既有建筑BIM運(yùn)維實(shí)現(xiàn)方法分析
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摘要：相比于BIM技術(shù)在新建項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)、施工階段的廣泛應(yīng)用，BIM技術(shù)在既有建筑改造和運(yùn)維方面的應(yīng)用還比較少。該文對既有建筑信息采集需求和特點(diǎn)進(jìn)行分析，對如何建立既有建筑bim模型并應(yīng)用于既有建筑運(yùn)行維護(hù)和管理進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：既有建筑；三維掃描；BIM技術(shù)；運(yùn)維管理
引言
國家大力推進(jìn)建筑業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用，相比于BIM技術(shù)在新建項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)、施工階段的應(yīng)用越來越廣泛，BIM技術(shù)在既有建筑改造和運(yùn)維方面的應(yīng)用還比較少。與新建建筑BIM技術(shù)應(yīng)用相比，既有建筑建筑信息模型表達(dá)及應(yīng)用等方面的需求有很大不同，如何采用BIM技術(shù)獲得完整和精細(xì)的建筑物信息化數(shù)字模型，并應(yīng)用于既有建筑的后期運(yùn)維管理，本文對此進(jìn)行了探討。
1既有建筑的BIM需求
信息化是建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的主要特征之一，BIM應(yīng)用作為建筑業(yè)信息化的重要組成部分，是促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級的重要手段。住建部《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》要求，2020年末，建筑行業(yè)甲級勘察、設(shè)計(jì)單位以及特級、一級房屋建筑工程施工企業(yè)應(yīng)掌握并實(shí)現(xiàn)BIM與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術(shù)的一體化集成應(yīng)用。在住建部和各地相關(guān)政策的推動下，BIM技術(shù)在新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工階段已得到廣泛應(yīng)用并取得了較好的效果。我們現(xiàn)在周邊的既有建筑，大部分沒有采用BIM技術(shù)，不論在上海外灘的歷史建筑，還是在重慶（圖1），以及全國其他地方的建筑，都沒有建立數(shù)字信息模型。而這些建筑中有很大一部分屬于或即將成為文物建筑，還要繼續(xù)使用或保護(hù)100年以上，因此必須與時(shí)代接軌，使用BIM技術(shù)進(jìn)行余下年代的維護(hù)管理?！俺鞘懈屡c既有建筑改造”的建設(shè)方針，取代了以前通過大拆大建改變城市面貌和人居環(huán)境的做法。這是城市發(fā)展的正確方向，利國利民。因此，一些保留下來的既有建筑因使用功能的變化和面積的需求，與新建建筑的“結(jié)合”就成了一種必然方式。新建建筑的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營過程需要利用BIM技術(shù)來完成，而既有建筑部分則需要通過建立三維建筑模型，數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，這樣新舊建筑才能有機(jī)地形成一體，實(shí)現(xiàn)工程監(jiān)理、物業(yè)管理、設(shè)備管理、數(shù)字化加工、工程化管理等功能。我們身邊的既有建筑，其中一部分屬于文物建筑，它是前人留下的寶貴財(cái)富，它承載著優(yōu)美的歷史故事和傳說，展現(xiàn)了建筑的民族風(fēng)格、精湛的工藝水平和很高的藝術(shù)價(jià)值。但是，這些建筑沒有留下設(shè)計(jì)圖紙，一些著名建筑后來補(bǔ)充的主要是建筑圖，維護(hù)修繕也是“腳疼醫(yī)腳，頭痛醫(yī)頭”，缺乏整體認(rèn)識和規(guī)劃。而采用了BIM技術(shù)，使文物建筑的信息更綜合、全面，對它進(jìn)行全方位妥善地保護(hù)和科學(xué)利用成為可能。
2數(shù)字模型的建立
既有建筑的數(shù)字化是能夠利用BIM技術(shù)的重要一步。新修建筑首先是通過設(shè)計(jì)建立數(shù)字化模型，然后再對其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依此進(jìn)行施工、運(yùn)營。既有建筑本身已經(jīng)建成，雖然有些建筑也有當(dāng)初的設(shè)計(jì)圖紙，但那是二維的，若既有建筑使用年代較長的，可能還做了改動，已不是圖紙上的模樣，因此，既有建筑數(shù)字模型的建立是根據(jù)實(shí)體來進(jìn)行。目前為既有建筑建立數(shù)字模型這項(xiàng)技術(shù)是成熟的。首先通過3D數(shù)字掃描儀對建筑內(nèi)外進(jìn)行激光掃描，然后利用掃描數(shù)據(jù)建立點(diǎn)云模型，最后利用專業(yè)軟件生成既有建筑的CAD線畫圖、三維展示瀏覽文件、3D點(diǎn)云漫游視頻、3D模型建立的應(yīng)用信息。圖2是正在用3D掃描儀對重慶曾家?guī)r周公館的內(nèi)部進(jìn)行掃描作業(yè)。建筑高處不方便去的地方，或3D掃描儀看不見的地方，如屋面，可以通過無人機(jī)（圖3）拍照后，將照片轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云模型，然后與掃描儀數(shù)據(jù)相接形成整體。隨著BIM技術(shù)的深入推廣應(yīng)用，既有建筑數(shù)字信息模型的建立必然會提上議事日程。這是一個(gè)多么巨大的機(jī)遇，即使是其中的一小部分建筑建立模型，如大型的公用建筑、工業(yè)建筑、歷史建筑和文物建筑，也需要大量的技術(shù)操作人員花費(fèi)較長時(shí)間才能完成。
3既有建筑信息分類
既有建筑的相關(guān)資料是建筑成型和使用期間最真實(shí)的記錄，是利用BIM技術(shù)進(jìn)行后期使用過程管理的重要依據(jù)。3D掃描獲得既有建筑的實(shí)體數(shù)字模型是其中的一步，接下來還要把設(shè)計(jì)、施工過程中的資料收集完整作為修建信息。由于既有建筑已經(jīng)使用（即運(yùn)營），有的甚至使用了很長時(shí)間，并產(chǎn)生了社會價(jià)值，已有深遠(yuǎn)的影響，這些使用信息也需要收集完善，否則信息模型不完整。既有建筑的所有信息資料可分為兩類。一類是建筑實(shí)體信息，這與新建建筑的信息類似；另一類是文物價(jià)值的信息，這是一般新建建筑所不具有的，對一般既有建筑也不需要這些信息，主要是歷史建筑和文物建筑需要這些信息。它們的內(nèi)容及關(guān)系見圖4。雖然，一般既有建筑建立數(shù)字信息模型只需要地勘報(bào)告、設(shè)計(jì)圖紙、施工資料，使用階段的功能改變、損傷修復(fù)、維修改造記錄或檔案，用以完善建筑前期過程的信息情況。但是，2000年前的建筑這些資料很多都沒有，2000年后的建筑，資料缺失的也不少。因此需要通過調(diào)查、檢測來補(bǔ)充這些資料。歷史建筑把它歸為文物建筑來完善資料，是因?yàn)橐话銡v史建筑修建的時(shí)間較長，帶有那個(gè)時(shí)代的印跡，有些歷史建筑設(shè)計(jì)很有特色，被評為“優(yōu)秀建筑”或“優(yōu)秀歷史建筑”，隨著時(shí)間的推移，歷史價(jià)值增加，它們也會成為文物建筑。文物建筑主要是從歷史價(jià)值、科學(xué)價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值三個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)。每幢建筑不一定三個(gè)價(jià)值俱全，要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析評價(jià)。收集資料進(jìn)行正確評估是一個(gè)很細(xì)致、時(shí)間很長的工作，有時(shí)需要查閱大量檔案，不同時(shí)代的影像、照片與建筑實(shí)物進(jìn)行對比作出判斷，甚至需要引經(jīng)據(jù)典進(jìn)行說明。
4既有建筑信息收集
既有建筑雖然可以用3D掃描儀建立空間的數(shù)字模型，但是要滿足BIM技術(shù)的應(yīng)用，還是有很大的距離。既有建筑直接建立的數(shù)字模型，省掉了設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)階段，即省掉了在這兩個(gè)過程中數(shù)據(jù)的積累。既有建筑是使用了一段時(shí)間，甚至有很長一段時(shí)間的建筑，在這個(gè)過程中，可能有很多事情會發(fā)生，這些情況都不清楚，不利于建筑余下過程的管理。下面對已建數(shù)字模型的既有建筑需要了解的內(nèi)容做分類說明。
4.1關(guān)于建筑
3D掃描儀不能看見建筑的實(shí)體內(nèi)的情況，因此很多資料要補(bǔ)充完善，為使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，還需要現(xiàn)場檢測。建筑構(gòu)造及性能：建筑構(gòu)造，如屋面的做法、材料；外墻保溫的做法、材料；門窗的細(xì)部及構(gòu)造；建筑熱環(huán)境與耗能；建筑光環(huán)境、聲環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、日照分析；建筑裝飾等。建筑結(jié)構(gòu)：地基及基礎(chǔ)情況；結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，使用的材料及強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)連接的細(xì)部構(gòu)造；混凝土結(jié)構(gòu)的配筋情況等。管線情況：給排水管線、天然氣管線、供暖管線的布置，供電線路的布置，以及連接位置等。
4.2關(guān)于施工
以前施工過程中發(fā)生的事情，基本上是文字記錄，近年來，有些工程施工檔案中也有了圖像、聲頻、視頻記錄。為便于BIM的使用，有一部分要轉(zhuǎn)為電子文檔。如施工組織設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)更改，事故及處理情況，隱蔽工程視頻，試驗(yàn)資料等。
4.3關(guān)于使用
既有建筑一般都已經(jīng)使用了一些年份，因此需要調(diào)查了解的情況有：其間使用功能發(fā)生改變沒有，如何改變的；有沒有進(jìn)行過維修或改造，怎么設(shè)計(jì)、施工的；若出現(xiàn)過意外災(zāi)害對結(jié)構(gòu)造成損傷，如何處理的；建筑的耐久性怎么樣，如何檢測、評定的等等問題。
4.4文物價(jià)值
文物建筑雖然屬于既有建筑，但是它不但具有一般建筑的特性，還有重要的歷史價(jià)值、科學(xué)價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值，即社會價(jià)值。既有建筑的歷史價(jià)值，一般是指對歷史發(fā)展所產(chǎn)生的積極影響或者是事物本身所具有的特殊意義，能為后人提供可以用來指導(dǎo)方向的導(dǎo)航圖。既有建筑的科學(xué)價(jià)值，是指從建筑的角度反映出了不同時(shí)代的科技水平和生產(chǎn)力水平，對促進(jìn)或推動科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步所起到的作用。既有建筑的藝術(shù)價(jià)值，是指建筑上及周邊環(huán)境中的雕像、塑像、壁畫、題字的藝術(shù)價(jià)值，以及建筑構(gòu)造的風(fēng)格所反映的民族性和地域性、個(gè)性等特點(diǎn)。建筑價(jià)值的發(fā)現(xiàn)和整理，需要技術(shù)人員懂得歷史發(fā)展過程、地理環(huán)境、民族特性，懂得建筑、結(jié)構(gòu)、材料以及使用的年代和作用，懂得雕塑、繪畫、音樂、舞蹈的基本知識。為了獲得準(zhǔn)確的信息，需要去查找相關(guān)的資料，實(shí)地考察和調(diào)查，對建筑進(jìn)行細(xì)致的對比分析。
5既有建筑的BIM運(yùn)維管理
國外的運(yùn)維管理已經(jīng)成為一個(gè)專門的學(xué)科體系，稱之為FM體系（FacilityManagement）。在行業(yè)劃分上，F(xiàn)M與傳統(tǒng)建設(shè)行業(yè)AEC并稱為AEC/FM產(chǎn)業(yè)，大致相當(dāng)于我們的建筑業(yè)和物業(yè)等產(chǎn)業(yè)的總和。近半個(gè)世紀(jì)以來，F(xiàn)M已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一個(gè)高度整合的建筑全生命周期管理模式，F(xiàn)M相關(guān)知識領(lǐng)域的關(guān)系如圖4所示[1]。BIM在FM領(lǐng)域中的應(yīng)用一般被稱為“BIM+FM解決方案”。從圖4可以看出，既有建筑與這些相關(guān)領(lǐng)域之間都有關(guān)聯(lián)，因此BIM運(yùn)維管理軟件應(yīng)綜合考慮這些因素。既有建筑的數(shù)字模型和收集的相關(guān)信息必須通過運(yùn)維管理軟件才能發(fā)揮作用，對該建筑進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)管理。BIM在運(yùn)維中的應(yīng)用在一定程度上取決于運(yùn)維管理軟件的發(fā)展。國外在這方面稱為CAFM（Computer-AidedFacilityManagement）軟件行業(yè)，這是與CAD（Computer-AidedDesign）同時(shí)誕生的術(shù)語。美國運(yùn)營管理軟件ArchiBUS是最有市場影響的軟件之一。但因國情的差異，采用國產(chǎn)運(yùn)維軟件進(jìn)行物業(yè)的維修管理更合適，一些知名企業(yè)和公司已在探索使用，如萬科建研基地，建筑竣工移交使用方的同時(shí)提供BIM信息數(shù)據(jù)，BIM信息作為資產(chǎn)管理工具，對空間、使用、維護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)性管理。目前BIM技術(shù)的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用軟件主要是針對新建建筑，既有建筑相對于新建建筑，設(shè)計(jì)、施工過程已經(jīng)完成，運(yùn)營階段也進(jìn)行了一段時(shí)間，不是建設(shè)工程及設(shè)施的全生命期。因此，既有建筑與新建建筑數(shù)字信息化表達(dá)存在差異，把新建建筑的運(yùn)營應(yīng)用軟件直接用于既有建筑顯然是不合適的。需要BIM模型將分散的材料設(shè)備進(jìn)行整合，將三維可視模型與綜合智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合起來，達(dá)到高效管理。如何將市場現(xiàn)有的運(yùn)維軟件與當(dāng)前既有建筑的運(yùn)維管理有機(jī)結(jié)合，根據(jù)既有建筑現(xiàn)狀模型中心文件，在三維可視化協(xié)同條件下，實(shí)現(xiàn)建筑運(yùn)維方案優(yōu)化；基于BIM技術(shù)和RFID技術(shù)物流管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件的跟蹤管理，監(jiān)督結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)等，這是我們需要進(jìn)行研究的工作。既有建筑中的歷史建筑與文物建筑承載的信息是新建建筑所沒有的，甚至需要很長的時(shí)間才有。這些寶貴的信息如何與運(yùn)營過程相結(jié)合，也就是說，如何利用BIM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在還沒有提上議事日程。但是，這是一個(gè)值得認(rèn)真研究的領(lǐng)域，它為歷史建筑與文物建筑的保護(hù)，對城市更新與既有建筑改造是不可或缺的部分。
6結(jié)語
本文針對既有建筑尤其是歷史、文物建筑維護(hù)的特點(diǎn)，對既有建筑信息采集需求和特點(diǎn)進(jìn)行了分析，通過3D掃描、無人機(jī)攝影等技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合，建立既有建筑信息模型，與智能運(yùn)維和監(jiān)控等技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)既有建筑的科學(xué)維護(hù)和管理。
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作者：林文修 袁兵 張超 單位：重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司