑BIM運維實施關鍵技術

基于以上分析，在歷史建筑領域的BIM運維應用勢必需要面對資料缺失、數據變動、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座由中國建筑設計師設計的西方古典建筑風格的音樂廳，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和非文保區兩部分，其中文保區主要包括北立面、北廳、觀眾廳以及東走廊等區域。文保區內包含較多極具歷史價值且造型優美、配色豐富的特色保護部位，比如觀眾廳內被稱為“歐特碧之瞳”的海天藍雕花穹頂、北進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年以前已經經歷多次大修改建；在2003年上海音樂廳進行了平移頂升改造，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行改建，在保持整體建筑風格不變的基礎上，提升硬件設施設備和服務能級水平，新增地下新的音樂展演空間，內部格局改變后功能性更強，運行效率更高，可向喜愛藝術的群眾提供更好的環境。

2.2 建筑BIM創建和運維信息錄入階段關鍵技術

上海音樂廳的BIM創建過程中，應對的主要問題是：圖紙資料缺失、已有BIM與現場不符。

2.2.1 應對圖紙缺失問題，使用多源模型融合技術

上音樂廳修繕項目中，將施工區域分為新建區域、建筑修繕區域和內部裝飾區域，針對3個區域特點，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，根據設計院提供的圖紙，采用Revit翻模的方式進行BIM的創建。

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和基于物理渲染方式（圖4），實現在壓縮數據量的同時，保證視覺效果的保真。物理渲染技術和傳統渲染技術實現原理不同，物理渲染技術是1種利用多種物理來模擬真實世界的渲染技術的集合，更強調模型和環境的整體關系，在不同的環境、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輕量化模型。主要的實現過程是：對原始點云進行濾波降噪處理，刪除體外孤點；在保留幾何細節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 應對模型修改或錯誤問題，使用混合現實技術進行快速模型檢查

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

圖6 將BIM模型加載到混合現實虛擬空間

圖7 檢查BIM對象的運維信息

圖8 現場使用情況

2.3 建筑信息系統關鍵數據對接技術

以下主要介紹上海音樂廳修繕項目的BA數據集成，其他系統的數據集成流程可參考BA數據集成的工作流程。BA點位是動態數據中的主要數據來源，上海音樂廳建筑中設計BA點位個數約1 300點，所有點位含有3個關鍵參數：點位名稱、對接地址、數據類型。如果采用傳統BA與BIM的對接方式，預計花費工期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、數據庫開發方的全部數據對接無誤，確保使用過程中點位更改、數據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的數據對接流程，并研發了相應平臺系統：

1）校對BA需要控制的設備（以下簡稱設備）是否在BIM中正確建模。此工作應使用上節提到的混合現實檢查技術在建筑BIM創建階段完成。

2）BA施工人員完成BA系統內部的參數建立、編程和調試工作，確保BA系統正常運行。所有監測點位應帶有唯一識別碼guid。

3）BIM建模人員與平臺開發人員完成運維平臺的搭建。BIM建模人員手工完成設備類型—傳感器類型的關聯（以Revit為例，則需建立設備族與此設備內傳感器類型屬性的關聯），平臺開發人員使用插件自動完成設備—設備類型—傳感器類型的關系的建立，數據存儲在云端數據庫中。

4）在運維平臺的關鍵數據對接功能中，逐個選取相應的設備，將此設備中的監測點位參數逐一錄入對接地址和數據類型屬性框中。

5）可導出BA施工人員所需的設備編號與傳感器編號對應清單。可導出BIM建模人員所需BIM構件ID與傳感器編號對應清單。可導出開發人員所需BIM構件ID、設備編號、傳感器對接地址、數據類型清單，并自動生成后臺到數據庫中。

6）當傳感器的點位名稱、對接地址、數據類型任意參數發生變化時，則在運維平臺的三維數據錄入功能中，找到發生變化的設備，重新輸入相應變化參數，即可完成數據更新操作。

本項目利用運維平臺集成了BIM模型關鍵數據的優勢，基于BIM模型開展BA數據對接工作，實現了通過一次數據綁定，完成了原本需要BA施工方、BIM建模方、數據庫開發方的工作，并減少了大量人工操作導致的錯誤，實現了基于BIM的數據綁定，增強了項目的魯棒性（圖9）。

圖9 基于BIM的數據對接流程

2.4 運維平臺整合技術

在上海音樂廳修繕改造項目中，最終向業主交付了基于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理和能耗走勢，記錄建筑及設備歷史的維修、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、機電設備管理、能耗管理，使用BIM模型進行設備操作維保培訓，減少了處理故障的時間，降低了突發故障的發生率。

圖10 運維數據彈性可視化頁面

當上海音樂廳下一次改造修繕時，運維平臺將會向業主和設計師提供建筑的建筑、結構、機電等靜態BIM信息，同時將提供建筑運行大數據所得到的分析數據，輔助新一輪改建方案的設計和實施。

3 結語

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